CN103840689A

CN103840689A - 一种高压开关电源

Info

Publication number: CN103840689A
Application number: CN201410129808.XA
Authority: CN
Inventors: 蔡子亮; 杨飞; 白政民; 杨晓博; 李耀辉
Original assignee: Xuchang University
Current assignee: Xuchang University
Priority date: 2014-04-01
Filing date: 2014-04-01
Publication date: 2014-06-04

Abstract

本发明提供了一种高压开关电源，其包括顺序连接的电源输入端、第一整流滤波电路、谐振DC-DC变换器、第二整流滤波电路、电源输出端；所述第二整流滤波电路为N倍压整流滤波电路，其中，N为大于1的自然数。采用上述方案，本发明通过建立谐振网络实现开关电源的零电压开通，从而降低高频引起的开关损耗，并且，有效减小了变压器的升压倍数，降低了变压器的体积和设计难度，进而使电源的体积和重量大大减少，具有很高的市场应用价值。

Description

一种高压开关电源

技术领域

本发明涉及开关电源领域，尤其涉及的是，一种高压开关电源。

背景技术

开关电源是利用现代电力电子技术，控制功率开关管开通和关断的时间比率，将一种电源形态转变为另一种电源形态，并维持电压稳定输出的电源电路，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC（Integrated Circuit，集成电路）和MOSFET（Metal-Oxide -Semiconductor Field Effect Transistor，金属氧化物半导体场效应晶体管）/或IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管）构成。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新。目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。

目前，开关电源产品已经广泛应用于工业自动化控制、军工设备、科研设备、LED照明、工控设备、通讯设备、电力设备、仪器仪表、医疗设备、半导体制冷制热、空气净化器，电子冰箱，液晶显示器，LED灯具，通讯设备，视听产品，安防监控，LED灯袋，电脑机箱，数码产品和仪器类等领域。

开关电源多采用高频脉宽调制（PWM）技术对功率开关管进行自动闭环控制，并具有保护和显示环节；其结构主要包括主电路、开关电源、控制电路、检测电路、辅助电源四大部份组成。目前，开关电源以体积小、重量轻和效率高等优越性被广泛应用于几乎所有电子设备中。

高压开关电源也称为高频高压电源，其功率开关管的开关频率在50kHZ以上，而其稳定输出的电压在一千伏特以上。在高压开关电源的设计中，为了获得上千伏的直流高压输出，通常需要对220V工频交流电源经变压器升压和整流滤波，但较高的升压倍数使变压器的体积增大，致使开关电源性能下降。

高压开关电源的高频化能够使电源的体积减小，但对于相对成熟的PWM控制技术来讲，势必会增加电源的开关损耗，降低电源的效率。针对此问题，软开关技术已成为高压开关电源的主流技术，并大幅提高了高压开关电源的工作效率。其中软开关技术是指，利用谐振网络，使功率开关管上的电压或电流按正弦规律变化，以创造零电压开通（ZVS）或零电流关断（ZCS）的条件，进而降低器件的开关损耗，以提高电源效率的技术。从目前的应用状况来看，软开关技术不仅可以解决开关损耗问题、容性开通问题、感性关断问题, 还能解决由硬开关引起的电磁干扰和二极管反向恢复问题。

但是，现有技术存在以下问题：

（1）在高压开关电源的设计中，为了获得上千伏的直流高压输出，通常需要对220V工频交流电源经变压器升压和整流滤波获得，但较高的升压倍数使变压器的体积增大，开关电源性能下降。

（2）高压开关电源的高频化能够使电源的体积减小，但对于相对成熟的PWM控制技术来讲，势必会增加电源的开关损耗，降低电源的效率。

（3）在高压开关电源的设计中，由于元器件的性能及制造工艺的限制，高压开关电源的体积，效率及稳定性很难协调兼顾，往往为满足某一方面的要求而牺牲其它方面的性能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种新的高压开关电源。

本发明的技术方案如下：一种高压开关电源，其包括顺序连接的电源输入端、第一整流滤波电路、谐振DC-DC变换器、第二整流滤波电路、电源输出端；所述第二整流滤波电路为N倍压整流滤波电路，其中，N为大于1的自然数。

优选的，所述高压开关电源还包括采样电路与谐振式PWM控制器；所述第二整流滤波电路的输出位、所述采样电路、所述谐振式PWM控制器顺序连接；优选的，所述谐振式PWM控制器还连接所述谐振DC-DC变换器。

优选的，所述高压开关电源中，所述谐振DC-DC变换器设置顺序连接的逆变器、谐振电路、隔离变压器以及整流输出电路。

优选的，所述高压开关电源中，所述逆变器包括若干顺序串联的控制开关。

优选的，所述高压开关电源中，所述谐振DC-DC变换器设置半桥式结构。

优选的，所述高压开关电源中，所述半桥式结构包括两个功率开关管，用于在一个开关周期内交替导通。

优选的，所述高压开关电源中，所述谐振式PWM控制器连接并控制各所述功率开关管的开通和关断。

优选的，所述高压开关电源中，所述谐振电路在所述隔离变压器的原边设置LC并联谐振电路。

优选的，所述高压开关电源中，通过所述谐振式PWM控制器设置所述高压开关电源的工作频率为150KHz。

优选的，所述高压开关电源中，N为6或8。

采用上述方案，本发明通过建立谐振网络实现开关电源的零电压开通，从而降低高频引起的开关损耗，并且，有效减小了变压器的升压倍数，降低了变压器的体积和设计难度，进而使电源的体积和重量大大减少，具有很高的市场应用价值。

附图说明

图1为本发明的一个实施例的高压开关电源结构示意图；

图2为本发明的一个实施例的主电路示意图；

图3为本发明的又一个实施例的电路示意图；

图4为本发明的又一个实施例的高压开关电源输出电压波形示意图；

图5为本发明的又一个实施例的功率开关管驱动电压和漏源极电压波形示意图;

图6为本发明的又一个实施例的功率开关管驱动电压和漏源极电压波形示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。本说明书及其附图中给出了本发明的较佳的实施例，但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

需要说明的是，当某一元件固定于另一个元件，包括将该元件直接固定于该另一个元件，或者将该元件通过至少一个居中的其它元件固定于该另一个元件。当一个元件连接另一个元件，包括将该元件直接连接到该另一个元件，或者将该元件通过至少一个居中的其它元件连接到该另一个元件。

如图1所示，本发明的一个实施例是，一种高压开关电源，其包括顺序连接的电源输入端、第一整流滤波电路、谐振DC-DC变换器、第二整流滤波电路、电源输出端；所述第二整流滤波电路为N倍压整流滤波电路，例如，所述第二整流滤波电路设置相同数量的电容与二极管，其中，优选的，各二极管顺序串联；优选的，各电容分成两组，分别通过一电感、一变压器副边串联，例如，若干电容顺序串联为第一组电容，其他若干电容顺序串联为第二组电容，一变压器副边的两端分别连接第一组电容、第二组电容的一端，一电感的两端分别连接第一组电容、第二组电容的另一端；优选的，每一二极管对应于一电容，例如，该二极管的输入端连接对应的电容的输入端；又如，该二极管的输入端连接对应的电容的输出端。优选的，所述第二整流滤波电路还连接第一逆变器，在所述第二整流滤波电路输出高压直流电时，通过所述第一逆变器将高压直流电转换为高压交流电之后，再通过所述电源输出端进行输出。

其中，N为大于1的自然数。例如，N为2、3、4、5、6、7、8、9、10或者12等；优选的，N为8，例如，所述第二整流滤波电路设置。这样，通过采用倍压整流方式，直接减小了变压器的升压倍数，进而降低了变压器的设计难度和体积，例如，使得原体积缩减超过30%以上。优选的，为使高压开关电源在稳定工作的过程中有最优的效率，本发明各实施例通过爬山法对电路参数经行探索性优化，最终确定了电源的最优工作点，并以此确定了相关的电路参数。例如，优选的，N为6；这样，针对高压开关电源升压倍数较高的问题，例如，本发明在变压器副边设计了六倍压整流电路。该设计有效减小了变压器的升压倍数，降低了变压器的体积和设计难度，进而使电源的体积和重量大大减少，具有很高的实用性。

优选的，所述高压开关电源还包括采样电路与谐振式PWM控制器；所述第二整流滤波电路的输出位、所述采样电路、所述谐振式PWM控制器顺序连接；所述谐振式PWM控制器还连接所述谐振DC-DC变换器。优选的，如图2所示，一种高压开关电源，其包括采样电路、谐振式PWM控制器、以及顺序连接的电源输入端、第一整流滤波电路、谐振DC-DC变换器、第二整流滤波电路、电源输出端；其中，所述电源输入端用于输入市电，所述第二整流滤波电路为六倍压整流滤波电路，所述电源输出端用于输出2500V高压；采样电路的输入端连接所述电源输出端，采样电路的输出端连接所述谐振式PWM控制器的输入端，所述谐振式PWM控制器的输出端连接所述谐振DC-DC变换器的输入端。优选的，所述高压开关电源中，通过所述谐振式PWM控制器设置所述高压开关电源的工作频率为150KHz；这样，可以进一步减小高压开关电源的体积；但需要说明的是，该设定增加了所述高压开关电源的开关损耗；为此，优选的，在高压开关电源的电源输入端采用软开关，即通过建立所述谐振式PWM控制器及所述谐振DC-DC变换器作为谐振网络，实现开关电源的零电压开通，从而降低高频引起的开关损耗。同时，谐振网络中设置谐振电容，吸收利用了变压器的寄生参数，避免了变压器分布电容和漏感对电源工作性能的不良影响。例如，谐振网络的结构采用串联式结构或串并联式结构，电源的控制芯片也可以选择UC1861、UCC3895或LM5020等。

如图2所示，220V市电经整流滤波后变为直流，作为谐振DC/DC（直流变直流）变换器的输入。谐振DC/DC变换器采用半桥式结构，并在变压器原边建立了并联谐振网络。谐振DC/DC变换器中功率开关管的开通和关断受谐振式PWM（脉宽调制）控制器输出信号的控制。谐振网络的建立及谐振式PWM控制器的设置使得谐振DC/DC变换器具有零电压开通的软开关功能，有效降低了变换器的开关损耗，提高了电源的效率。谐振DC/DC变换器的输出作为六倍压整流滤波电路的输入。优选的，本发明中的倍压整流电路采用六级倍压结构，明显减小了谐振DC/DC变换器中变压器的升压倍数，进而减小了变压器的体积，同时降低了变压器的设计难度。六倍压整流滤波电路的输出即为电源的输出，输出电压为2500V，输出电流为100mA。为维持电源的稳定输出，其输出需经过采样与谐振PWM控制器构成反馈回路。反馈回路的输出信号即谐振PWM控制器的输出信号，在软开关条件下控制谐振DC/DC变换器中功率开关管的开通和关断，以调节电源的输出，其工作频率为150KHz。

优选的，所述高压开关电源中，所述谐振DC-DC变换器设置顺序连接的第二逆变器、谐振电路、隔离变压器以及整流输出电路。例如，所述谐振式PWM控制器还连接所述谐振DC-DC变换器中的谐振电路的输入端。优选的，所述第二逆变器包括若干顺序串联的控制开关。优选的，所述谐振电路设置谐振电容，其类型和容量根据实际情况设置，在此不作额外限制。优选的，所述第二逆变器之前还设置分压电容组；例如，所述分压电容组包括串联的第一电容与第二电容，例如，分压电容组的一端连接所述第二逆变器的输入端，另一端接地，所述谐振DC-DC变换器的输入端连接于第一电容与第二电容之间，例如，所述谐振DC-DC变换器的输入端连接第二电容的输入端。又如，采用若干分压电阻，每一分压电阻上并联设置一电容，最后一分压电阻还并联所述第二逆变器。优选的，所述谐振电路与所述隔离变压器之间还设置钳位电路，用于将周期性变化的波形的顶部或底部保持在某一确定的直流电平上，优选的，所述钳位电路为二极管钳位电路或三极管钳位电路。

优选的，所述采样电路从电源输出端取样，与设定值进行比较，然后通过所述谐振式PWM控制器控制所述谐振DC-DC变换器的第二逆变器，改变其脉宽，使输出稳定；优选的，所述采样电路还设置测试电路与保护电路，所述采样电路取样后根据所述测试电路提供的数据，经保护电路鉴别，提供控制电路对电源进行各种保护措施。优选的，所述采样电路还设置检测电路，其分别连接所述保护电路、所述谐振DC-DC变换器、所述谐振式PWM控制器，用于检测所述保护电路、所述谐振DC-DC变换器、所述谐振式PWM控制器正在运行中各种参数和各种仪表数据。

优选的，所述高压开关电源中，所述谐振DC-DC变换器设置半桥式结构。优选的，所述半桥式结构包括两个功率开关管，用于在一个开关周期内交替导通。优选的，所述高压开关电源中，所述谐振式PWM控制器连接并控制各所述功率开关管的开通和关断。

优选的，所述高压开关电源中，所述谐振电路在所述隔离变压器的原边设置LC并联谐振电路。优选的，所述高压开关电源还设置电流保护电路，其设置于所述电源输入端与所述第一整流滤波电路之间，用于限制接通电源瞬间电源输入端的冲击电流，保护所述第一整流滤波电路；例如，冲击电流保护电路设置一保险丝或者保险盒等。优选的，所述电流保护电路中还设置输入滤波器，用于过滤电网的电流输入中存在的杂波，还用于阻碍所述高压开关电源自身产生的杂波反馈回电网中。

又一个例子，其电路图如图3所示，二极管D1至D4与电阻R1、电容C1共同构成了整流滤波电路，将220V的交流市电转变为220V直流电。功率开关管Q1、Q2与变压器T1以及相关电感电容共同构成了谐振DC/DC变换器，变换器采用半桥式结构，功率开关管Q1、Q2在一个开关周期内交替导通，变压器T1既有电压变换作用又有电气隔离作用。如图3所示，电感L1与电容C4在变压器的原边构成了并联谐振网络，其不但实现了功率开关管零电压开通的软开关功能，同时也吸收利用了变压器的寄生参数，避免了变压器的分布电容与漏感对变换器工作特性的不良影响。二极管D7至D12与电容C5至C10在变压器的副边共同构成六倍压整流电路，该倍压整流电路有效减小了变压器T1的升压倍数与体积。最后，经过电感L2与电容C11构成的滤波网络低通滤波，将2500V直流电供给负载Rload。

又一个例子，高压开关电源电路如图4所示，其中标示了高压开关电源中六倍压整流输出的电路拓扑及相关电路参数，该实施例在高压开关电源中同时实现功率开关管零电压开通和六倍压整流输出；经试制测试，其具有以下性能指标：

（1）输入电压范围 V_in=170VAC～242VAC；

（2）输出电压 V_out=2500VDC；

（3）输出电流 I_out=0～100mA；

（4）输出纹波系数

＜5%；

（5）电源体积 a=180×150×25mm³；

（6）电源工作频率 f=150KHz；

（7）电源效率

﹥90%。

由上述指标可见，本发明该实施例性能较好。

又如，在开发软件PSPICE中构建上述开关电源电路。其中，功率开关管选用IFR840，输出整流二极管选用1N5399，电源谐振网络采用并联结构，电源控制芯片选用谐振式PWM控制器UC3861。通过在PSPICE中运行高压开关电源电路，得到输出和采用波形，高压开关电源输出电压波形如图5所示，功率开关管驱动电压和漏源极电压波形如图6所示。

由图5可以看出高压开关电源输出电压波形，高压开关电源的输出电压最终稳定在2.5KV。输出电压由0V上升到2.5KV的响应时间为40ms，响应速度较快。电压波动在±75V以内，计算纹波系数可得

=3%，可知电路满足纹波系数

＜5%的设计要求。

由图6可以看出功率开关管驱动电压和漏源极电压波形，上方的波形为功率开关管驱动电压波形，下方的波形为功率开关管漏源极电压波形。从两波形在时间轴上的对比可知，功率开关管漏源极电压在4.5us时下降为0V，而功率开关管的驱动电压在4.7us时由0V开始上升，下一周期亦是如此，可见该电路谐振网络的设计实现了功率开关管零电压开通的软开关功能。

进一步地，本发明的实施例还包括，上述各实施例的各技术特征，相互组合形成的高压开关电源。例如，针对高压开关电源小型化及节能化的应用需求，本发明一实施例为2500V/100mA输出的高压开关电源。高压开关电源的设计采用了软开关技术及倍压整流技术，其中软开关技术的采用克服了脉宽调制型功率开关管的开关损耗随开关频率的增加而上升的缺点，而倍压整流技术的采用直接减小了变压器的升压倍数，进而降低了变压器的设计难度和体积。在电路设计过程中，为进一步提高开关电源的效率，对电路参数进行了爬山法探索性优化，并最终确定了开关电源的最优工作点及相关电路参数。本发明特别适用于对体积及效率要求严格的高压电源场合。

并且，本发明在研发阶段进行了详细的专利检索，与公开号为CN2425451Y的中国实用新型专利“一种高频高压开关电源的DC/DC功率变换器”相比较，本发明在实现高压开关电源高频和软开关的同时，充分考虑体积对高压开关电源使用的影响，在电源输出端设计六倍压整流输出电路，有效降低了变压器的体积及设计难度，使电源体积达到应用要求。

与公开号为CN101488718A的中国发明专利“倍压同步整流多谐振软开关变换器”、公开号为CN102629830A的中国发明专利“高频软开关技术开关电源”相比较，本发明特别适用于高压场合。并且，谐振网络的结构更为简单有效，在实现零电压开通的同时，吸收利用了变压器的寄生参数，避免了变压器的分布电容与漏感对变换器工作特性的不良影响。

与公开号为CN201726326U的中国实用新型专利“一种带无源功率因数校正电路的半桥软开关电源”相比较，本发明实现了电源的软开关，通过对电路参数的优化设计，使电源具有更高的效率和更可靠的工作性能。

与公开号为CN202663319U的中国实用新型专利“一种自举倍压供电软开关半桥逆变电路”、公开号为CN201821268U的中国实用新型专利“半桥串联谐振软开关电源”相比较，本发明主要针对高电压、小体积的应用场合。电源效率更高，工作稳定性更好。

需要说明的是，上述各技术特征继续相互组合，形成未在上面列举的各种实施例，均视为本发明说明书记载的范围；并且，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims

1.一种高压开关电源，其特征在于，包括顺序连接的电源输入端、第一整流滤波电路、谐振DC-DC变换器、第二整流滤波电路、电源输出端；

所述第二整流滤波电路为N倍压整流滤波电路，其中，N为大于1的自然数。

2.根据权利要求1所述高压开关电源，其特征在于，还包括采样电路与谐振式PWM控制器；

所述第二整流滤波电路的输出位、所述采样电路、所述谐振式PWM控制器顺序连接；

所述谐振式PWM控制器还连接所述谐振DC-DC变换器。

3.根据权利要求2所述高压开关电源，其特征在于，所述谐振DC-DC变换器设置顺序连接的逆变器、谐振电路、隔离变压器以及整流输出电路。

4.根据权利要求3所述高压开关电源，其特征在于，所述逆变器包括若干顺序串联的控制开关。

5.根据权利要求4所述高压开关电源，其特征在于，所述谐振DC-DC变换器设置半桥式结构。

6.根据权利要求5所述高压开关电源，其特征在于，所述半桥式结构包括两个功率开关管，用于在一个开关周期内交替导通。

7.根据权利要求6所述高压开关电源，其特征在于，所述谐振式PWM控制器连接并控制各所述功率开关管的开通和关断。

8.根据权利要求7所述高压开关电源，其特征在于，所述谐振电路在所述隔离变压器的原边设置LC并联谐振电路。

9.根据权利要求1至8任一所述高压开关电源，其特征在于，通过所述谐振式PWM控制器设置所述高压开关电源的工作频率为150KHz。

10.根据权利要求9所述高压开关电源，其特征在于，N为6或8。