CN106130326B - 一种全桥llc谐振隔离大功率高压电源电路 - Google Patents

一种全桥llc谐振隔离大功率高压电源电路 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种全桥LLC谐振隔离大功率高压电源电路，隔离控制电路分别与辅助电路、输出电流反馈电路、全桥LLC谐振及控制驱动电路、高压输出及电压反馈电路连接，高压输出及电压反馈电路分别与输出电流反馈电路、全桥LLC谐振及控制驱动电路连接，辅助电路与输出电流反馈电路连接，供电输入分别与辅助电路和全桥LLC谐振及控制驱动电路连接。采用全桥LLC谐振驱动变换，PWM控制方式，实现了功率开关管的零电压导通，输出整流管的零电流关断，降低了开关功率损耗；电源的转换效率较高；在较宽的输入电压和输出负载范围内，有较好的调节特性；输入输出采用隔离方式，减少电路间的直接串扰，提高了电源的性能指标及可靠性。

Description

一种全桥LLC谐振隔离大功率高压电源电路
技术领域
本发明涉及一种应用于电子工业、科研等领域中的全桥LLC谐振隔离大功率高压电源电路。
背景技术
目前在高压电源的市场中，一方面有许多是采用传统的硬开关变换模式，工作频率越高，其开关损耗越大，转换效率越低。同时，开关管在工作时会产生很大的di/dt和du/dt，使电磁干扰增加，影响电源周围设备的正常工作，特别是对于大功率高压电源而言，上述现象尤为突出；另一方面，对于共地的DC/DC大功率高压电源来说，由于输入电流大，输出功率高，输入、输出及控制部分等在电路中直接相通，其工作时，自身控制部分很容易受到功率电路等的串扰，造成环路的自激或谐波增加等现象，从而导致电源的性能指标下降。
发明内容
鉴于现有技术的不足，本发明提供了一种开关损耗低、转换效率高、负载范围宽的全桥LLC谐振隔离大功率高压电源电路。
本发明为实现上述目的，所采取的技术方案是：一种全桥LLC谐振隔离大功率高压电源电路，包括辅助电路、隔离控制电路、输出电流反馈电路，其特征在于：还包括全桥LLC谐振及控制驱动电路、高压输出及电压反馈电路，所述隔离控制电路分别与辅助电路、输出电流反馈电路、全桥LLC谐振及控制驱动电路、高压输出及电压反馈电路连接，所述高压输出及电压反馈电路分别与输出电流反馈电路、全桥LLC谐振及控制驱动电路连接，所述辅助电路与输出电流反馈电路连接，供电输入分别与辅助电路和全桥LLC谐振及控制驱动电路连接；
具体电路连接为：所述全桥LLC谐振及控制驱动电路中，变压器TRF2的初级绕组Lp21的同名端a1与变压器TRF3的初级绕组Lp31的同名端a2相连后接隔离控制电路中芯片U1的输出端11脚，变压器TRF2的初级绕组Lp21的异名端b1与变压器TRF3的初级绕组Lp31的异名端b2相连后接隔离控制电路中芯片U1的另一输出端14脚，电阻R7与二极管D9并联，电阻R9与二极管D10并联，电阻R11与二极管D11并联，电阻R13与二极管D12并联，电阻R8与二极管D18并联，电阻R10与二极管D19并联，电阻R12与二极管D20并联，电阻R14与二极管D21并联，电容C2与二极管D14并联，电容C3与二极管D15并联，电容C4与二极管D16并联，电容C5与二极管D17并联，变压器TRF2的次级绕组Ls21同名端11与二极管D9的负极连接，二极管D9的正极分别接二极管D18的负极和MOS三极管T1的栅极，变压器TRF2的次级绕组Ls21的异名端21分别与二极管D14和D18的正极、MOS三极管T1的源极连接，变压器TRF2的次级绕组Ls22异名端31与二极管D10的负极连接，二极管D10的正极分别接二极管D19的负极和MOS三极管T2的栅极，变压器TRF2的次级绕组Ls22的同名端41分别与二极管D15和D19的正极、MOS三极管T2的源极连接并接输入地GND，变压器TRF3的次级绕组Ls31异名端12与二极管D11的负极连接，二极管D11的正极分别接二极管D20的负极和MOS三极管T3的栅极，变压器TRF3的次级绕组Ls31的同名端22分别与二极管D16和D20的正极、MOS三极管T3的源极连接，变压器TRF3的次级绕组Ls32同名端32与二极管D12的负极连接，二极管D12的正极分别接二极管D21的负极和MOS三极管T4的栅极，变压器TRF3的次级绕组Ls32的异名端42分别与二极管D17和D21的正极、MOS三极管T4的源极连接并接输入地GND，二极管D14和D16的负极相连后分别接MOS三极管T1和T3的漏极、电容C1的正端、电感L1的一端，电容C1的负极接输入地GND，电感L1的另一端接供电输入端Vin， 二极管D15的负极分别接MOS三极管T2的漏极、MOS三极管T1的源极、电容C6的一端，二极管D17的负极分别接MOS三极管T4的漏极、MOS三极管T3的源极、电感L2的一端，电容C6的另一端接变压器TRF1初级绕组Lp11的同名端12，电感L2的另一端接变压器TRF1初级绕组Lp11的异名端7；
所述高压输出及电压反馈电路中，二极管D1和D2顺向串联，二极管D3和D4顺向串联，二极管D5和D6顺向串联，二极管D7和D8顺向串联，二极管D2的负极与二极管D3的正极相连后接变压器TRF1的次级绕组Ls11的同名端1，二极管D7的负极与二极管D6的正极相连后接变压器TRF1的次级绕组Ls11的异名端6，二极管D4和D5的负极相连后分别接电容C9和电感L3的一端，电感L3的另一端分别与电阻R4和R26的一端、电容C10和C11的一端连接，电阻R26的另一端接高压输出端+HV，电阻R18与电容C12、二极管D13并联，二极管D1和D8的正极相连后分别接二极管D13的负极、电容C9的另一端、输出电流反馈电路中电阻R32的一端，二极管D13的正极与电容C10的另一端相连后接高压输出地HGND，电阻R4的另一端通过电阻R5和R6分别与电阻R15和R16及电容C25的一端相连，电容C26的一端分别接电容C11和C25的另一端，电阻R16的另一端通过电阻R17与电容C26的另一端相连后接控制输出地G，电容C19和电阻R28串联后与电容C24并联，电容C18与电阻R24并联，电阻R15的另一端分别接放大器U3B的反相输入端6脚、电容C24的一端，放大器U3B的输出端7脚分别接电阻R25的一端、电容C24的另一端，电阻R25的另一端分别接电阻R24的一端、隔离控制电路中芯片U1的补偿端9脚、输出电流反馈电路中三极管T6的集电极，电阻R24的另一端接控制输出地G，放大器U3B的同相输入端5脚分别接二极管D22正极、电阻R27和电容C20的一端，电阻R27的另一端与电阻R3的一端相连后接隔离控制电路中V/V转换器的5脚，电容C20的另一端与电阻R3的另一端相连后接控制输出地G，二极管D22的负极接内部基准端Vref。
本发明的有益效果是：采用全桥LLC谐振驱动变换，PWM控制方式，实现了功率开关管的零电压导通，输出整流管的零电流关断，从而降低了开关功率损耗。变换器的主电路结构简单，电源的转换效率较高，有利于高压电源的高频和高功率密度。在较宽的输入电压和输出负载范围内，有较好的调节特性。输入输出采用隔离方式，减少电路间的直接串扰，方便外部控制，提高了电源的性能指标及可靠性。
附图说明
图1为本发明中的电路连接框图；
图2为本发明的电路原理图。
具体实施方式
如图1、2所示，一种全桥LLC谐振隔离大功率高压电源电路，包括辅助电路、隔离控制电路、输出电流反馈电路，还包括全桥LLC谐振及控制驱动电路、高压输出及电压反馈电路。
隔离控制电路分别与辅助电路、输出电流反馈电路、全桥LLC谐振及控制驱动电路、高压输出及电压反馈电路连接，高压输出及电压反馈电路分别与输出电流反馈电路、全桥LLC谐振及控制驱动电路连接，辅助电路与输出电流反馈电路连接，供电输入分别与辅助电路和全桥LLC谐振及控制驱动电路连接。
具体电路连接为：全桥LLC谐振及控制驱动电路中，变压器TRF2的初级绕组Lp21的同名端a1与变压器TRF3的初级绕组Lp31的同名端a2相连后接隔离控制电路中芯片U1的输出端11脚，变压器TRF2的初级绕组Lp21的异名端b1与变压器TRF3的初级绕组Lp31的异名端b2相连后接隔离控制电路中芯片U1的另一输出端14脚，电阻R7与二极管D9并联，电阻R9与二极管D10并联，电阻R11与二极管D11并联，电阻R13与二极管D12并联，电阻R8与二极管D18并联，电阻R10与二极管D19并联，电阻R12与二极管D20并联，电阻R14与二极管D21并联，电容C2与二极管D14并联，电容C3与二极管D15并联，电容C4与二极管D16并联，电容C5与二极管D17并联，变压器TRF2的次级绕组Ls21同名端11与二极管D9的负极连接，二极管D9的正极分别接二极管D18的负极和MOS三极管T1的栅极，变压器TRF2的次级绕组Ls21的异名端21分别与二极管D14和D18的正极、MOS三极管T1的源极连接，变压器TRF2的次级绕组Ls22异名端31与二极管D10的负极连接，二极管D10的正极分别接二极管D19的负极和MOS三极管T2的栅极，变压器TRF2的次级绕组Ls22的同名端41分别与二极管D15和D19的正极、MOS三极管T2的源极连接并接输入地GND，变压器TRF3的次级绕组Ls31异名端12与二极管D11的负极连接，二极管D11的正极分别接二极管D20的负极和MOS三极管T3的栅极，变压器TRF3的次级绕组Ls31的同名端22分别与二极管D16和D20的正极、MOS三极管T3的源极连接，变压器TRF3的次级绕组Ls32同名端32与二极管D12的负极连接，二极管D12的正极分别接二极管D21的负极和MOS三极管T4的栅极，变压器TRF3的次级绕组Ls32的异名端42分别与二极管D17和D21的正极、MOS三极管T4的源极连接并接输入地GND，二极管D14和D16的负极相连后分别接MOS三极管T1和T3的漏极、电容C1的正端、电感L1的一端，电容C1的负极接输入地GND，电感L1的另一端接供电输入端Vin， 二极管D15的负极分别接MOS三极管T2的漏极、MOS三极管T1的源极、电容C6的一端，二极管D17的负极分别接MOS三极管T4的漏极、MOS三极管T3的源极、电感L2的一端，电容C6的另一端接变压器TRF1初级绕组Lp11的同名端12，电感L2的另一端接变压器TRF1初级绕组Lp11的异名端7。
高压输出及电压反馈电路中，二极管D1和D2顺向串联，二极管D3和D4顺向串联，二极管D5和D6顺向串联，二极管D7和D8顺向串联，二极管D2的负极与二极管D3的正极相连后接变压器TRF1的次级绕组Ls11的同名端1，二极管D7的负极与二极管D6的正极相连后接变压器TRF1的次级绕组Ls11的异名端6，二极管D4和D5的负极相连后分别接电容C9和电感L3的一端，电感L3的另一端分别与电阻R4和R26的一端、电容C10和C11的一端连接，电阻R26的另一端接高压输出端+HV，电阻R18与电容C12、二极管D13并联，二极管D1和D8的正极相连后分别接二极管D13的负极、电容C9的另一端、输出电流反馈电路中电阻R32的一端，二极管D13的正极与电容C10的另一端相连后接高压输出地HGND，电阻R4的另一端通过电阻R5和R6分别与电阻R15和R16及电容C25的一端相连，电容C26的一端分别接电容C11和C25的另一端，电阻R16的另一端通过电阻R17与电容C26的另一端相连后接控制输出地G，电容C19和电阻R28串联后与电容C24并联，电容C18与电阻R24并联，电阻R15的另一端分别接放大器U3B的反相输入端6脚、电容C24的一端，放大器U3B的输出端7脚分别接电阻R25的一端、电容C24的另一端，电阻R25的另一端分别接电阻R24的一端、隔离控制电路中芯片U1的补偿端9脚、输出电流反馈电路中三极管T6的集电极，电阻R24的另一端接控制输出地G，放大器U3B的同相输入端5脚分别接二极管D22正极、电阻R27和电容C20的一端，电阻R27的另一端与电阻R3的一端相连后接隔离控制电路中V/V转换器的5脚，电容C20的另一端与电阻R3的另一端相连后接控制输出地G，二极管D22的负极接内部基准端Vref。
放大器的型号为：17358。
隔离控制电路中芯片U1的型号为SG3525。
该大功率高压电源电路采用全桥LLC谐振驱动变换，PWM控制方式，在相关参数选配合理的情况下，能降低功率开关的dv/dt和di/dt，减小开关功率损耗，降低输出纹波及噪声，有利于高频和高功率密度的实现。
输入与输出采用隔离方式，一则是减小输出回路对输入及控制回路的直接影响；二则是方便外部控制，通过隔离V/V变换器，线性调节输出电压，提高电压控制精度。
为保证稳定的电压输出，谐振电容C6在选择时，可参考供电电压选择其耐压值。
在变压器制作中，采用高耐压高温绝缘薄膜材料，以及浸漆等方法，通过合理的绕制方式，确保变压器的绝缘耐压。
合理布局PCB ，确保输入、输出、控制等各回路的独立路径；
选用低噪声、低温漂、高稳定性的元器件；高压输出部分的元器件要考虑一定的耐压冗余。
工作原理
如图1、2所示，该高压电源电路包括辅助电路、隔离控制电路、全桥LLC谐振及控制驱动电路、高压输出及电压反馈电路、输出电流反馈电路。
在隔离控制电路、全桥LLC谐振及控制驱动电路中，主控制芯片U1采用SG3525，PWM控制方式，其两个输出端11和14端，交替输出最大接近50%占空比的控制方波脉冲信号，它们通过驱动变压器TRF2和TRF3，以及相关电路，分别驱动全桥结构的功率开关MOS三极管T1、T2、T3、和T4。其中，开关管T1和T4的控制脉冲相同，开关管T2和T3的控制脉冲相同。当开关管T1和T4关断时，谐振网络产生谐振，使并接在开关管T2和T3上的二极管D15、D16导通，将开关管T2和T3漏源两端的电压钳位为零，从而实现开关管T2和T3的零电压导通；同理，当开关管T2和T3关断时，谐振网络产生谐振，使并接在开关管T1和T4上的二极管D14、D17导通，将开关管T1和T4漏源两端的电压钳位为零，从而实现开关管T1和T4的零电压导通。
在辅助电路中，由于输入与输出隔离，供电输入Vin，分别通过隔离DC/DC模块电源PS1和PS2，获得大功率高压电源内部供电电源Vcc与+12V，其中Vcc作为V/V变换器的输入端供电，+12V作为电源高隔部分的内部供电。
在高压输出及电压反馈电路中，在变压器TRF1次级得到的高频高压脉冲，通过由二极管D1~D8组成的桥式整流，又经由电容C9、C10以及电感L3组成的高压π型滤波后，输出高压。通过由电阻R3~R6、R16、R17，以及电容C11、C25和C26等组成的交直流输出高压反馈网络，获得的电压采样信号，经误差放大器U3B，控制隔离控制电路中芯片U1的9脚，进而控制脉冲宽度，最终控制输出高压。
在输出电流反馈电路中，通过在高压输出回路中获得的输出电流采样信号，与输出电流给定值叠加（电位器RW1为调节输出电流给定），经误差放大器U3A后，控制三极管T6的通、断，从而限制最大高压输出电流。

Claims (1)

1.一种全桥LLC谐振隔离大功率高压电源电路，包括辅助电路、隔离控制电路、输出电流反馈电路，在辅助电路中，由于输入与输出隔离，供电输入Vin，分别通过隔离DC/DC模块电源PS1和PS2，获得大功率高压电源内部供电电源Vcc与+12V，其中Vcc作为V/V变换器的输入端供电，+12V作为电源高隔部分的内部供电；其特征在于：还包括全桥LLC谐振及控制驱动电路、高压输出及电压反馈电路，所述隔离控制电路分别与辅助电路、输出电流反馈电路、全桥LLC谐振及控制驱动电路、高压输出及电压反馈电路连接，所述高压输出及电压反馈电路分别与输出电流反馈电路、全桥LLC谐振及控制驱动电路连接，所述辅助电路与输出电流反馈电路连接，供电输入分别与辅助电路和全桥LLC谐振及控制驱动电路连接；
具体电路连接为：所述全桥LLC谐振及控制驱动电路中，变压器TRF2的初级绕组Lp21的同名端a1与变压器TRF3的初级绕组Lp31的同名端a2相连后接隔离控制电路中芯片U1的输出端11脚，变压器TRF2的初级绕组Lp21的异名端b1与变压器TRF3的初级绕组Lp31的异名端b2相连后接隔离控制电路中芯片U1的另一输出端14脚，电阻R7与二极管D9并联，电阻R9与二极管D10并联，电阻R11与二极管D11并联，电阻R13与二极管D12并联，电阻R8与二极管D18并联，电阻R10与二极管D19并联，电阻R12与二极管D20并联，电阻R14与二极管D21并联，电容C2与二极管D14并联，电容C3与二极管D15并联，电容C4与二极管D16并联，电容C5与二极管D17并联，变压器TRF2的次级绕组Ls21同名端11与二极管D9的负极连接，二极管D9的正极分别接二极管D18的负极和MOS三极管T1的栅极，变压器TRF2的次级绕组Ls21的异名端21分别与二极管D14和D18的正极、MOS三极管T1的源极连接，变压器TRF2的次级绕组Ls22异名端31与二极管D10的负极连接，二极管D10的正极分别接二极管D19的负极和MOS三极管T2的栅极，变压器TRF2的次级绕组Ls22的同名端41分别与二极管D15和D19的正极、MOS三极管T2的源极连接并接输入地GND，变压器TRF3的次级绕组Ls31异名端12与二极管D11的负极连接，二极管D11的正极分别接二极管D20的负极和MOS三极管T3的栅极，变压器TRF3的次级绕组Ls31的同名端22分别与二极管D16和D20的正极、MOS三极管T3的源极连接，变压器TRF3的次级绕组Ls32同名端32与二极管D12的负极连接，二极管D12的正极分别接二极管D21的负极和MOS三极管T4的栅极，变压器TRF3的次级绕组Ls32的异名端42分别与二极管D17和D21的正极、MOS三极管T4的源极连接并接输入地GND，二极管D14和D16的负极相连后分别接MOS三极管T1和T3的漏极、电容C1的正端、电感L1的一端，电容C1的负极接输入地GND，电感L1的另一端接供电输入端Vin， 二极管D15的负极分别接MOS三极管T2的漏极、MOS三极管T1的源极、电容C6的一端，二极管D17的负极分别接MOS三极管T4的漏极、MOS三极管T3的源极、电感L2的一端，电容C6的另一端接变压器TRF1初级绕组Lp11的同名端12，电感L2的另一端接变压器TRF1初级绕组Lp11的异名端7，隔离控制电路中芯片U1的型号为SG3525；
所述高压输出及电压反馈电路中，二极管D1和D2顺向串联，二极管D3和D4顺向串联，二极管D5和D6顺向串联，二极管D7和D8顺向串联，二极管D2的负极与二极管D3的正极相连后接变压器TRF1的次级绕组Ls11的同名端1，二极管D7的负极与二极管D6的正极相连后接变压器TRF1的次级绕组Ls11的异名端6，二极管D4和D5的负极相连后分别接电容C9和电感L3的一端，电感L3的另一端分别与电阻R4和R26的一端、电容C10和C11的一端连接，电阻R26的另一端接高压输出端+HV，电阻R18与电容C12、二极管D13并联，二极管D1和D8的正极相连后分别接二极管D13的负极、电容C9的另一端、输出电流反馈电路中电阻R32的一端，二极管D13的正极与电容C10的另一端相连后接高压输出地HGND，电阻R4的另一端通过电阻R5和R6分别与电阻R15和R16及电容C25的一端相连，电容C26的一端分别接电容C11和C25的另一端，电阻R16的另一端通过电阻R17与电容C26的另一端相连后接控制输出地G，电容C19和电阻R28串联后与电容C24并联，电容C18与电阻R24并联，电阻R15的另一端分别接放大器U3B的反相输入端6脚、电容C24的一端，放大器U3B的输出端7脚分别接电阻R25的一端、电容C24的另一端，电阻R25的另一端分别接电阻R24的一端、隔离控制电路中芯片U1的补偿端9脚、输出电流反馈电路中三极管T6的集电极，电阻R24的另一端接控制输出地G，放大器U3B的同相输入端5脚分别接二极管D22正极、电阻R27和电容C20的一端，电阻R27的另一端与电阻R3的一端相连后接隔离控制电路中V/V转换器的电压输出端5脚，电容C20的另一端与电阻R3的另一端相连后接控制输出地G，二极管D22的负极接内部基准端Vref。
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