CN105245107A - 一种电流型交流功率变换器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电流型交流功率变换器,包括电感L,电感L的一端分别连接电容C1的一端及电容C2的一端,电感L的另一端穿过所述电流互感器T1的磁环连接变压器T的原边正极,变压器T的原边负极分别连接开关器件S1的漏极及开关器件S2的源极,开关器件S1的漏极连接电容C1的另一端,电流互感器T1的信号输出端经变换后连接控制器的输入端,控制器的输出端经隔离方式分别连接开关器件S1的栅极及开关器件S2的栅极,开关器件S2的漏极、电容C2的另一端接地。原边串联电感,利用气隙减少变压器和电感的饱和,通过电流互感器得到电流反馈信号,转换为电压信号,实现启动时副边高压输出,保证负载所需工作电压,拓扑操作灵活简单。
Description
技术领域
本发明属于功率变换器技术改进领域,尤其涉及一种电流型交流功率变换器。
背景技术
传统设计半桥拓扑结构如下图1所示,通过控制两个开关管的占空比,实现对于输出电压的控制。如图1所示,Vin为输入电压,Vout为输出电压,S1,S2为开关管,T为变压器,C1,C2为半桥电容,Cb为隔直电容。
全桥结构,开关器件有效的较多,驱动不容易,从而电路的开关损耗较高,成本较高。而变压器原边电压为输入电压的一般,为了保证磁通的一致,通常会在变压器原边串联隔直电容,同时全桥电容容量较小,不能满足输出电压的稳定。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电流型交流功率变换器,旨在解决的问题。
本发明是这样实现的,一种电流型交流功率变换器,所述电流型交流功率变换器包括控制器、变压器T、电容C1、电容C2、开关器件S1、开关器件S2、电流互感器T1及电感L,所述电感L的一端分别连接所述电容C1的一端及电容C2的一端,所述电感L的另一端穿过所述电流互感器T1的磁环连接所述变压器T的原边正极,所述变压器T的原边负极分别连接所述开关器件S1的漏极及开关器件S2的源极,所述开关器件S1的漏极连接所述电容C1的另一端,所述电流互感器T1的信号输出端经变换后连接所述控制器的输入端,所述控制器的输出端经隔离方式分别连接所述开关器件S1的栅极及开关器件S2的栅极,所述开关器件S2的漏极、电容C2的另一端接地。
本发明的进一步技术方案是:所述电流互感器T1,用将变换器原边交流电流耦合后进行整流得到采样电流信号,控制开关器件S1和S2的占空比。
本发明的进一步技术方案是:所述开关器件S1与开关器件S2的相位相差180°。
本发明的进一步技术方案是:所述电流互感器T1包括整流二极管D1-D4、电阻R1、电阻R2及电容C3,所述整流二极管D1-D2串联后与所述整流二极管D3-D4串联后并联一端分别连接所述电阻R1的一端及电阻R2的一端,另一端接地,所述电阻R2的另一端连接电容C3的一端并输出电流反馈信号Ifb,所述电阻R1的另一端、电容C3的另一端均接地。
本发明的进一步技术方案是:所述控制器包括芯片U1、电流闭环控制模块、频率设定模块及时间调整模块,所述芯片U1的第1、3、2脚分别连接所述电流闭环控制模块的输出端和电流参考给定信号Iref,所述电流闭环控制模块的输入端连接所述电流互感器T1的信号输出端,所述频率设定模块的一端分别连接所述芯片U1的第5、6、7脚,所述频率设定模块的另一端接地,所述时间调整模块的一端连接所述芯片U1的第8脚,所述时间调整模块的另一端接地,所述芯片U1的第9、10、12脚均接地,所述芯片U1的第11脚经隔离方式连接所述开关器件S1的栅极,所述芯片U1的第14脚经隔离方式连接所述开关器件S2的栅极,所述芯片U1的第13、15脚分别连接电源15V。
本发明的进一步技术方案是:所述电流闭环控制模块包括电阻R3、电阻R5、电容C5及电容C6,所述电阻R3的一端分别连接所述电容C5的一端及电容C6的一端及芯片U1的第1脚,所述电容C5的另一端连接所述芯片U1的第3脚,所述电容C6的另一端经所述电阻R5连接所述芯片U1的第3脚。
本发明的进一步技术方案是:所述频率设定模块包括电阻R6及电容C7,所述芯片U1的第5脚经电阻R6接地,所述芯片U1的第6、7脚分别经电容C7接地。
本发明的进一步技术方案是:所述时间调整模块包括电容C8,所述芯片U1的第8脚经所述电容C8接地。
本发明的进一步技术方案是:所述芯片U1采用的型号为UC2825。
本发明的进一步技术方案是:所述开关器件S1及开关器件S2均采用的是MOS管或IGBT场效应管。
本发明的有益效果是:原边串联电感,并利用气隙减少变压器和电感的饱和,通过原边电流互感器得到电流的反馈信号,将其转换为电压信号,利用传统控制方式,实现输出电流的控制,并利用软启动过程和变压器匝比关系,实现启动过程是副边高压输出,以保证负载所需的工作电压,拓扑操作灵活简单,具有较强的实用性。
附图说明
图1是传统的移相全桥拓扑电路示意图。
图2是本发明实施例提供的电流型交流功率变换器的主拓扑结构示意图。
图3是本发明实施例提供的控制器的拓扑结构示意图。
图4是本发明实施例提供的电流型交流功率变换器电阻负载工作波形图。
具体实施方式
图2-3示出了本发明提供的电流型交流功率变换器,所述电流型交流功率变换器包括控制器、变压器T、电容C1、电容C2、开关器件S1、开关器件S2、电流互感器T1及电感L,所述电感L的一端分别连接所述电容C1的一端及电容C2的一端,所述电感L的另一端穿过所述电流互感器T1的磁环连接所述变压器T的原边正极,所述变压器T的原边负极分别连接所述开关器件S1的漏极及开关器件S2的源极,所述开关器件S1的漏极连接所述电容C1的另一端,所述电流互感器T1的信号输出端经变换后连接所述控制器的输入端,所述控制器的输出端经隔离方式分别连接所述开关器件S1的栅极及开关器件S2的栅极,所述开关器件S2的漏极、电容C2的另一端接地。原边串联电感,并利用气隙减少变压器和电感的饱和,通过原边电流互感器得到电流的反馈信号,将其转换为电压信号,利用传统控制方式,实现输出电流的控制,并利用软启动过程和变压器匝比关系,实现启动过程是副边高压输出,以保证负载所需的工作电压,拓扑操作灵活简单,具有较强的实用性。
所述电流互感器T1,用将变换器原边交流电流耦合后进行整流得到采样电流信号,控制开关器件S1和S2的占空比。
所述开关器件S1与开关器件S2的相位相差180°。
所述电流互感器T1包括整流二极管D1-D4、电阻R1、电阻R2及电容C3,所述整流二极管D1-D2串联后与所述整流二极管D3-D4串联后并联一端分别连接所述电阻R1的一端及电阻R2的一端,另一端接地,所述电阻R2的另一端连接电容C3的一端并输出电流反馈信号Ifb,所述电阻R1的另一端、电容C3的另一端均接地。
所述控制器包括芯片U1、电流闭环控制模块、频率设定模块及时间调整模块,所述芯片U1的第1、3脚分别连接所述电流闭环控制模块的输出端和电流参考给定信号Iref,所述电流闭环控制模块的输入端连接所述电流互感器T1的信号输出端,所述频率设定模块的一端分别连接所述芯片U1的第5、6、7脚,所述频率设定模块的另一端接地,所述时间调整模块的一端连接所述芯片U1的第8脚,所述时间调整模块的另一端接地,所述芯片U1的第9、10、12脚均接地,所述芯片U1的第11脚经隔离方式连接所述开关器件S1的栅极,所述芯片U1的第14脚经隔离方式连接所述开关器件S2的栅极,所述芯片U1的第13、15脚分别连接电源15V。
所述电流闭环控制模块包括电阻R3、电阻R5、电容C5及电容C6,所述电阻R3的一端分别连接所述电容C5的一端及电容C6的一端及芯片U1的第1脚,所述电容C5的另一端连接所述芯片U1的第3脚,所述电容C6的另一端经所述电阻R5连接所述芯片U1的第3脚。
所述频率设定模块包括电阻R6及电阻R7,所述芯片U1的第5脚经电阻R6接地,所述芯片U1的第6、7脚分别经电容C7接地。
所述时间调整模块包括电容C8,所述芯片U1的第8脚经所述电容C8接地。
所述芯片U1采用的型号为UC2825。
所述开关器件S1及开关器件S2均采用的是MOS管或IGBT场效应管。
该变换器采用半桥结构,如图2、3所示,T为输出功率变压器,匝比为k1=N1:N2(如k1=1:5或1:6),C1,C2为半桥电容,S1,S2为开关器件,L为变压器T原边串联电感,T1为电流互感器,匝比为k2=N3:N4(如k2=1:30或1:50),D1-D4为整流二极管,R1为采样电阻,R2和C3构成电流采样滤波环节,滤波得到电流反馈信号为Ifb。S1和S2相位相差180°,通过T1整流后得到采样电流信号,用于控制S1和S2的占空比。控制芯片为UC2825(或其他类似控制芯片),R3,C5,C6,R5构成电流闭环控制结构,Iref为电流参考给定信号,R6,C7为芯片频率设定环节,开关频率为10kHz~100kHz,C8为软启动控制环节,通过调整C8的容值可实现软启动时间的调整。
交流输出条件下,为保证等离子体产生过程中,电荷为零,同时保证开关管工作在零电流开关状态,变换器应工作于断续模式。当输出电压为达到击穿电压时,变换器处于开路状态,控制器利用软启动功能,逐渐增大S1和S2的占空比,并通过变压器T的匝比实现启动过程的气体击穿,其击穿后可等效为电容和电阻的负载组合,利用电流反馈信号实现闭环控制,保证电流输出稳定。
为了实现保证电流型输出,提出了一种原边串联电感的半桥结构方案,通过调节磁芯气隙控制电感量,同时降低电感饱和的可能性。利用电流互感器,对原边电流采样,通过PID控制,实现输出电流的控制。
按照图2给出的电路结构,需满足相应的设计原则,电感需串联与变压器原边,保证变换器工作于电流断续模式;变压器采用升压变比(N1:N2,如采用N1:N2=1:5或1:6);同时开关管为半桥方式控制,即相位相差180度,占空比相同,开关频率为10kHz~100kHz;电流互感器采用磁环工作于变压器原边,将功率电流耦合至副边,经采样电阻得到对应的反馈信号,整流后用于电流闭环控制;副边为开路输出,为保证操作人员安全,将单端与大地相连接。
在需要高压击穿或者启动高压的条件下,为保证电荷为零,同时保证开关管工作在零电流开关状态,变换器应工作于断续模式。启动时,变换器处于开路状态,控制器利用软启动功能,逐渐增大S1和S2的占空比,并通过变压器T的匝比实现启动过程的气体击穿,其击穿后可等效为电容和电阻的负载组合,利用电流反馈信号实现闭环控制,保证电流输出稳定。其电阻负载条件下稳态工作波形示意图,如图4所示。
电流型控制方式,输出电压由负载决定;变压器源端不需要隔直电容,由带有气隙的电感串联于变压器原边,保证变压器不出现磁饱和问题,同时调节气隙和匝数控制电感量,使输出电流为断续模式;原边磁耦合方式实现电流幅值控制,结构简单,实现方便;拓扑结构可实现软启动过程,在特殊工作环境(如等离子体负载等),可提供启动高压,用于击穿气体得到等效负载,同时利用变压器匝比实现隔离高压输出,同时为保证操作人员安全,将单端与大地相连接。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种电流型交流功率变换器,其特征在于,所述电流型交流功率变换器包括控制器、变压器T、电容C1、电容C2、开关器件S1、开关器件S2、电流互感器T1及电感L,所述电感L的一端分别连接所述电容C1的一端及电容C2的一端,所述电感L的另一端穿过所述电流互感器T1的磁环连接所述变压器T的原边正极,所述变压器T的原边负极分别连接所述开关器件S1的漏极及开关器件S2的源极,所述开关器件S1的漏极连接所述电容C1的另一端,所述电流互感器T1的信号输出端经变换后连接所述控制器的输入端,所述控制器的输出端经隔离方式分别连接所述开关器件S1的栅极及开关器件S2的栅极,所述开关器件S2的漏极、电容C2的另一端接地。
2.根据权利要求1所述的电流型交流功率变换器,其特征在于,所述电流互感器T1,用将变换器原边交流电流耦合后进行整流得到采样电流信号,控制开关器件S1和S2的占空比。
3.根据权利要求2所述的电流型交流功率变换器,其特征在于,所述开关器件S1与开关器件S2的相位相差180°。
4.根据权利要求3所述的电流型交流功率变换器,其特征在于,所述电流互感器T1包括整流二极管D1-D4、电阻R1、电阻R2及电容C3,所述整流二极管D1-D2串联后与所述整流二极管D3-D4串联后并联一端分别连接所述电阻R1的一端及电阻R2的一端,另一端接地,所述电阻R2的另一端连接电容C3的一端并输出电流反馈信号Ifb,所述电阻R1的另一端、电容C3的另一端均接地。
5.根据权利要求4所述的电流型交流功率变换器,其特征在于,所述控制器包括芯片U1、电流闭环控制模块、频率设定模块及时间调整模块,所述芯片U1的第1、3、2脚分别连接所述电流闭环控制模块的输出端和电流参考给定信号Iref,所述电流闭环控制模块的输入端连接所述电流互感器T1的信号输出端,所述频率设定模块的一端分别连接所述芯片U1的第5、6、7脚,所述频率设定模块的另一端接地,所述时间调整模块的一端连接所述芯片U1的第8脚,所述时间调整模块的另一端接地,所述芯片U1的第9、10、12脚均接地,所述芯片U1的第11脚经隔离方式连接所述开关器件S1的栅极,所述芯片U1的第14脚经隔离方式连接所述开关器件S2的栅极,所述芯片U1的第13、15脚分别连接电源15V。
6.根据权利要求5所述的电流型交流功率变换器,其特征在于,所述电流闭环控制模块包括电阻R3、电阻R5、电容C5及电容C6,所述电阻R3的一端分别连接所述电容C5的一端及电容C6的一端及芯片U1的第1脚,所述电容C5的另一端连接所述芯片U1的第3脚,所述电容C6的另一端经所述电阻R5连接所述芯片U1的第3脚。
7.根据权利要求6所述的电流型交流功率变换器,其特征在于,所述频率设定模块包括电阻R6及电容C7,所述芯片U1的第5脚经电阻R6接地,所述芯片U1的第6、7脚分别经电容C7接地。
8.根据权利要求7所述的电流型交流功率变换器,其特征在于,所述时间调整模块包括电容C8,所述芯片U1的第8脚经所述电容C8接地。
9.根据权利要求8所述的电流型交流功率变换器,其特征在于,所述芯片U1采用的型号为UC2825。
10.根据权利要求9所述的电流型交流功率变换器,其特征在于,所述开关器件S1及开关器件S2均采用的是MOS管或IGBT场效应管。
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