CN103683992A

CN103683992A - 一种基于二十脉波整流与多管错相斩波的开关电源电路

Info

Publication number: CN103683992A
Application number: CN201310697944.4A
Authority: CN
Inventors: 葛涛; 李振国; 廖家芬
Original assignee: China Institute of Atomic of Energy
Current assignee: China Institute of Atomic of Energy
Priority date: 2013-12-18
Filing date: 2013-12-18
Publication date: 2014-03-26

Abstract

本发明公开了一种可用于大功率、超高稳定度的二十四脉波整流与多管错相斩波的开关电源电路。包含一输入整流滤波电路，用于输入电压整流滤波；一数字化稳流电路，位于整流电路与输出之间；一输出滤波电路，位于数字化稳流电路与输出之间；一控制单元，用于控制开关电源频率，提供PWM信号。整流滤波电路部分采用了三相二十四脉波整流与两级LC滤波，有效降低低频电压纹波。稳流电路采用数字化多管错相并联斩波拓扑，提高斩波频率，充分抑制高频纹波。控制回路采用数字化控制，提供超高稳定度电流基准。本发明提供的技术方案适合用于大功率、超高稳定度（电流长期稳定度好于1X10^-5）开关电源，具有效率高、稳定度高、系统高度可配置等优点。

Description

一种基于二十脉波整流与多管错相斩波的开关电源电路

技术领域

本发明涉及一种电源电路，具体涉及一种基于二十脉波整流与多管错相斩波的开关电源电路。

背景技术

传统的开关电源电路主要包括主电路、控制电路、辅助电路等，其中主电路包含输入整流滤波电路、逆变电路等，伴随电力电子及电源相关技术的发展，对开关电源的技术要求越来越高，大功率、大电流、低纹波、超高稳定度（电流稳定度好于1X10^-5）的开关电源应用越来越广泛。为实现大功率、超高稳定度的技术指标，需对主电路、控制电路等精心设计。而传统的开关电源电路在实现低纹波、超高稳定度方面存在缺陷。

射频设备经常存在需要动态连接，同时又要满足射频良好电连接性能的部位，一般在这些部位采用弹性簧片接触，弹性簧片可弥补运动及其它累积误差的间隙，同时又能满足射频电连接性能。在这种情况下，簧片和与之相邻的工件间需要焊接才能保证良好的射频电连接性能，一般软钎焊（焊接温度低）焊缝无法满足射频电连接性能要求，若采用银基钎焊或熔化焊，簧片需加热到700℃以上，这样会使簧片失去弹性，不能使用。采用铆接或其它机械连接方式将簧片固定，无法满足射频系统长时间可靠稳定工作的要求。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中存在的缺陷，提供一种大功率、超高稳定度（电流稳定度好于1X10^-5）的基于二十脉波整流与多管错相斩波的开关电源电路。

本发明的技术方案如下：一种基于二十脉波整流与多管错相斩波的开关电源电路，包括：

输入整流滤波电路，用于将输入三相交流电以二十四脉波整流方式整流成直流电，并将低频噪声滤除掉，所述输入整流滤波电路与数字化稳流电路输入端连接；

数字化稳流电路，用于将整流后的直流电经过多管错相斩波，形成输出电流稳定的直流电；数字化稳流电路采用四个IGBT并联，形成多管错相并联斩波拓扑，其输入端与输入整流滤波电路的输出端相连，IGBT的门极与控制电路的PWM信号输出端相连；

输出滤波电路，位于数字化稳流电路与输出端之间，用于将数字化稳流电路产生的直流电的高频噪声抑制掉；

控制电路，用于产生PWM信号，控制斩波频率，其输入端与输入整流滤波电路的输入端交流进线相接，其输出端与数字化稳流电路的IGBT的门极相连。

进一步，如上所述的基于二十脉波整流与多管错相斩波的开关电源电路，其中，所述的输入整流滤波电路包括二十四脉波整流变压器和输入滤波电路，所述的二十四脉波整流变压器由两组变压器在输出端串联组成，每组变压器分别包含一次侧线圈，以及两个二次侧线圈；分别将两组变压器的二次侧线圈输出接三相桥式整流电路，并将四路输出串联，即将输入三相交流电整流成直流电；二十四脉波整流变压器的输出端与输入滤波电路的输入端连接，输入滤波电路由两级LC滤波电路组成。

进一步，如上所述的基于二十脉波整流与多管错相斩波的开关电源电路，其中，所述的数字化稳流电路中多管错相并联斩波的四个IGBT的集电极并联连接在一起，每一路斩波线路的输出连接在一起，构成四路斩波线路并联，第一电容和第二电容并联连接在数字化稳流电路输入端；第一电感的第一端与并联斩波线路的正输出端连接，第二电感的第一端与并联斩波线路的负输出端连接，在第一电感的第二端与第二电感的第二端之间连接第三电容，第一电感的第二端与第四电容的第一端连接，第四电容的第二端接地；第二电感的第二端与第五电容的第二端连接，第五电容的第一端接地。

进一步，如上所述的基于二十脉波整流与多管错相斩波的开关电源电路，其中，所述的控制电路采用全数字化控制，包括电源控制器和数据采集器，在输出端通过直流电流传感器获取反馈信号，产生并提供超高稳定度的基准信号。

本发明的有益效果如下：本发明所提供的开关电源电路采用输入二十四脉波整流与两级LC滤波，输入滤波电路采用电解电容、高频电容和整流滤波电抗器组成LC滤波线路，二十四脉波不控整流纹波因数为0.01％，谐波最低频率为1200Hz，输入滤波电路在线路上采用电感输入式的LC滤波器，通过滤波器后使纹波因数为2×10^-4。开关电源电路采用多管错相波方案，选用4支IGBT作错相并联线路，每只IGBT开关频率15KHz～20KHz，并联后输出频率可达60KHz～80KHz，这样不仅满足了纹波指标，更提高了可靠性。

附图说明

图1为本发明一种基于二十脉波整流与多管错相斩波的开关电源电路原理框图；

图2为实施例中输入整流滤波电路图；

图3为实施例中数字化稳流及输出滤波电路图；

附图标记说明：QF-断路器；KM、KM1-接触器；EMI-电磁干扰滤波器；DCCT-直流电流传感器；T1、T2-变压器；C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8、C9、C10、C13、C14、C15、C16、C17、C18、C19、C20-电容；L1-1、L1-2、L2-1、L2-2、L3-1、L3-2、L5-1、L5-2-电感；R4-电阻；SK1、SK2、SK3、SK4-IGBT；VD1-二极管。

图4为实施例中控制电路图；

附图标记说明：DBB1为电源控制板，DBB2为数据采集板，DBB3保护板。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

本发明所提供的基于二十脉波整流与多管错相斩波的开关电源电路结构如图1所示，包括：

（1）输入整流滤波电路ZL，其用于将输入三相交流电以二十四脉波整流方式整流成直流电，并将低频噪声滤除掉，所述整流滤波电路与数字化稳流电路WL输入端连接；

所述的输入整流滤波电路其核心为二十四脉波整流变压器，该变压器由两个变压器T1和T2在输出端串联组成，其中T1包含一次侧线圈，以及两个二次侧线圈；T2包含一次侧线圈，以及两个二次侧线圈。分别将两组变压器的二次侧线圈输出接三相桥式整流电路，并将四路输出串联，即将输入三相交流电整流成直流电。二十四脉波整流变压器输出端与输入滤波电路输入端连接，输入滤波电路由两级LC滤波电路组成，可有效降低直流电的低频纹波。

（2）数字化稳流电路WL，用于将整流后的直流电经过多管错相斩波，形成输出电流稳定的直流电。该部分电路采用多管错相并联斩波拓扑，即四个IGBT（SK1、SK2、SK3、SK4）并联，其输入端与整流滤波电路ZL的两级LC滤波电路输出端相连。IGBT的门极与控制电路KZ的PWM信号输出端相连。

（3）输出滤波电路LB，用于将数字化稳流电路WL产生的直流电的高频噪声抑制掉，其位于数字化稳流电路WL与输出端之间。

（4）控制电路KZ；控制电路用于产生PWM信号，控制斩波频率。所述的控制电路，其输入与整流滤波电路ZL输入端交流进线相接，其输出端与数字化稳流电路WL的IGBT的门极相连。

如图2所示，所述的输入整流滤波电路ZL中，四路桥式整流模块N1、N2、N3、N4串联，N1的负端与N2的正端连接，N3的负端与N4的正端连接，N1的正端与电容C1的第一端连接，N2的负端与电容C2第二端连接，N3的正端与电容C3的第一端连接，N4的负端与电容C4第二端连接。两级LC滤波电路中，第一级LC滤波电路的电感L1-1的第一端与电容C1第一端连接，电感L1-2的第一端与电容C2的第二端连接，电感L1-2的第二端与电感L2-1的第二端连接，电感L2-1的第一端与电容C3的第一端连接，电感L2-2的第一端与电容C4的第二端连接；电容C5、C6、C7、C8并联连接在电感L1-1第一端与电感L2-2第二端之间，其中电容C5、C7的正端与电感L1-1第一端连接，负端与电感L2-2第二端连接。第二极LC滤波电路的电感L3-1的第一端与电感L1-1的第二端连接，电感L3-2的第一端与电感L2-2的第二端连接，电容C9与C10并联在电感L3-1的第二端与电感L3-2的第二端之间，电阻R4并联在电感L3-1的第二端与电感L3-2的第二端之间。

如图3所示，数字化稳流电路WL中多管错相并联斩波的四个IGBT（SK1、SK2、SK3、SK4）集电极并联连接在一起，每一路斩波线路的输出连接在一起，构成四路斩波线路并联，电容C13、C14并联连接在数字化稳流电路输入端。电感L5-1的第一端与电感L5-2的第一端之后电路为输出滤波电路。电感L5-1的第一端与并联斩波线路的正输出端连接，电感L5-2的第一端与并联斩波线路的负输出端连接，电容C15并联连接在电感L5-1的第二端与电感L5-2的第二端之间。电容C16的第一端与电感L5-1第二端连接，第二端接地；电容C17的第二端与电感L5-2第二端连接，第一端接地。L6、L7为扼流圈，C18并接在C16、C17之间，C18的第一端与C16的第一端连接，C18的第二端与C17的第二端连接。VD1为二极管，其正端与C18第二端连接，负端与C18第一端连接。C19与C20串联连接后与VD1并联，C19第一端与VD1负端连接，第二端与C20第一端连接接地，C20第二端与VD1正端连接。

如图4所示，控制电路KZ主要由三个部分组成:DBB1电源控制、DBB2数据采集、DBB3保护。其中DBB2数据采集主要用于反馈信号处理，包括电流反馈、负载电压反馈、前馈电压反馈等。其将反馈信号处理后，提供给DDB1电源控制。DBB1电源控制主要利用由DBB2和DBB3产生的信号，进行判断、计算。产生PWM控制信号GA、GB、GC、GD，主接触器合闸信号、软启动合闸信号等。DBB3保护部分主要用于产生负载断水、负载超温、主接触器合闸、过压、缺相等保护信号。

本发明中功率开关单元选择的是IGBT（Insulated Gate BipolarTransistor）绝缘栅双极性晶体管。通过向门极加正向电压，使IGBT导通，反之加反向门极电压，关断IGBT。通过控制流过功率开关的电流形成稳定的输出。

输入AC电压首先经过EMI（电磁干扰滤波器）滤波后，加到输入整流滤波电路，先进行整流，二十四脉波整流电路是由左、右相移各7.5°的两台等容量12相整流变压器，经4组三相全波整流并联输出组成。其中T1、T2的一次侧线圈为三角形接法，二次侧的两组线圈分别为三角形和星形接法，二十四脉波不控整流纹波因数为1×10^-4，谐波最低频率为1200Hz，经过二十四脉波整流后得到的直流电，再加到两级LC滤波电路上。通过两级LC滤波后使系统低频纹小于±1×10^-4。其中，L1-1、L1-2、L2-1、L2-2、C5、C6、C7、C8构成第一级LC滤波电路，L3-1、L3-2、C9、C10、R4构成第二级LC滤波电路，其中R4为能量释放电阻。

经过输入整流滤波后，形成的稳定直流电加到数字化稳流电路。数字化稳流电路由四路斩波器电路并联组成，下面以其中一路的工作原理进行说明。当由控制电路产生的驱动控制脉冲信号使SK1导通后，电容C15开始充电，输出电压加到负载的两端，在C15的充电过程中，电感L5-1、L5-2内的电流开始逐渐增长，储存的能力也逐渐增加。此时续流二极管VD1因反向偏置而截至。当驱动控制脉冲信号使SK1截止时，电感L5-1、L5-2内的电流减小，电感两端产生的感应电势使续流二极管VD2导通。电感中存储的磁场能量通过二极管VD2传递给负载，当负载电压低于电容C15两端电压时，电容C15便向负载放电，控制驱动脉冲信号周而复始的使斩波电路重复上述过程，最终使输出电压趋向于某一个定值。

使用数字化控制器的多管错相并联功能，选择错相4相。4支IGBT的开关频率为16kHz，并联后输出频率提高了4倍，可达64kHz。纹波仅为单支斩波线路的1/16（1/n2：n为错相数），提高了斩波频率，通过高频滤波回路，使高频纹波得到很好的抑制，保证系统高频纹波指标优于±1×10^-4。同时，滤波器的体积也更小。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种基于二十脉波整流与多管错相斩波的开关电源电路，包括：

2.如权利要求1所述的基于二十脉波整流与多管错相斩波的开关电源电路，其特征在于：所述的输入整流滤波电路包括二十四脉波整流变压器和输入滤波电路，所述的二十四脉波整流变压器由两组变压器在输出端串联组成，每组变压器分别包含一次侧线圈，以及两个二次侧线圈；分别将两组变压器的二次侧线圈输出接三相桥式整流电路，并将四路输出串联，即将输入三相交流电整流成直流电；二十四脉波整流变压器的输出端与输入滤波电路的输入端连接，输入滤波电路由两级LC滤波电路组成。

3.如权利要求1所述的基于二十脉波整流与多管错相斩波的开关电源电路，其特征在于：所述的数字化稳流电路中多管错相并联斩波的四个IGBT的集电极并联连接在一起，每一路斩波线路的输出连接在一起，构成四路斩波线路并联，第一电容和第二电容并联连接在数字化稳流电路输入端；第一电感的第一端与并联斩波线路的正输出端连接，第二电感的第一端与并联斩波线路的负输出端连接，在第一电感的第二端与第二电感的第二端之间连接第三电容，第一电感的第二端与第四电容的第一端连接，第四电容的第二端接地；第二电感的第二端与第五电容的第二端连接，第五电容的第一端接地。

4.如权利要求1所述的基于二十脉波整流与多管错相斩波的开关电源电路，其特征在于：所述的控制电路采用全数字化控制，包括电源控制器和数据采集器，在输出端通过直流电流传感器获取反馈信号，产生并提供超高稳定度的基准信号。