CN104451798B - 一种整流换向模块和具有输出换向功能的高频整流电源 - Google Patents

Abstract

一种整流换向模块和具有输出换向功能的高频整流电源，所述高频整流电源包括整流换向模块，所述整流换向模块包括两个串联单元，每个串联单元又包括两个并联系列，每个并联系列由一个以上的MOSFET即场效应管并联组成，每个所述串联单元由两个所述并联系列共源极或共漏极串联而成，串联的两个并联系列的源极及栅极构成该串联单元的控制信号输入端，共源极串联的两个并联系列的两个漏极或共漏极串联的两个并联系列的两个源极分别构成该串联单元的输入端和输出端。本发明高频整流电源的成本低、损耗低、结构简单，且具有正负换向输出功能。

Description

一种整流换向模块和具有输出换向功能的高频整流电源

技术领域

本发明涉及一种整流换向模块和设置有所述整流换向模块的具有正负换向输出功能的高频整流电源，该高频整流电源可作为电镀电源应用在电镀行业。

背景技术

电镀是利用电解原理在某些金属表面上镀上一薄层其他金属或者合金的过程，它利用表面附着的金属膜起到防腐、耐磨、导电、增进美观等作用。可以说，电镀技术与我们生活息息相关，我们所能见到的绝大多数金属包括手机、窗框、椅子等都可能经电镀处理过。因而伴随着国民经济的快速发展，我国的电镀工业自改革开放以来发展得非常迅速，总体技术水平和产品质量有了很大的提高。

电镀电源作为电镀过程进行的核心部件，其指标主要体现在输出功率大小、耗电多少、自动化先进程度、与电镀工艺的波形匹配等方面，待解决的主要问题在于如何实现输出电流的换向。输出电流换向如何实现才能让设备更可靠，损耗更低，实现更简单是本发明研究的重点。

传统的高频整流电源主要由主电路和控制电路组成，其中主电路又主要由以下几个模块组成：整流滤波模块：将交流电网输入整流为直流电，以供下一级变换；逆变模块：将整流后的直流电变为高频交流电；输出整流模块：将高频交流电整流成负载需要的直流电源。在需要实现输出电流换向的时候，上述高频整流电源的输出端还需另接电流换向模块。

本发明创造性的将高频整流电源变压器二次侧的肖特基整流部分换成了串联的MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor的简称）整流，直接通过控制MOSFET开通来实现换向。

发明内容

本发明的第一发明目的在于提供一种能同时实现整流与正负换向输出功能的整流换向模块。

本发明的第二发明目的在于提供一种成本低、损耗低、结构简单，具有正负换向输出功能的高频整流电源。

本发明的第一发明目的通过如下技术方案实现：一种整流换向模块，其特征在于，所述整流换向模块包括两个串联单元，每个串联单元又包括两个并联系列，每个并联系列由一个以上的MOSFET即场效应管并联组成，每个所述串联单元由两个所述并联系列共源极或共漏极串联而成，串联的两个并联系列相连的源极或漏极及各自的栅极构成该串联单元的控制信号输入端，共源极串联的两个并联系列的两个漏极或共漏极串联的两个并联系列的两个源极分别构成该串联单元的输入端和输出端。

所述场效应管为N沟增强型。

本发明的第二发明目的通过如下技术方案实现：一种具有输出换向功能的高频整流电源，包括主电路和控制电路，所述主电路包括依次相连的整流滤波模块、逆变模块和输出整流模块，所述控制电路与所述逆变模块相连；

其特征在于，所述输出整流模块由变压器和整流换向功能单元组成，所述整流换向功能单元包括所述整流换向模块和MOSFET驱动及控制电路，所述MOSFET驱动及控制电路与所述整流换向模块的控制信号输入端相连，所述变压器的一次测与所述逆变模块相连，所述变压器具有中心抽头，所述变压器二次侧的两输出端分别与两所述串联单元的输入端相连，两所述串联单元的输出端相连作为所述高频整流电源的一个直流输出端，所述变压器的中心轴头作为所述高频整流电源的另一个直流输出端；

所述MOSFET驱动及控制电路控制两个所述串联单元同一侧即输入侧或输出侧的两个并联系列开通，对两个所述串联单元另一侧的两个并联系列进行同步整流驱动实现整流，所述MOSFET驱动及控制电路切换所述串联单元中两个所述并联系列的状态，实现输出电流的换向。

作为本发明的高频整流电源的优选实施方式，所述整流换向功能单元的各电路元件都排布在PCB板，以便利用PCB板良好的散热特性来辅助散热。所述PCB板的基材可以是玻纤布或铝或陶瓷等其它多种形式。

所述高频整流电源还包括风冷铝排或水冷散热器，所述PCB板安装在所述风冷铝排或水冷散热器上。

所述MOSFET驱动及控制电路位于所述PCB板上的场效应管的安装区域的一侧，以便降低干扰，且方便与总控制器连接。

所述场效应管为贴片型封装的场效应管，所述串联单元的场效应管分两排贴焊在所述PCB板上的铜箔或铝箔上，每个所述铜箔或铝箔上焊接一个所述场效应管，两排所述场效应管一一相对，每排所述场效应管构成一个所述并联系列，所述PCB板上还安装有输入铜排和输出铜排，所述输入铜排和输出铜排呈长方形，在所述输入铜排、输出铜排的一长边上设有多个方形齿，所述输入铜排上的方形齿与所述串联单元的输入端所在的铜箔或铝箔一一焊接，所述输出铜排上的方形齿与所述串联单元的输出端所在的铜箔或铝箔一一焊接，所述输入、输出铜排上还都设置有便于与外电路连接的开孔。

所述输入铜排与输出铜排结构相异，以便区分。

同排的所述铜箔或铝箔间彼此独立，在PCB板上互不连接，这样的好处在于提高MOSFET的均流效果。

同一串联单元的两排场效应管的串联端相向，且通过PCB板上连接两铜箔或铝箔的连接铜箔或铝箔串联。

所述串联单元两排场效应管的上、下侧分别横向设置有一条铜箔或铝箔引线，铜箔或铝箔引线靠近所述MOSFET驱动及控制电路的一端与所述MOSFET驱动及控制电路相连，上侧的所述铜箔或铝箔引线的下方设有多个分别与其相连的触点，下侧的所述铜箔或铝箔引线的上方也设有多个分别与其相连的触点，每个触点附近分别设置有一接点，各场效应管的栅极分别通过PCB板上分布在各场效应管侧边的驱动信号引线与相应的所述接点相连，场效应管的串联端分别通过PCB板上分布在上排的各场效应管侧边的引线引出至设置在上排各场效应管上方的节点处，或分别通过PCB板上分布在下排的各场效应管侧边的引线引出至设置在下排各场效应管下方的节点处。

所述整流换向功能单元的每个串联单元和该串联单元的MOSFET驱动及控制电路排布在一块PCB板上。

所述输入铜排和输出铜排厚度在0.1mm~10mm之间。

相对于现有技术本发明具有如下有益效果：

1）本发明利用串联的MOSFET直接控制高频变压器二次侧的整流和直流电流电压的输出方向，能极大的简化传统换向电路的电气难度，目前市场上有三种换向方式：采用正向模块和反向模块式、在单向输出模块后利用刀闸或接触器控制负载电流方向、在单向输出模块后利用MOSFET控制负载电流方向，这些换向方式无论在可靠性、元器件的成本、实现难度、技术先进性上都不如本发明；

2）本发明将所有元器件通过焊接机焊接在PCB板上，易于实现批量化生产，同时，PCB板的超强的散热能力也能加速MOSFET的散热；

3）输入、输出铜排通过方形齿与PCB板上的铜箔或铝箔焊接，从而实现与MOSFET的连接，使MOSFET的输出、输入端分别通过输出铜排、输入铜排并联，铜排上方形齿的设计，一方面方便了铜排的焊接，另一方面，也能最大程度的保证并联的MOSFET的均流效果。

4）换向部分以PCB板为单位制造，在容量上易于扩展。同时也易于维护，易于故障分析。

附图说明

图1是本发明具体实施例的电路原理图；

图2~5是图1中具体实施例在各种情况下的电流流向图；

图6是本发明整流换向模块的一个串联单元的结构排布图；

图7是图6中并联单元的电路原理图；

图8是本发明的输入、输出铜排的结构示意图。

具体实施方式

本发明具有输出换向功能的高频整流电源的主要发明点在于将传统高频整流电源高频变压器二次侧用于整流的肖特基替换成了本发明的整流换向功能单元。

图1为本发明具有输出换向功能的高频整流电源的一个实施例，该高频整流电源主要由主电路和控制电路（未画出）组成。主电路主要由以下几个模块组成：整流滤波模块，逆变模块，输出整流模块。控制电路与逆变模块相连，控制逆变模块的频率或脉宽，使输出稳定。

整流滤波模块：将交流电网输入整流为直流电，即图1中的三相整流桥和并联在其两输出端的滤波电容。

逆变模块：将整流后的直流电变为高频交流电，即图1中的两两串联后并联在整流滤波模块的两输出端的四个IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor的简称），每个IGBT的发射极和集电极间还串联有一电容，该电容的作用是实现IGBT的软开关。

输出整流模块：将高频交流电整流成负载需要的直流电源，包括图1中的变压器和整流换向功能单元。变压器一次侧的两输入端分别与逆变模块中IGBT串联的集电极和发射极相连，变压器一次测的一输入端上还串联有一耦合电容。整流换向功能单元包括整流换向模块和MOSFET驱动及控制电路。

整流换向模块包括两个串联单元，每个串联单元又包括两个并联系列Q1和Q2，或Q3和Q4，每个并联系列Q1或Q2或Q3或Q4由一个以上的场效应管并联组成，本实施例中，每个并联系列由10个场效应管并联而成，每个串联单元由两个并联系列Q1和Q2，或Q3和Q4共源极串联而成，两个并联系列的源极及栅极构成该串联单元的控制信号输入端，两个并联系列的两个漏极分别构成该串联单元的输入端和输出端。变压器二次侧的两个输出端分别与两个串联单元的输入端相连，两个串联单元的输出端相连作为高频整流电源的一个直流输出端，变压器的中心轴头作为高频整流电源的另一个直流输出端。

MOSFET驱动及控制电路与整流换向模块的控制信号输入端相连。如图1所示，当4个并联系列Q1、Q2、Q3、Q4都处于关闭状态时，设备不输出电流。

仅当Q1和Q3两个并联系列保持开通时，由于Q2和Q4两个并联系列内部反并二极管（为场效应管MOSFET内部本身带有的二极管）的存在，高频整流电源输出正向电压电流，此时，对Q2和Q4两个并联系列进行同步整流驱动实现整流，如图2、3所示。图2中所示为变压器输出电压上半周时，整流换向模块中电流的走向和输出电压的极性，图3为变压器输出电压下半周时，整流换向模块中电流的走向和输出电压的极性。

仅当Q2和Q4两个并联系列保持开通时，由于Q1和Q3两个并联系列内部反并二极管的存在，高频整流电源输出反向电压电流，如图4、5所示，此时，对Q1和Q3两个并联系列进行同步整流驱动实现整流。图4中所示为变压器输出电压上半周时，整流换向模块中电流的走向和输出电压的极性，图5为变压器输出电压下半周时，整流换向模块中电流的走向和输出电压的极性。

本发明的高频整流电源具有正负换向输出功能，而且用一个整流换向模块完成了整流和输出电流换向两个流程，结构简单，成本低，损耗低。

本发明的高频整流电源的结构布置如图6、7所示：

将贴片型封装的MOSFET分两排通过焊接机贴焊在PCB板中间位置的两排铜箔上，每个铜箔上焊接一个MOSFET，每排MOSFET构成一个并联系列，本实施例中每个并联系列中包含10个MOSFET。两排MOSFET一一相对，且MOSFET源极和栅极的一侧相向，如图7所示。PCB板上同排的铜箔间彼此独立，在PCB板上互不连接，这样的好处在于提高MOSFET的均流效果。相对的两个MOSFET的源极通过PCB板上连接相对的两铜箔的连接铜箔相连。两个并联系列共源极串联，能减少模块隔离电源的数量，同时，同一基板上使用同一电源，能有效避免不共地引起的噪声和干扰。

PCB板上还安装有输入、输出铜排，如图8所示，输入、输出铜排整体呈长方形，厚度在0.1mm~10mm之间，在铜排的一长边上设有10个方形齿，输入、输出铜排通过其上的方形齿与PCB板上相应的并联系列MOSFET漏极一侧的铜箔通过锡焊方式连接，并联的MOSFET的电流最终在铜排上汇集。输入、输出铜排异形，输入、输出铜排上还设置有便于与外电路连接的开孔。

输入、输出铜排与PCB板通过锡焊方式连接，一方面提供了电流通路，而且通过焊锡方式连接，连接可靠，损耗较小，且仅靠锡焊机就可完成，另一方面，由于流经MOSFET的电流为高频方波电流，集肤效应明显，铜排发热明显，通过锡焊方式连接，铜排的热量可以通过PCB板传递开，如传递至散热器等进行快速散热，有利于降低系统的温度，提高电源的可靠性。

在PCB板上铜箔的上、下侧，分别横向设置有一条铜箔引线，铜箔引线的左端与位于PCB板左侧的MOSFET驱动及控制电路相连。MOSFET驱动及控制电路布置在MOSFET安装区域的一侧，能在一定程度上降低干扰，而且也方便与总控制器连接。上侧的铜箔引线下方的PCB板上设有多个分别与其相连的触点，下侧的铜箔引线上方的PCB板上也设有多个分别与其相连的触点。每个触点附近分别设置有一接点，MOSFET的栅极分别通过PCB板上分布在各MOSFET侧边的驱动信号引线与相应的接点相连，以便在每组接点和触点点可以方便的接入驱动电阻。MOSFET的源极由PCB板上分布在上排各MOSFET侧边的引线引出至位于上排各MOSFET上方的节点处。

本发明换向整流模块的所有元器件均规则地排布在PCB板上，可充分利用PCB板良好的散热能力，也可方便的固定在高频整流电源的水冷铝排或风冷散热器上。

本发明的具体实施方式不限于上述实施例，如本发明的两个并联系列也可以采用共漏极串联的方式，此时两个并联系列的两个源极则分别构成该串联单元的输入端和输出端，而且安装在PCB板上一一相对的MOSFET推荐采用漏极相向的安装方式，共漏极串联的方式的串联单元的其它线路的布置可参见上述实施例。另外，本发明的换向整流模块也可用于倍流整流电路。总之，本发明的具体实施方式不限于上述实施例，根据本发明的上述内容和本领域的普通技术知识及惯用手段，在不脱离本发明基本技术思想的前提下，对本发明上述结构做出的其它多种形式的修改、替换或变更，均应落在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种具有输出换向功能的高频整流电源，所述高频整流电源包括主电路和控制电路，所述主电路包括依次相连的整流滤波模块、逆变模块和输出整流模块，所述控制电路与所述逆变模块相连；其特征在于，所述输出整流模块由变压器和整流换向功能单元组成；所述整流换向功能单元包括所述整流换向模块和MOSFET驱动及控制电路；所述整流换向模块包括两个串联单元，每个串联单元又包括两个并联系列，每个并联系列由一个以上的MOSFET即场效应管并联组成，每个所述串联单元由两个所述并联系列共源极或共漏极串联而成，串联的两个并联系列的源极及栅极构成该串联单元的控制信号输入端，且两个并联系列的栅极各自独立，共源极串联的两个并联系列的两个漏极或共漏极串联的两个并联系列的两个源极分别构成该串联单元的输入端和输出端；所述MOSFET驱动及控制电路与所述整流换向模块的控制信号输入端相连，所述变压器的一次侧 与所述逆变模块相连，所述变压器具有中心抽头，所述变压器二次侧的两输出端分别与两所述串联单元的输入端相连，两所述串联单元的输出端相连作为所述高频整流电源的一个直流输出端，所述变压器的中心轴头作为所述高频整流电源的另一个直流输出端；

所述MOSFET驱动及控制电路控制两个所述串联单元同一侧即输入侧或输出侧的两个并联系列开通，对两个所述串联单元另一侧的两个并联系列进行同步整流驱动实现整流，所述MOSFET驱动及控制电路切换所述串联单元中两个所述并联系列的状态，实现输出电流的换向；

所述整流换向功能单元的各电路元件都排布在PCB板；

所述场效应管为贴片型封装的场效应管，所述串联单元的场效应管分两排贴焊在所述PCB板上的铜箔或铝箔上，每个所述铜箔或铝箔上焊接一个所述场效应管，两排所述场效应管一一相对，每排所述场效应管构成一个所述并联系列，所述PCB板上还安装有输入铜排和输出铜排，所述输入铜排和输出铜排呈长方形，在所述输入铜排、输出铜排的一长边上设有多个方形齿，所述输入铜排上的方形齿与所述串联单元的输入端所在的铜箔或铝箔一一焊接，所述输出铜排上的方形齿与所述串联单元的输出端所在的铜箔或铝箔一一焊接，所述输入、输出铜排上还都设置有便于与外电路连接的开孔。

2.根据权利要求1所述的具有输出换向功能的高频整流电源，其特征在于，所述高频整流电源还包括风冷铝排或水冷散热器，所述PCB板安装在所述风冷铝排或水冷散热器上。

3.根据权利要求2所述的具有输出换向功能的高频整流电源，其特征在于，所述MOSFET驱动及控制电路位于所述PCB板上的场效应管的安装区域的一侧。

4.根据权利要求3所述的具有输出换向功能的高频整流电源，其特征在于，同排的所述铜箔或铝箔间彼此独立。

5.根据权利要求4所述的具有输出换向功能的高频整流电源，其特征在于，同一串联单元的两排场效应管的串联端相向，且通过PCB板上连接两铜箔或铝箔的连接铜箔或铝箔串联。

6.根据权利要求5所述的具有输出换向功能的高频整流电源，其特征在于，所述串联单元两排场效应管的上、下侧分别横向设置有一条铜箔或铝箔引线，铜箔或铝箔引线靠近所述MOSFET驱动及控制电路的一端与所述MOSFET驱动及控制电路相连，上侧的所述铜箔或铝箔引线的下方设有多个分别与其相连的触点，下侧的所述铜箔或铝箔引线的上方也设有多个分别与其相连的触点，每个触点附近分别设置有一接点，各场效应管的栅极分别通过PCB板上分布在各场效应管侧边的驱动信号引线与相应的所述接点相连，场效应管的串联端分别通过PCB板上分布在上排的各场效应管侧边的引线引出至设置在上排各场效应管上方的节点处，或分别通过PCB板上分布在下排的各场效应管侧边的引线引出至设置在下排各场效应管下方的节点处。