CN104158407A - 一种正反混激式开关电源 - Google Patents

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曾茂良
陈俊辉
谢俊和
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Abstract

本发明涉及一种正反混激式开关电源，该开关电源可以基于实时检测的输入AC的电压、电流、频率、相位以及负载的情况，调整电源的工作模式，保持开关电源的功率因素处于较高水平，并尽量降低能耗；该开关电源为正反混激式转换器组合式电源，可以在提升电源输出电压范围的同时，降低开关损耗。

Description

一种正反混激式开关电源
所属技术领域
本发明涉一种正反混激式开关电源。
背景技术
随着经济的发展，环境污染问题和能源紧缺问题日益严重。可再生能源的开发利用是解决这个问题的有效方法之一。可再生能源发电主要有风力、光伏、水利、燃料电池等，但是，受气候条件的影响，可再生能源具有输出电压范围宽的特点。因此，为了能有效的利用新能源，需要一种能在宽输入电压范围内高效工作的DC/DC变换器。根据工作模式的不同，DC-DC变换器可分为降压式、升压式、降压/升压式、反激式、正激式、半桥式、全桥式、推挽式等拓扑结构。
推挽正激变换器因其兼具正激电路和推挽电路的优点而成为了低压大电流的优选方案，在推挽正激电路的整流方式中，全波整流是整流电路中效率最高的一种整流方式，然而全波整流推挽正激电路是在硬开关的状态下工作，这样的工作模式不仅产生大量的热和电磁干扰噪声，浪费了大量的能源，而且严重降低了变换器的效率和功率密度；同时由于变压器副边漏感的存在和整流二极管反向恢复的特性造成了非常高的关断尖峰，在实际电路的设计中往往需要增加尖峰吸收支路，这样不仅影响了变流的稳定性和可靠性，而且必须选用耐压较高的整流二极管，增加了变换器的成本。
低输出电压的转换器，整流二极管正向压降的传导损耗成为主导损失，这种损失在某些情况下可以达到50％的总功率损耗。反激式开关电源在电源技术领域是指在开关电源开关管导通时，原边将能量存储在变压器的励磁电感里面，而在开关管关断时，励磁电感释放能量给负载和输出电容供电，下一个开关管导通时输出电容维持负载输出。
在小功率应用场合,反激变换器在业界被广泛使用，由于反激变换器具有输入电压范围宽,使用元件少，成本低，输出与输入隔离等特性，常用于需要多路输出的应用中。反激变换器以隔离变压器原副边为分界，可分为原边电路和副边电路两部分。原边电路主要包括变压器原边电感、功率开关管和原边漏感能量处理电路。副边电路主要包括副边电感、整流电路和滤波电路。其中，反激变换器的原边电路中的原边漏感对电路影响较大，而副边电路在多路输出应用时，存在输出绕组间交叉调整的问题。
随着对开关电源性能要求的提高，需要开发出新的电路拓扑结构，以实现高效率的DC-DC变换器。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种正反混激式开关电源，该开关电源，集成了正激式变换器和反激式变换器的优点，功率因素和电能转换效率高。
为了实现上述目的，本发明提供一种正反混激式开关电源，该开关电源包括：
整流模块，用于将外部的AC转换为DC；
第一电子开关，通过高速的导通和关断，将整流模块输出的DC转换成高频AC；
变压器，包括原边绕组和副边绕组，其中副边绕组具有第一副边绕组和第二副边绕组；
正激式AC/DC转换模块，和第一副边绕组相连，用于将原边绕组传递过来的高频AC转换为DC输出；
反激式AC/DC转换模块，和第二副边绕组相连，用于将原边绕组传递过来的高频AC转换为DC输出；
检测模块，用于检测外部AC输入的电压、电流、频率及相位，以及负载的变化情况；
控制模块，用于控制整流模块、第一电子开关、正激式AC/DC转换模块和反激式DC/AC转换模块的运行，控制模块根据外部AC输入的情况和负载的变化情况，确定最佳控制策略，使得开关电源保持高转换效率。
优选的，该控制模块包括开关控制单元，该开关控制单元，包括：
整流模块驱动信号生成电路，用于根据检测模块检测到的外部AC采样电压信号生成整流驱动电流信号，所述驱动电流信号的波形跟随所述采样电压信号的波形，用于控制整流模块的整流电子开关的关断，并保持高整流功率因素；
第一电子开关驱动信号生成电路，连接至所述第一电子开关的门极，用于控制所述第一电子开关的开断频率及占空比；
正激式AC/DC转换模块驱动信号生成电路，用于控制正激式AC/DC转换模块的电子管的开断；
反激式AC/DC转换模块驱动信号生成电路，用于控制正激式AC/DC转换模块的电子管的开断。
优选的，所述控制模块包括控制策略分析单元，该控制策略分析单元对检测模块采集的外部输入AC的电压、电流、频率及相位，以及负载信息，进行分析，来确定控制策略。
优选的，所述控制模块还包括控制逻辑形成单元，所述控制逻辑形成单元将上述控制策略进行编程，形成控制信号，分别发给上述整流模块驱动信号生成电路、第一电子开关驱动信号生成电路、正激式AC/DC转换模块驱动信号生成电路和反激式AC/DC转换模块驱动信号生成电路。
优选的，所述正激式AC/DC转换模块采用推挽正激变换器。
优选的，所述反激式AC/DC转换模块采用如下方式设计：
步骤1：根据设计要求，设定如下参数和性能指标：
输入电压Vin，输出电压Vo，纹波电压Vpp，输出电流Io，输出功率Po，输出最小电阻RLmin，输出最大电阻RLmax，效率η；
步骤2：设置开关频率：最低开关频率fmin和最高开关频率fmax；
步骤3：计算所述反激式AC/DC转换模块的最大电流ILSP,max以及输出电容最小值Cmin；
步骤4：计算反激式AC/DC转换模块电子开关关断时火花放电最大释放能量W1max，反激式AC/DC转换模块电子开关导通时短路火花放电最大释放能量能量W2max；
步骤5：对所设计的反激式AC/DC转换模块的输出本质安全性能进行评判判断，若反激式AC/DC转换模块的输出是满足本质安全的，则设计结束，否则返回到步骤2重新执行。
优选的，所述步骤1中设计要求为：Vin＝36V±15％，输出电压：Vo＝12V±50％，纹波电压：Vpp＝15mV，输出电流：Io＝2V±50％A，输出功率：Po＝24±50％W，输出最小电阻：RLmin＝12Ω，输出最大电阻：RLmax＝50Ω，效率：η＝0.85。
本发明提供的正反混激式开关电源具有以下优点：(1)可以基于实时检测的输入AC的电压、电流、频率、相位以及负载的情况，调整电源的工作模式，保持开关电源的功率因素处于较高水平，并尽量降低能耗；(2)正反混激式转换器的组合，可以在提升电源输出电压范围的同时，降低开关损耗。
附图说明
图1示出了本发明的一种正反混激式开关电源的框图；
图2示出了图1中系统中的控制模块的具体组成。
具体实施方式
图1是示出了根据本发明的框图。本发明提供一种正反混激式开关电源，该开关电源包括：整流模块2、第一电子开关3、控制模块4、检测模块5、变压器6、正激式AC/DC转换模块7、反激式AC/DC转换模块8。
整流模块2，用于将外部的AC输入的交流电转换为直流。该外部AC可以来自配电网，也可以来自风力发电机、潮汐能发电机等环保发电装置。
第一电子开关3，通过高速的导通和关断，将整流模块输出的DC转换成高频AC。该第一电子开关3可以采用IGBT、MOSFET等晶体管。开关频率在20-45KHz之间。
变压器3，包括原边绕组和副边绕组，其中副边绕组具有第一副边绕组和第二副边绕组。
正激式AC/DC转换模块7，和第一副边绕组相连，用于将原边绕组传递过来的高频AC转换为DC输出。
反激式AC/DC转换模块8，和第二副边绕组相连，用于将原边绕组传递过来的高频AC转换为DC输出。
检测模块5，用于检测外部AC1输入的电压、电流、频率及相位，以及负载9的变化情况，并将相应信息发送给控制模块4。
控制模块4，用于控制整流模块2、第一电子开关3、正激式AC/DC转换模块和反激式DC/AC转换模块7的运行，控制模块根据外部AC1输入的情况和负载9的变化情况，确定最佳控制策略，使得开关电源保持高转换效率。
参见图2，该控制模,4包括开关控制单元43，该开关控制单元43，包括：
整流模块驱动信号生成电路，用于根据检测模块检测到的外部AC采样电压信号生成整流驱动电流信号，所述驱动电流信号的波形跟随所述采样电压信号的波形，用于控制整流模块的整流电子开关的关断，并保持高整流功率因素；第一电子开关驱动信号生成电路，连接至所述第一电子开关的门极，用于控制所述第一电子开关的开断频率及占空比；正激式AC/DC转换模块驱动信号生成电路，用于控制正激式AC/DC转换模块的电子管的开断；反激式AC/DC转换模块驱动信号生成电路，用于控制正激式AC/DC转换模块的电子管的开断。
所述控制模块4包括控制策略分析单元41，该控制策略分析单元41对检测模块5采集的外部输入AC1的电压、电流、频率及相位，以及负载9信息，进行分析，来确定控制策略。
所述控制模块4还包括控制逻辑形成单元42，所述控制逻辑形成单元42将上述控制策略进行编程，形成控制信号，分别发给上述整流模块驱动信号生成电路、第一电子开关驱动信号生成电路、正激式AC/DC转换模块驱动信号生成电路和反激式AC/DC转换模块驱动信号生成电路。
所述反激式AC/DC转换模块7采用如下方式设计：
步骤1：根据设计要求，设定如下参数和性能指标：
输入电压Vin，输出电压Vo，纹波电压Vpp，输出电流Io，输出功率Po，输出最小电阻RLmin，输出最大电阻RLmax，效率η；
步骤2：设置开关频率：最低开关频率fmin和最高开关频率fmax；
步骤3：计算所述反激式AC/DC转换模块的最大电流ILSP,max以及输出电容最小值Cmin；
步骤4：计算反激式AC/DC转换模块电子开关关断时火花放电最大释放能量W1max，反激式AC/DC转换模块电子开关导通时短路火花放电最大释放能量能量W2max；
步骤5：对所设计的反激式AC/DC转换模块的输出本质安全性能进行评判判断，若反激式AC/DC转换模块的输出是满足本质安全的，则设计结束，否则返回到步骤2重新执行。
优选的，所述步骤1中设计要求为：Vin＝36V±15％，输出电压：Vo＝12V±50％，纹波电压：Vpp＝15mV，输出电流：Io＝2V±50％A，输出功率：Po＝24±50％W，输出最小电阻：RLmin＝12Ω，输出最大电阻：RLmax＝50Ω，效率：η＝0.85。
上述开关电源装置采用如下方法进行控制，步骤包括：(1)通过整流模块将外部输入的AC转换成DC；(2)检测负载两端的电压，由控制模块确定控制策略；(3)确定控制策略后，由控制模块的开关控制单元控制相应模块的开关动作向负载供电；以及(4)根据负载的变化情况，随时调整控制策略。
在步骤(1)中，整流模块的电子开关的开断，由控制模块根据检测模块检测到外部输入AC的实时信息进行控制，以保证整流功率因素处于较高区间。优选的，所述整流功率因素处于0.95-1之间。优选的，通过控制模块发出的整流驱动电流信号实时跟随外部输入AC的波形来实现整流功率因素的提升。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种正反混激式开关电源，其特征在于，该开关电源包括：
整流模块，用于将外部的AC转换为DC；
第一电子开关，通过高速的导通和关断，将整流模块输出的DC转换成高频AC；
变压器，包括原边绕组和副边绕组，其中副边绕组具有第一副边绕组和第二副边绕组；
正激式AC/DC转换模块，和第一副边绕组相连，用于将原边绕组传递过来的高频AC转换为DC输出；
反激式AC/DC转换模块，和第二副边绕组相连，用于将原边绕组传递过来的高频AC转换为DC输出；
检测模块，用于检测外部AC输入的电压、电流、频率及相位，以及负载的变化情况；
控制模块，用于控制整流模块、第一电子开关、正激式AC/DC转换模块和反激式DC/AC转换模块的运行，控制模块根据外部AC输入的情况和负载的变化情况，确定最佳控制策略，使得开关电源保持高转换效率。
2.如权利要求1所述的开关电源，其特征在于：该控制模块包括开关控制单元，该开关控制单元，包括：
整流模块驱动信号生成电路，用于根据检测模块检测到的外部AC采样电压信号生成整流驱动电流信号，所述驱动电流信号的波形跟随所述采样电压信号的波形，用于控制整流模块的整流电子开关的关断，并保持高整流功率因素；
第一电子开关驱动信号生成电路，连接至所述第一电子开关的门极，用于控制所述第一电子开关的开断频率及占空比；
正激式AC/DC转换模块驱动信号生成电路，用于控制正激式AC/DC转换模块的电子管的开断；
反激式AC/DC转换模块驱动信号生成电路，用于控制正激式AC/DC转换模块的电子管的开断。
3.如权利要求2所述的开关电源，其特征在于：所述控制模块包括控制策略分析单元，该控制策略分析单元对检测模块采集的外部输入AC的电压、电流、频率及相位，以及负载信息，进行分析，来确定控制策略。
4.如权利要求3所述的开关电源，其特征在于，所述控制模块还包括控制逻辑形成单元，所述控制逻辑形成单元将上述控制策略进行编程，形成控制信号，分别发给上述整流模块驱动信号生成电路、第一电子开关驱动信号生成电路、正激式AC/DC转换模块驱动信号生成电路和反激式AC/DC转换模块驱动信号生成电路。
5.如权利要求4所述的开关电源，其特征在于，所述正激式AC/DC转换模块采用推挽正激变换器。
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