CN103872922A - 集成磁路多电平开关电源装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集成磁路多电平开关电源装置，本发明使用多个绕组集成磁路的方式，采用多个开关元件串联多个集成磁路的绕组，使磁心元件中的磁通能自动分配，绕组中的电流能自动均流，开关元件上的电压应力也能自动均压，这样便能用较低耐压的开关元件承担较高输入电压在开关元件上形成的电压应力，特别是由此种方式带来了用低耐压的MOS开关元件组合成频率高，大功率甚至超大功率的开关电源装置，提高开关电源装置的功率密度。从而满足小体积，高频率，高输入电压的要求，满足市场的需要。

Description

集成磁路多电平开关电源装置

技术领域

本发明涉及高压输入多电平开关电源技术领域，确切地说涉及一种具有平衡磁心元件的磁通的多电平开关电源技术。

背景技术

目前市场上传统的多电平开关电源，采用开关元件串联的方式，其存在诸多不足之处，具体见图1。传统的多电平开关电源装置，采用独立磁路的变压器与多个开关元件相串联的方式，其缺点为：

1、多个串联的开关元件靠开关并联二极管和电容的方式来分配输入电压。如果二极管参数和电容参数有误差，则各个串联开关元件上的电压会不平衡，并联电容小的开关元件会承受比较高的电压。

2、独立磁路变压器原边绕组中的电流与所有串联开关元件中的电流是一样的，所以承受电压高的电压，开关元件便产生比较高的损耗，工作寿命也就比较短。

发明内容

本发明的目的在于提供一种采用集成磁路变压器将多个开关元件与多个集成磁路变压器相串联后形成隔离的，能自动为各串联集成磁路变压器分配等同的输出功率，同时也能自动将输入电压等分给各开关元件的开关电源装置。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种集成磁路多电平开关电源装置，由多个开关元件和同一个集成磁路元件中的各个变压器或电感的绕组相串联而成，所述集成磁路元件是由单孔或多孔磁心及绕组所组成的集成了多个变压器或电感的磁路元件。

其进一步的技术方案为：所述集成磁路元件为单孔磁心时，采用分槽方式在所述单孔磁心上绕制变压器或电感的线圈；所述集成磁路元件为多孔磁心时，采用分磁柱方式在所述多孔磁心上绕制变压器或电感的线圈；所形成的各变压器或电感的参数一致。

其进一步的技术方案为：各开关元件和集成磁路中的各个变压器或电感所组成的单元开关电源电路分别与输入端的各个串联连接的滤波电容并联。

其进一步的技术方案为：所述集成磁路元件中的各个变压器或电感的输出绕组分别连接整流二极管的阳极，所述整流二极管的阴极相互连接作为输出，并连接同一采样电路和反馈调节电路。

其进一步的技术方案为：各开关元件和集成磁路中的各个变压器或电感所组成的单元开关电源电路分别连接各自的驱动电路，各个驱动电路连接同一个控制器，所述控制器连接同一采样电路和反馈调节电路。

本发明有益的技术效果是：

采用集成磁路多电平开关电源拓扑结构后，各开关元件所承受的电压由集成磁路变压器或电感自动均压，以降低各开关元件的电压应力，能够用较低耐压的开关元件组成较高输入电压的开关电源，或用较低耐压的开关元件组成高输出电压的开关电源。各个集成磁路变压器或电感绕组中的电流自动均流，以达到输入串联滤波电容电压平均分配的目的，进而达到各开关元件的电压应力相等，使集成磁路多电平开关电源装置能在高输入电压的环境稳定，正常工作。各串联的开关元件可得到完全等分的均衡电压，使各开关元件所承担的输出功率，电压应力及电流应力均能相等。因而，本发明的应用市场会非常大。

附图说明

图1是传统多电平开关电源的结构示意图。

图2是集成磁路多电平开关电源装置的结构示意图。

图3是集成磁路多电平开关电源装置的单孔变压器结构示意图。

图4是集成磁路多电平开关电源装置的多孔变压器结构示意图。

图5是集成磁路多电平开关电源装置的正激电源实施例结构示意图。

图6是集成磁路多电平开关电源装置的反激电源实施例结构示意图。

图7是集成磁路多电平开关电源装置的桥式电源实施例结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图2所示，本发明的隔离型的集成磁路多电平开关电源装置，包括集成磁路变压器T1，T2，…Tn和开关元件（MOS开关管）Q11，Q12，Q21，Q22，…Qn1，Qn2。集成磁路变压器可为单孔或多孔型磁心。对单孔磁心的集成磁路变压器而言（见图3）：其包括磁心1，绕组骨架2，各独立的变压器绕组3，4，5，…n。变压器绕组在磁心中柱即绕组骨架2上，采用分槽方法分别绕制变压器原边和副边线圈，组成一个集成变压器，各分槽变压器的绕组匝数都完全相同。对多孔磁心的集成磁路变压器而言（见图4）：其包括磁心1，绕组骨架2和变压器绕组3，4，5，…n。变压器绕组分别绕在磁心独立的磁柱即绕组骨架2上，一个磁柱分别绕制两个线圈作为变压器的原边和副边，组成一个变压器，各独立磁柱上的变压器绕组匝数都完全相同。如图2所示，再根据具体开关电源的拓扑，将开关元件Q11，Q12，Q21，Q22，…Qn1，Qn2与各集成磁路变压器T1，T2，…Tn串联连接。各集成磁路变压器的副边绕组采用并联连接结构，各串联的开关元件和单个集成磁路变压器组成的单元开关电源电路分别与输入端的各个串联连接的滤波电容C1，C2，…Cn进行并联连接，这样就组成了集成磁路多电平开关电源装置。各开关元件带有各自独立的驱动电路，各驱动电路的驱动控制信号采用同一个控制器，同时输出采样和反馈调节电路均采用同一采样电路和反馈调节电路。

由于采用了上述的结构，本发明的工作原理为：输入的高压电源经串联连接的滤波电容后，连接至集成磁路开关电源装置。输入的高压首先由串联连接的滤波电容C1，C2，…Cn分压，在电容上形成不完全等分的电压，但每个电容两端的电压均小于输入电源的电压，即：Vc1≈Vc2≈…≈Vcn<<V1。

此不完全等分的电压加载到集成磁路多电平开关电源装置的电路中，在开关电源的串联开关元件Q11，Q12仅承受Vc1的电压，Q21，Q22仅承受Vc2的电压…，Qn1，Qn2仅承受Vcn的电压。这样Q11，Q12，Q21，Q22，…Qn1，Qn2就可以用较低耐压的开关元件。

各集成磁路变压器T1，T2，…Tn的副边输出绕组分别连接整流二极管D13，D23，…Dn3的阳极，而二极管D13，D23，…Dn3的阴极连接在一起作为输出，连接后续电路。

当控制器发送驱动信号给驱动电路，驱动电路驱动开关元件。开关元件Q11，Q12，Q21，Q22，…Qn1，Qn2同时导通，在集成磁路变压器T1，T2，…Tn中形成电流。由于集成磁路变压器T1，T2，…Tn是用同一磁心材料，在同一磁路上绕制的相同匝数的线圈，所以集成磁路变压器T1，T2，…Tn的励磁电感的电感量是相同的。如果在理想状态下：

则各集成磁路变压器中的原边绕组电流完全等同，各变压器上的电压及输出功率也完全相等。

当滤波电容C1，C2，…Cn上的电压出现不平衡时，则集成磁路变压器T1，T2，…Tn中的原边线圈电流也会出现不同。滤波电容两端电压高的那路变压器的原边电流就比较大，电压高的滤波电容的放电电流就大，因为放电电流大，滤波电容两端的电压下降就比较大，经过几个周期，电压高的滤波电容的电压就会逐渐下降到与其他滤波电容两端的电压一致，达到电压平衡状态。

只要采用集成磁路的方式，在同一磁路结构中的变压器的各参数就是相同的，因而集成磁路变压器中的磁通是要力求平衡相同的，此磁通的平衡就会自动调整输入滤波电容上的电压达到平衡，同时也让集成磁路中的各个分离的变压器T1，T2，…Tn的输出功率达到一样大小。

以下通过几个实施例对本发明作进一步说明。

一、正激电源实施例

如图5所示，本实施例的集成磁路多电平开关电源装置，包括集成磁路变压器T1，T2，…Tn，串联连接的滤波电容组C1，C2，…Cn，开关元件Q11，Q12，Q21，Q22，…Qn1，Qn2组成的开关电路，以及开关元件的驱动电路。当控制电路将驱动脉冲加到开关元件的驱动电路上时，开关元件Q11，Q12，Q21，Q22，…Qn1，Qn2同时导通，集成磁路变压器T1，T2，…Tn的原边绕组流过原边电流，由于集成磁路变压器的绕组在同一磁心上，其励磁电感的参数完全一致，同时各集成磁路变压器的原边与副边的匝比完全相同，所以当串联电容的电压不平衡时，集成磁路的各变压器中的原边电流就会产生不平衡。电压高的变压器中的原边电流就大，因而电容的放电电流增大，电容两端的电压下降就大，经过这样的调整后，电容两端电压逐渐达到平衡。

按图例5设计的电路中，开关元件的电压应力为：

式中Vi为输入电压，n为串联的集成磁路变压器的个数。

电路中，二极管D11，D12，D21，D22，…，Dn1，Dn2为变压器的励磁电感提供去磁回路。

二、反激电源实施例

如图6所示，本实施例的集成磁路多电平开关电源装置，包括集成磁路变压器T1，T2，…Tn，串联连接的滤波电容组C1，C2，…Cn，开关元件Q11，Q1，Q2，…Qn组成的开关电路，以及开关元件的驱动电路。当控制电路将驱动脉冲加到开关元件的驱动电路上时，开关元件Q1，Q2，…Qn同时导通，集成磁路变压器T1，T2，…Tn的励磁电感流过励磁电流，由于集成磁路变压器的绕组在同一磁心上，其励磁电感的参数完全一致，当串联电容上的电压不平衡时，集成磁路的各变压器中的励磁电流就会产生不平衡。电压高的变压器的励磁电流就大，因而电容的放电电流增大，电容两端的电压下降就大，经过这样的调整后，电容两端电压逐渐达到平衡。

按图例6设计的电路中，开关元件的电压应力为：

式中n为串联的开关元件的个数，N为各集成磁路变压器的匝比，Vi为输入电压，Vo为输出电压。

电路中D1，C11，R1和D2，C21，R2和Dn，Cn1，Rn分别构成各开关电源子电路的吸收电路，用于吸收引线电感，变压器漏感的能量。

三、桥式电源实施例

如图7所示，本实施例的集成磁路多电平开关电源装置，包括集成磁路桥式变压器T1，T2，…Tn，串联连接的滤波电容组C1，C2，…Cn，开关元件组成的开关电路，以及开关元件的驱动电路。在本实施例中，由四个开关器件桥接组成的单元，视为一个开关元件。当控制电路将正半周驱动脉冲加到开关元件的驱动电路上时，开关器件Q11，Q13，Q21，Q23，…Qn1，Qn3同时导通，而开关器件Q12，Q14，Q22，Q24，…Qn2，Qn4则同时关闭，变压器的原边流过正向电流。而当控制电路将负半周驱动脉冲加到开关元件的驱动电路上时，开关器件Q12，Q14，Q22，Q24，…Qn2，Qn4同时导通，而开关器件Q11，Q13，Q21，Q23，…Qn1，Qn3则同时关闭，变压器加上反向电压，变压器中流过反向电流。由于变压器的绕组在同一磁心上，其参数完全一致，当串联电容上的电压不平衡时，集成磁路的各变压器中的电流就会产生不平衡。电压高的变压器中的电流就大，因而电容的放电电流大，电容两端的电压下降就大，经过这样的调整后，电容两端电压逐渐达到平衡。

按图例7设计的电路中，开关器件的电压应力为：

式中Vi为输入电压，n为串联的集成磁路变压器的个数。

注：本发明以及实施例中的变压器可替换为电感，原理及实现的效果相同。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种集成磁路多电平开关电源装置，其特征在于：由多个开关元件和同一个集成磁路元件中的各个变压器或电感的绕组相串联而成，所述集成磁路元件是由单孔或多孔磁心及绕组所组成的集成了多个变压器或电感的磁路元件。

2.根据权利要求1所述的集成磁路多电平开关电源装置，其特征在于：所述集成磁路元件为单孔磁心时，采用分槽方式在所述单孔磁心上绕制变压器或电感的线圈；所述集成磁路元件为多孔磁心时，采用分磁柱方式在所述多孔磁心上绕制变压器或电感的线圈；所形成的各变压器或电感的参数一致。

3.根据权利要求1所述的集成磁路多电平开关电源装置，其特征在于：各开关元件和集成磁路中的各个变压器或电感所组成的单元开关电源电路分别与输入端的各个串联连接的滤波电容并联。

4.根据权利要求1所述的集成磁路多电平开关电源装置，其特征在于：所述集成磁路元件中的各个变压器或电感的输出绕组分别连接整流二极管的阳极，所述整流二极管的阴极相互连接作为输出，并连接同一采样电路和反馈调节电路。

5.根据权利要求1所述的集成磁路多电平开关电源装置，其特征在于：各开关元件和集成磁路中的各个变压器或电感所组成的单元开关电源电路分别连接各自的驱动电路，各个驱动电路连接同一个控制器，所述控制器连接同一采样电路和反馈调节电路。

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