CN105515398A - 一种应用于程控直流电源的高效率功率电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用于程控直流电源的高效率功率电路，包括LLC谐振全桥变换器、同步整流电路、隔离驱动电路、控制电路和采样电路。LLC谐振全桥变换器通过PFC电路连接交流输入端，LLC谐振全桥变换器连接同步整流电路，同步整流电路通过输出滤波电路连接直流输出端，直流输出端连接采样电路，采样电路连接控制电路，控制电路通过隔离驱动电路同时连接并控制LLC谐振全桥变换器和同步整流电路。交流输入端输入的交流电经LLC谐振全桥变换器和同步整流电路变换整流后，输出多种规格的稳定直流电。本发明采用软开关技术和同步整流技术来实现程控直流电源的功率电路，有效降低开关损耗和整流损耗，提高效率，增加产品可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及程控直流电源电路设计相关技术领域，尤其是一种应用于程控直流电源的高效率功率电路。
背景技术
随着电力电子技术的发展和电子设备小型化的需求，低功耗、高效率、高可靠性的功率变换技术是电力电子产品设计人员追求的目标，降低产品的功耗，提高效率，可以有效降低功率器件的应力，提高产品的可靠性。
程控直流电源类产品的功率损耗主要包括无源器件的损耗和有源器件的损耗。无源器件的损耗主要是指变压器和电感等无源元器的损耗，主要包括铜损和铁损，铜损可以通过采用多股线绕制和合理设计导线长度和频率参数等技术降低，铁损包括磁滞损耗和涡流损耗，可以通过选用合适的磁性元件和设计中避免产生涡流来降低；有源器件的损耗主要是指功率半导体器件等有源器件的损耗，主要包括开关损耗和整流损耗，为了有效降低有源器件的损耗，最有效的技术是软开关技术和同步整流技术。软开关技术包括零电压开关技术和零电流开关技术，实用化的软开关技术主要有：无源缓冲技术，有源缓冲技术，(准)谐振技术以及移相技术。同步整流技术是一种利用MOSFET(场效应管)代替普通整流管或肖特基二极管的整流技术，通过选用低导通电阻(RDS(ON))的MOSFET，特别是在低压、大电流的场合可有效降低整流损耗。
程控直流电源功率电路实现方式主要有线性方式和开关方式两种，线性实现方式效率低，开关实现方式的程控直流电源常用电路拓扑主要采用全桥变换器硬开关拓扑和次级二极管整流，其总体电路原理框图如图1所示，其效率比线性实现方式高，最理想的条件下能达到92％，效率难以再提高。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明采用软开关技术和同步整流技术来实现程控直流电源的功率电路，有效降低开关损耗和整流损耗，提高效率，增加产品可靠性。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种应用于程控直流电源的高效率功率电路，包括LLC谐振全桥变换器、同步整流电路、隔离驱动电路、控制电路和采样电路；
所述LLC谐振全桥变换器通过PFC电路连接交流输入端，LLC谐振全桥变换器连接同步整流电路，同步整流电路通过输出滤波电路连接直流输出端，直流输出端连接采样电路，采样电路连接控制电路，控制电路通过隔离驱动电路同时连接并控制LLC谐振全桥变换器和同步整流电路；
所述交流输入端输入的交流电经LLC谐振全桥变换器和同步整流电路变换整流后，输出多种规格的稳定直流电。
优选地，所述LLC谐振全桥变换器包括四个相同的开关管V1、V2、V3、V4组成的全桥变换电路及谐振电感Lr、变压器的励磁电感Lm与谐振电容C9组成的串联谐振网络；
所述开关管V1、V2、V3、V4分别通过驱动控制端DRV1、DRV2、DRV3、DRV4连接隔离驱动电路；
所述谐振电感Lr与电容C9之间连接有变压器的励磁电感Lm，变压器的次级线圈连接在同步整流电路中，谐振电感Lr、谐振电容C9及励磁电感Lm实现开关管V1、V2、V3、V4的零电压导通。
优选地，所述同步整流电路包括次级整流管V9、V12，次级整流管V9、V12分别连接驱动支路，驱动支路分别通过输入控制端SYNA、SYNB连接控制电路的FPGA。
优选地，所述开关管由场效应管连接外接电容、寄生电容和体二极管组成，寄生电容和体二极管分别并联在场效应管；
开关管V1对应寄生电容C5和体二极管V5；
开关管V2对应寄生电容C6和体二极管V6；
开关管V3对应寄生电容C7和体二极管V7；
开关管V4对应寄生电容C8和体二极管V8。
优选地，所述输出多种规格的稳定直流电对应LLC谐振全桥变换器的不同工作模式，所述工作模式如下：
工作模式1：控制电路的FPGA通过驱动控制端DRV2、DRV3使开关管V2、V3关断，谐振电流给寄生电容C5、C8放电，一直到开关管V1、V4上的电压为零，然后开关管V1、V4的体二级管V5、V8导通，励磁电感Lm上电压被嵌位，不参与谐振过程，此时只有谐振电感Lr和谐振电容C9参与谐振；
工作模式2：开关管V1、V4在零电压下导通，变压器次级线圈承受正向电压，V12导通，开关管V2、V3和次级整流管V9关断，此时谐振电感Lr和谐振电容C9参与谐振，而励磁电感Lm不参与谐振，仅作为变压器的初级线圈，此时谐振电流按正弦波规律增加，另外励磁电流从负的峰值到正的峰值线性增加；
工作模式3：开关管V1、V4维持导通，而体二级管V5、V8处于反向截止状态，此时励磁电感Lm、谐振电感Lr和谐振电容C9一起参与谐振；
工作模式4：开关管V1、V4关断，谐振电流给开关管V2、V3的寄生电容C6、C7放电，一直到开关管V2、V3上的电压为零，然后开关管V2、V3的体二级管V6、V7导通，励磁电感Lm上的电压被嵌位，因此只有谐振电感Lr和谐振电容C9参与谐振；
工作模式5：开关管V2、V3在零电压下导通，变压器次级线圈承受反向电压，次级整流管V9导通，而开关管V1、V4和次级整流管V12截止，此时谐振电感Lr和谐振电容C9参与谐振，而励磁电感Lm不参与谐振，仅作为变压器的初级线圈；
工作模式6：开关管V2、V3维持导通，而次级整流管V9处于关断状态，此时励磁电感Lm、谐振电感Lr和谐振电容C9一起参与谐振。
优选地，所述次级整流管V9两端并联有吸收电路，吸收电路由电阻R2和电容C11组成；
次级整流管V12两端并联有吸收电路，吸收电路由电阻R4和电容C13组成。
优选地，所述驱动支路包括电容、二极管和电阻，二极管和电容并联后连接电阻，二极管的阳极连接电阻，阴极连接输入控制端。
优选地，所述同步整流电路还连接有输出电容Ro。
采用如上技术方案取得的有益技术效果为：
应用于程控直流电源的高效率功率电路采用LLC谐振全桥变换器拓扑实现开关的零电压导通，采用同步整流技术降低次级整流管整流损耗。提高现有程控直流电源功率电路效率最高可达到95％。
附图说明
图1为现有的开关实现方式的程控直流电源常用电路拓扑。
图2为本发明应用于程控直流电源的高效率功率电路拓扑。
图3为LLC谐振全桥变换器和同步整流电路原理图。
具体实施方式
结合附图2至3对本发明的具体实施方式做进一步说明：
一种应用于程控直流电源的高效率功率电路，包括LLC谐振全桥变换器、同步整流电路、隔离驱动电路、控制电路和采样电路，如图1所示。所述LLC谐振全桥变换器通过PFC电路连接交流输入端，LLC谐振全桥变换器连接同步整流电路，同步整流电路通过输出滤波电路连接直流输出端，直流输出端连接采样电路，采样电路连接控制电路，控制电路通过隔离驱动电路同时连接并控制LLC谐振全桥变换器和同步整流电路；所述交流输入端输入的交流电经LLC谐振全桥变换器和同步整流电路变换整流后，输出多种规格的稳定直流电。
如图2所示，LLC谐振全桥变换器包括四个相同的开关管V1、V2、V3、V4组成的全桥变换电路及谐振电感Lr与谐振电容C9串联组成的谐振网络。开关管V1、V2、V3、V4分别通过驱动控制端DRV1、DRV2、DRV3、DRV4连接隔离驱动电路。V1～V4具有低的导通电阻和米勒充电效应
谐振电感Lr与电容C9之间连接有变压器T1的励磁电感Lm，变压器的次级线圈连接在同步整流电路中，谐振电感Lr、谐振电容C9及励磁电感Lm实现开关管V1、V2、V3、V4的零电压导通。
同步整流电路包括次级整流管V9、V12，次级整流管V9、V12分别连接驱动支路，驱动支路分别通过输入控制端SYNA、SYNB连接控制电路的FPGA。现场可编程门阵列FPGA经隔离后，通过两个高频半桥驱动电路进行驱动。
开关管由场效应管连接外接电容、寄生电容和体二极管组成，寄生电容和体二极管分别并联在场效应管。开关管V1对应寄生电容C5和体二极管V5；开关管V2对应寄生电容C6和体二极管V6；开关管V3对应寄生电容C7和体二极管V7；开关管V4对应寄生电容C8和体二极管V8。
次级整流管V9两端并联有吸收电路，吸收电路由电阻R2和电容C11组成；次级整流管V12两端并联有吸收电路，吸收电路由电阻R4和电容C13组成。V10为次级整流管V9的体二极管，V13为次级整流管V12的体二极管。V9和V12的导通电阻RDS(ON)典型值为11mΩ，同步整流驱动信号由控制电路中的FPGA产生。
驱动支路包括电容、二极管和电阻，二极管和电容并联后连接电阻，二极管的阳极连接电阻，阴极连接输入控制端。次级整流管V9驱动支路V11、R1、C10，次级整流管V12驱动支路V14、R3、C12。
同步整流电路还连接输出电容Ro。
输出多种规格的稳定直流电对应LLC谐振全桥变换器的不同工作模式，所述工作模式如下：
工作模式1：控制电路的FPGA通过驱动控制端DRV2、DRV3使开关管V2、V3关断，谐振电流给寄生电容C5、C8放电，一直到开关管V1、V4上的电压为零，然后开关管V1、V4的体二级管V5、V8导通，励磁电感Lm上电压被嵌位，不参与谐振过程，此时只有谐振电感Lr和谐振电容C9参与谐振；
工作模式2：开关管V1、V4在零电压下导通，变压器次级线圈承受正向电压，V12导通，开关管V2、V3和次级整流管V9关断，此时谐振电感Lr和谐振电容C9参与谐振，而励磁电感Lm不参与谐振，仅作为变压器的初级线圈，此时谐振电流按正弦波规律增加，另外励磁电流从负的峰值到正的峰值线性增加；
工作模式3：开关管V1、V4维持导通，而体二级管V5、V8处于反向截止状态，此时励磁电感Lm、谐振电感Lr和谐振电容C9一起参与谐振；
工作模式4：开关管V1、V4关断，谐振电流给开关管V2、V3的寄生电容C6、C7放电，一直到开关管V2、V3上的电压为零，然后开关管V2、V3的体二级管V6、V7导通，励磁电感Lm上的电压被嵌位，因此只有谐振电感Lr和谐振电容C9参与谐振；
工作模式5：开关管V2、V3在零电压下导通，变压器次级线圈承受反向电压，次级整流管V9导通，而开关管V1、V4和次级整流管V12截止，此时谐振电感Lr和谐振电容C9参与谐振，而励磁电感Lm不参与谐振，仅作为变压器的初级线圈；
工作模式6：开关管V2、V3维持导通，而次级整流管V9处于关断状态，此时励磁电感Lm、谐振电感Lr和谐振电容C9一起参与谐振。
当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的指导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。
Claims (8)
1.一种应用于程控直流电源的高效率功率电路，其特征在于，包括LLC谐振全桥变换器、同步整流电路、隔离驱动电路、控制电路和采样电路；
所述LLC谐振全桥变换器通过PFC电路连接交流输入端，LLC谐振全桥变换器连接同步整流电路，同步整流电路通过输出滤波电路连接直流输出端，直流输出端连接采样电路，采样电路连接控制电路，控制电路通过隔离驱动电路同时连接并控制LLC谐振全桥变换器和同步整流电路；
所述交流输入端输入的交流电经LLC谐振全桥变换器和同步整流电路变换整流后，输出多种规格的稳定直流电。
2.根据权利要求1所述的一种应用于程控直流电源的高效率功率电路，其特征在于，所述LLC谐振全桥变换器包括四个相同的开关管V1、V2、V3、V4组成的全桥变换电路及谐振电感Lr、变压器的励磁电感Lm与谐振电容C9组成的串联谐振网络；
所述开关管V1、V2、V3、V4分别通过驱动控制端DRV1、DRV2、DRV3、DRV4连接隔离驱动电路；
所述谐振电感Lr与电容C9之间连接有变压器的励磁电感Lm，变压器的次级线圈连接在同步整流电路中，谐振电感Lr、谐振电容C9及励磁电感Lm实现开关管V1、V2、V3、V4的零电压导通。
3.根据权利要求2所述的一种应用于程控直流电源的高效率功率电路，其特征在于，所述同步整流电路包括次级整流管V9、V12，次级整流管V9、V12分别连接驱动支路，驱动支路分别通过输入控制端SYNA、SYNB连接控制电路的FPGA。
4.根据权利要求3所述的一种应用于程控直流电源的高效率功率电路，其特征在于，所述开关管由场效应管连接外接电容、寄生电容和体二极管组成，寄生电容和体二极管分别并联在场效应管；
开关管V1对应寄生电容C5和体二极管V5；
开关管V2对应寄生电容C6和体二极管V6；
开关管V3对应寄生电容C7和体二极管V7；
开关管V4对应寄生电容C8和体二极管V8。
5.根据权利要求4所述的一种应用于程控直流电源的高效率功率电路，其特征在于，所述输出多种规格的稳定直流电对应LLC谐振全桥变换器的不同工作模式，所述工作模式如下：
工作模式1：控制电路的FPGA通过驱动控制端DRV2、DRV3使开关管V2、V3关断，谐振电流给寄生电容C5、C8放电，一直到开关管V1、V4上的电压为零，然后开关管V1、V4的体二级管V5、V8导通，励磁电感Lm上电压被嵌位，不参与谐振过程，此时只有谐振电感Lr和谐振电容C9参与谐振；
工作模式2：开关管V1、V4在零电压下导通，变压器次级线圈承受正向电压，V12导通，开关管V2、V3和次级整流管V9关断，此时谐振电感Lr和谐振电容C9参与谐振，而励磁电感Lm不参与谐振，仅作为变压器的初级线圈，此时谐振电流按正弦波规律增加，另外励磁电流从负的峰值到正的峰值线性增加；
工作模式3：开关管V1、V4维持导通，而体二级管V5、V8处于反向截止状态，此时励磁电感Lm、谐振电感Lr和谐振电容C9一起参与谐振；
工作模式4：开关管V1、V4关断，谐振电流给开关管V2、V3的寄生电容C6、C7放电，一直到开关管V2、V3上的电压为零，然后开关管V2、V3的体二级管V6、V7导通，励磁电感Lm上的电压被嵌位，因此只有谐振电感Lr和谐振电容C9参与谐振；
工作模式5：开关管V2、V3在零电压下导通，变压器次级线圈承受反向电压，次级整流管V9导通，而开关管V1、V4和次级整流管V12截止，此时谐振电感Lr和谐振电容C9参与谐振，而励磁电感Lm不参与谐振，仅作为变压器的初级线圈；
工作模式6：开关管V2、V3维持导通，而次级整流管V9处于关断状态，此时励磁电感Lm、谐振电感Lr和谐振电容C9一起参与谐振。
6.根据权利要求4所述的一种应用于程控直流电源的高效率功率电路，其特征在于，所述次级整流管V9两端并联有吸收电路，吸收电路由电阻R2和电容C11组成；
次级整流管V12两端并联有吸收电路，吸收电路由电阻R4和电容C13组成。
7.根据权利要求4所述的一种应用于程控直流电源的高效率功率电路，其特征在于，所述驱动支路包括电容、二极管和电阻，二极管和电容并联后连接电阻，二极管的阳极连接电阻，阴极连接输入控制端。
8.根据权利要求4所述的一种应用于程控直流电源的高效率功率电路，其特征在于，所述同步整流电路还连接有输出电容Ro。
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