CN103715905B - 隔离型高频开关恒流变换器 - Google Patents

Abstract

本发明属于电力电子变换技术领域，具体涉及一种隔离型高频开关恒流变换器。它包括高频开关恒流变换模块、恒压供电模块、可输出稳定脉冲波形的驱动模块和控制模块，所述高频开关恒流变换模块包括高频恒流变换电路和整流滤波电路，所述控制模块包括启动电路和保护电路；所述恒压供电模块连接驱动模块、高频恒流变换电路和启动电路，所述驱动模块连接高频恒流变换电路，所述高频恒流变换电路连接整流滤波电路，所述整流滤波电路连接保护电路，所述启动电路连接高频恒流变换电路。本发明设计简单实效，恒流/恒流转换过程简单，不含高损耗器件，效率高，能够达到输出恒流、恒流转换与分支及恒流电路组网的目的。

Description

隔离型高频开关恒流变换器

技术领域

本发明属于电力电子变换技术领域，具体涉及一种隔离型高频开关恒流变换器。

背景技术

现有技术中的直流变换器是将一种电压的直流电变换成另一种或几种电压的直流电的设备，它仅适合恒压供电的场合，只能完成恒定电压间的转换，不能完成恒定电流间的转换，即不能将一种电流的恒流电变换成另一种或几种电流的恒流电，同时也不具备恒定电流的多路分支能力，无法满足恒流电路的组网需求。因此，在恒流供电系统等应用场合，如基于恒流供电方式的海底观测网络的远程供电系统中，传统的DC/DC变换器不具备实际的应用价值。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述背景技术存在的不足，提供一种可将一种恒定电流变换成另一种或几种恒定电流、转换过程简单、可靠性较高的隔离型高频开关恒流变换器。

本发明采用的技术方案是：一种隔离型高频开关恒流变换器，包括高频开关恒流变换模块、恒压供电模块、可输出稳定脉冲波形的驱动模块和控制模块，所述高频开关恒流变换模块包括可实现恒流/恒流转换的高频恒流变换电路和整流滤波电路，所述控制模块包括启动电路和保护电路；所述恒压供电模块输出端连接驱动模块、高频恒流变换电路和启动电路，所述驱动模块输出端连接高频恒流变换电路输入端，所述高频恒流变换电路输出端连接整流滤波电路，所述整流滤波电路输出端连接保护电路，所述启动电路输出端连接高频恒流变换电路。

进一步地，所述恒压供电模块包括可通过采样输出电压控制开关管通断以维持输出电压稳定的脉宽调制控制芯片U1、NPN型MOS开关管M3、二极管D7、电容C5、采样电阻和隔离模块DC1，所述开关管M3栅极连接脉宽调制控制芯片U1控制端、源极连接高频恒流变换电路和启动电路，所述二极管D7阳极连接开关管M3漏极、阴极连接电容C5一端，所述电容C5另一端连接开关管M3源极，所述电容C5与采样电阻并联，所述脉宽调制控制芯片U1采样端连接采样电阻，所述隔离模块DC1输入端连接采样电阻两端、输出端连接驱动模块和启动电路。

进一步地，所述采样电阻包括串联的第一采样电阻R4和第二采样电阻R5，所述第一采样电阻R4另一端连接电容C5一端，所述第二采样电阻R5另一端连接电容C5另一端，所述脉宽调制控制芯片U1采样端连接至第一采样电阻R4与第二采样电阻R5之间。

进一步地，所述高频恒流变换电路包括开关管M1、开关管M2、电容C1、高频变压器TX，所述开关管M1、开关管M2均为NPN型MOS管，所述高频变压器TX包括初级绕组和次级绕组，所述初级绕组由两线圈串联而成，所述开关管M1和开关管M2的栅极分别连接驱动模块的两个输出端、漏极分别连接初级绕组两端、源极均连接电容C1一端和启动电路输出端，所述电容C1另一端连接至开关管M3源极和两个线圈之间。

进一步地，所述启动电路包括继电器J1、稳压管D8、NPN型MOS开关管M4、电阻R9、电阻R10、电阻R11，所述继电器J1的输入端连接隔离模块DC1输出端，所述继电器J1输出端的一引脚连接开关管M4栅极，所述继电器J1输出端的另一引脚连接开关管M4源极、开关管M1源极和开关管M2源极，所述开关管M4漏极连接电阻R11，所述电阻R11另一端连接开关管M3源极，所述稳压管D8阳极连接开关管M4源极、阴极连接开关管M4栅极，所述电阻R10与稳压管D8并联，所述电阻R9一端连接开关管M4栅极、另一端连接开关管M3源极。

更进一步地，所述保护电路包括稳压管D6、电阻R1、晶闸管S1，所述稳压管D6阳极串联电阻R1，所述晶闸管S1阳极连接稳压管D6阴极、阴极连接电阻R1另一端、门极连接至稳压管D6与电阻R1之间。

本发明恒流变换器的启动电路在初启动状态为变换器提供内部通路；恒压供电模块采用脉冲调制芯片控制电流流通路径，将恒流转化为恒压，为内部用电模块供电，输出电压稳定，转换过程简单、效率高；恒流转换由恒流变换模块实现，根据高频变压器的匝数比与绕组，可改变输出恒流的大小和个数；保护电路将输出电压限制在额定范围内，在电路异常时可确保电路和负载设备安全，可靠性较高。

本发明设计简单实效，无需复杂的转换过程，能够达到输出恒流、恒流转换与分支及恒流电路组网的目的；在额定范围内，当负载发生变化时，输出电流稳定；由于该变换器不存在耗能较大的元器件，转换效率较高。同时该变换器可多个串联组合提高输出功率，或通过串联组合保持输出电流不变满足恒流电路的组网需求。

附图说明

图1为本发明的原理框图。

图2为本发明的电路拓扑示例图。

图3为本发明的组网应用示意图。

图4为本发明一部分器件仿真图（1）。

图5为本发明另一部分器件仿真图（2）。

图6为本发明的部分器件实测波形图。

图7为本发明的输出伏安特性曲线。

图8为本发明的电路板串联分压示意图。

图9为本发明的效率图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。

如图1所示，本发明包括高频开关恒流变换模块1、恒压供电模块2、驱动模块3和控制模块4。所述高频开关恒流变换模块1包括高频恒流变换电路5和整流滤波电路6，高频恒流变换电路5完成恒流/恒流转换，整流 滤波电路6完成输出电流的整流滤波。所述控制模块4包括启动电路7和保护电路8，启动电路7在初始状态控制高频开关恒流变换模块1的启动，保护电路8提供变换器输出端的过电压保护。驱动模块3采用硬件电路或单片机产生脉冲波形，由驱动芯片控制输出，为高频开关恒流变换模块提供驱动波形。所述恒压供电模块2输出端连接驱动模块3、高频恒流变换电路5和启动电路7，所述驱动模块3输出端连接高频恒流变换电路5输入端，所述高频恒流变换电路5输出端连接整流滤波电路6，所述整流滤波电路6输出端连接保护电路8，所述启动电路7输出端连接高频恒流变换电路5。

恒压供电模块2将外部恒流源提供的恒流转换为稳定电压，为驱动模块3及启动电路7提供电能，同时将恒流引入至高频恒流变换电路，它由控制芯片采样输出电压，通过PWM信号控制开关管的导通与关断，改变恒流的流通路径，控制电容充放电，输出稳定电压。

如图2所示，它包括脉宽调制控制芯片U1、NPN型MOS开关管M3、二极管D7、电容C5、采样电阻和隔离模块DC1，脉宽调制控制芯片U1通过采样输出电压控制开关管通断，改变恒流流通路径，以维持输出电压稳定。其各自之间的连接关系为：所述开关管M3栅极连接脉宽调制控制芯片U1控制端、源极连接高频恒流变换电路和启动电路，所述二极管D7阳极连接开关管M3漏极、阴极连接电容C5一端，所述电容C5另一端连接开关管M3源极，所述电容C5与采样电阻并联，所述脉宽调制控制芯片U1采样端连接采样电阻，所述隔离模块DC1输入端连接采样电阻两端、输出端连接驱动模块和启动电路。采样电阻包括串联的第一采样电阻R4和第二采样电阻R5，所述第一采样电阻R4另一端连接电容C5一端，所述第二采样电阻R5另一端连接电容C5另一端，所述脉宽调制控制芯片U1采样端连接至第一采样电阻R4与第二采样电阻R5之间。

高频开关恒流变换模块采用高频驱动控制功率开关管的导通与关断，改变恒流的流通路径，在输入端将恒流转换为交流。由于高频变压器呈感性，流入变压器的电流逐渐发生变化。相应的，输入电流对输入端电容在 较小幅度内进行充放电，以维持输入端输出电流的恒定。输入端电容起到了控制电压、储能及维持输入端电流稳定的作用，它的电压大小由负载决定。经高频变压器变换和输出回路整流滤波，输出端输出稳定电流，电流大小由高频变压器匝数比决定。在额定范围内，变换模块输出端相当于具有较高内阻的恒流源。

高频恒流变换电路包括开关管M1、开关管M2、电容C1、高频变压器TX，所述开关管M1、开关管M2均为NPN型MOS管，所述高频变压器TX包括初级绕组和次级绕组，所述初级绕组由两线圈串联而成，所述开关管M1和开关管M2的栅极分别通过电阻Ro1和电阻Ro2连接驱动模块的两个输出端、漏极分别连接初级绕组两端、源极均连接电容C1一端和启动电路输出端，所述电容C1另一端连接至开关管M3源极和两个线圈之间，开关管M1的源漏极之间还设有保护电阻Rm1和电容Cm1，开关管M2的源漏极之间还设有保护电阻Rm2和电容Cm2。

整流滤波电路包括整流二极管D1、整流二极管D2、整流二极管D3、整流二极管D4、续流二极管D5、电感L1、电容C2和电容C3。

启动电路采用继电器控制，在初始状态，继电器输出端开关常开，控制功率开关管导通，启动电路处于通路状态。待恒压供电模块启动，控制驱动模块开始工作，相应的功率开关管通过导通与关断变换，使高频开关恒流变换模块的输入端形成通路。同时，控制继电器输出端闭合，使原始通路变换为开路，高频开关恒流变换模块开始正常工作。

如图2所示，启动电路包括继电器J1、稳压管D8、NPN型MOS开关管M4、电阻R9、电阻R10、电阻R11。其各自之间的连接关系为：所述继电器J1的输入端连接隔离模块DC1输出端，所述继电器J1输出端的一引脚连接开关管M4栅极，所述继电器J1输出端的另一引脚连接开关管M4源极、开关管M1源极和开关管M2源极，所述开关管M4漏极连接电阻R11，所述电阻R11另一端连接开关管M3源极，所述稳压管D8阳极连接开关管M4源极、阴极连接开关管M4栅极，所述电阻R10与稳压管D8并联，所述电阻R9一端连接开关管M4栅极、另一端连接开关管M3源极。

保护电路将输出电压限制在额定范围内，当电路异常，输出电压升高到限定值，保护电路启动，控制晶体闸流管受激导通，输出端相当于短路，保护输出端负载设备。它包括稳压管D6、电阻R1、晶闸管S1，所述稳压管D6阳极串联电阻R1，所述晶闸管S1阳极连接稳压管D6阴极、阴极连接电阻R1另一端、门极连接至稳压管D6与电阻R1之间。

本发明变换器的具体控制过程为：

如图2所示，恒流源Ii输入恒定电流，在恒流源与恒压供电模块之间连接滤波电感L2，使恒流输入更稳定，启动电路的继电器J1输出端口开路，稳压管D8控制功率开关管M4导通，由开关管M3、开关管M4形成的电路呈通路状态。电流Ii经恒压供电模块，由脉宽调制控制芯片U1进行闭合回路控制，控制开关管M3的导通与关断，改变电流的流通路径，对电容C5充放电，进而完成恒流/恒压转换，经隔离模块DC1隔离输出，为驱动模块、控制模块提供稳定电压。驱动模块由芯片U2控制，输出两路驱动波形，控制开关管M1与开关管M2的导通与关断。驱动模块工作后，恒压供电模块控制继电器J1的输出端口闭合，开关管M4关断，原始回路呈开路状态，高频开关恒流变换模块开始正常工作，电容C1根据输入电流和负载大小迅速充电，随开关管M1与开关管M2的导通与关断进行小幅度的充放电，流入高频变压器的电流也产生相应的变化。高频开关恒流变换模块的输入端采用推挽式电路，恒流经恒压供电模块流入该变换模块输入端，电流I₁自输入端流出，其中I_i=I₁。输出端采用全波整流和π型滤波电路，经功率管开关变换，高频变压器TX转换，整流滤波后，输出电流I_o。若输出电压异常，高于限定值，输出端由稳压管D6和电阻R1组成的支路导通，控制晶闸管S1导通，输出端短路，确保电路和负载设备安全。当高频变压器的匝数比n=1时，I_i=I_o。

本发明的变换器可多个串联组合，以提高输出功率；或通过组合完成恒流电路的组网需求。如图3所示，变换器在恒流系统中组合使用，以局部1为例，子变换器I和子变换器II均为本发明的恒流变换器，子变换器I和子变换器II的输入、输出端均采用串联方式连接组合成变换器A，以提 高输出功率，变换器A的输入、输出电流I_i=I₂=I₃，完成恒流的转换与分支。变换器A与B、变换器C与D相当于远距离的串联组合，通过四个变换器的相应接口的组合连接，使系统的电流保持不变，满足恒流电路的组网需求。

为了加深对该变换器电路原理和工作过程的理解，验证变换器的功能和作用，试验元件参数，通过专业电路仿真软件PSPICE对该电路进行了搭建和仿真，仿真假设输入电流I_i=1A，取负载R_o=100Ω。图4是变换器一部分器件仿真图（1）。图5是变换器另一部分器件仿真图（2）。电容C1的电压同输出电压，即负载R_o的电压相关，在开关周期内进行小幅度的充放电。驱动模块输出脉冲即为开关管的栅-源极电压，开关管的漏-源极电压以电容电压为基准随驱动波形产生相应变化，输出电流约为1A。

根据仿真结果，搭建硬件电路并进行了相关试验。试验取I_i=1A，R_o=120Ω。图6是变换器部分器件波形图。电容C1的电压稳定在120V左右。驱动电路提供大小为12V的脉冲信号，驱动脉冲设有“死区”，开关管在驱动脉冲控制下轮换导通和关断。以功率开关管M2为例，开关管M2关断时，漏-源极电压约为240V，为负载电压的2倍；开关管M2导通时，漏-源极电压为0。

图7是变换器输出伏安特性曲线，包含仿真曲线和两块硬件电路A板和B板的实测曲线。A、B板采用相同的器件和参数制作。仿真与实测仿真曲线说明，负载电压的变化对电流的影响极小，在额定范围内，可将变换器输出端视为恒流源。定义R_X1与R_X2用来描述高频变压器的磁芯损耗和开关管的开关损耗情况。实测曲线的斜率约为4.6KΩ，高频变压器的耦合系数约为0.999。仿真曲线的参数取R_X1=R_X2=10K、K=0.999，该参数下的仿真曲线与实测较为吻合，该变换器的输出斜率同高频变压器的磁芯损耗和开关管的开关损耗相关。图7中，(R_X1+R_X2)2=5K，近似于实测曲线的输出斜率。在实际应用中，若变换器负载突然发生变化，由于变换器输出端类似于恒流源的特性，系统的电流能够依然保持恒定，保证系统稳定工作。

实际应用中，单个变换器的输出功率可能不能满足实际功率需求，同时恒流电路存在组网应用的可能性。一方面为验证能否通过多个变换器串 联，提高输出功率，另一方面为验证可否通过组合使用，满足恒流电路的组网需求，特对A、B板进行了串联试验。图7中，A、B板的输出伏安特性曲线基本吻合。理论上，若输出特性吻合，则串联时两板分压均匀，不会出现因某个变换器负载过重，造成电路损坏的情况。图8是A、B板串联分压示意图，该图说明实际工作环境中，在变换器的输出额定功率范围内，两者基本能够平均承担负载功率，因此，该型变换器在实际系统中可以串联使用，满足图3提出的组网和提高输出功率的需求。

图9是变换器的效率图。由于仿真中忽略了驱动模块及控制模块消耗的功率，且元器件均为理想状态，因此效率比实测稍高。总体而言，该型设备转换效率较高，可达93%。因此，从效率方面考虑，该变换器具有较高的转换效率。在实际应用过程中，应充分考虑变换器的输出功率冗余。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (6)

1.一种隔离型高频开关恒流变换器，其特征在于：包括高频开关恒流变换模块（1）、恒压供电模块（2）、可输出稳定脉冲波形的驱动模块（3）和控制模块（4），所述高频开关恒流变换模块（1）包括可实现恒流/恒流转换的高频恒流变换电路（5）和整流滤波电路（6），所述控制模块（4）包括启动电路（7）和保护电路（8）；所述恒压供电模块（2）输出端连接驱动模块（3）、高频恒流变换电路（5）和启动电路（7），所述驱动模块（3）输出端连接高频恒流变换电路（5）输入端，所述高频恒流变换电路（5）输出端连接整流滤波电路（6），所述整流滤波电路（6）输出端连接保护电路（8），所述启动电路（7）输出端连接高频恒流变换电路（5）。

2.根据权利要求1所述的隔离型高频开关恒流变换器，其特征在于：所述恒压供电模块（2）包括可通过采样输出电压控制开关管通断以维持输出电压稳定的脉宽调制控制芯片U1、NPN型MOS开关管M3、二极管D7、电容C5、采样电阻和隔离模块DC1，所述开关管M3栅极连接脉宽调制控制芯片U1控制端、源极连接高频恒流变换电路和启动电路，所述二极管D7阳极连接开关管M3漏极、阴极连接电容C5一端，所述电容C5另一端连接开关管M3源极，所述电容C5与采样电阻并联，所述脉宽调制控制芯片U1采样端连接采样电阻，所述隔离模块DC1输入端连接采样电阻两端、输出端连接驱动模块和启动电路。

3.根据权利要求2所述的隔离型高频开关恒流变换器，其特征在于：所述采样电阻包括串联的第一采样电阻R4和第二采样电阻R5，所述第一采样电阻R4另一端连接电容C5一端，所述第二采样电阻R5另一端连接电容C5另一端，所述脉宽调制控制芯片U1采样端连接至第一采样电阻R4与第二采样电阻R5之间。

4.根据权利要求2所述的隔离型高频开关恒流变换器，其特征在于：所述高频恒流变换电路（5）包括开关管M1、开关管M2、电容C1、高频变压器TX，所述开关管M1、开关管M2均为NPN型MOS管，所述高频变压器TX包括初级绕组和次级绕组，所述初级绕组由两线圈串联而成，所述开关管M1和开关管M2的栅极分别连接驱动模块的两个输出端、漏极分 别连接初级绕组两端、源极均连接电容C1一端和启动电路输出端，所述电容C1另一端连接至开关管M3源极和两个线圈之间。

5.根据权利要求4所述的隔离型高频开关恒流变换器，其特征在于：所述启动电路（7）包括继电器J1、稳压管D8、NPN型MOS开关管M4、电阻R9、电阻R10、电阻R11，所述继电器J1的输入端连接隔离模块DC1输出端，所述继电器J1输出端的一引脚连接开关管M4栅极，所述继电器J1输出端的另一引脚连接开关管M4源极、开关管M1源极和开关管M2源极，所述开关管M4漏极连接电阻R11，所述电阻R11另一端连接开关管M3源极，所述稳压管D8阳极连接开关管M4源极、阴极连接开关管M4栅极，所述电阻R10与稳压管D8并联，所述电阻R9一端连接开关管M4栅极、另一端连接开关管M3源极。

6.根据权利要求1所述的隔离型高频开关恒流变换器，其特征在于：所述保护电路（8）包括稳压管D6、电阻R1、晶闸管S1，所述稳压管D6阳极串联电阻R1，所述晶闸管S1阳极连接稳压管D6阴极、阴极连接电阻R1另一端、门极连接至稳压管D6与电阻R1之间。