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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