CN106533160A - Dc/dc拓扑的直流输入低电压直流输出的自激辅助电源电路 - Google Patents

Dc/dc拓扑的直流输入低电压直流输出的自激辅助电源电路 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种DC/DC拓扑的直流输入低电压直流输出的自激辅助电源电路，其特征在于：它包括辅助电源主电路和辅助电源控制电路，辅助电源主电路包括依次电连接的启动电路、前级buck变换器和后级变换器；高压直流电压输入启动电路，经前级buck变换器和后级变换器变换后输出低压直流电压；后级变换器包括分别并联于前级buck变换器输出端的小功率电源模块和大功率电源模块，小功率电源模块的输出电压为辅助电源控制电路的控制电源，大功率电源模块输出电压作为辅助电源输出。本发明作为中高压、大容量电力电子系统控制或驱动电路辅助供电。

Description

DC/DC拓扑的直流输入低电压直流输出的自激辅助电源电路
技术领域
本发明属于高电压自激辅助电源领域，具体涉及一种DC/DC拓扑的直流输入低电压直流输出的自激辅助电源电路。
背景技术
随着社会经济的不断发展和进步，基于多个标准模块单元组合或多相多电平拓扑的中高压、大容量电力电子变流装置的开发和应用越来越广泛。目前，电力电子变流装置二次回路(主要是驱动和控制电路)一般由外部低压交流经整流降压集中供电。对于常规的中小容量电力电子变流装置而言，由于拓扑结构和硬件结构的紧凑和集中，此方式为装置二次回路供电是一种简单、可靠和实用的方法；但是，对于中高压、大容量电力电子变流装置而言，复杂的多相多电平或串并联拓扑结构以及大尺度的空间分布特性等都会对传统的二次回路供电方法提出挑战。首先，在传统集中式二次回路供电结构中，二次回路故障率和维护难度增加；其次，过多的跨接功率单元的二次回路连线对线路本身绝缘及抗电磁干扰性能提出了更高的要求；第三，系统二次回路集中供电将使整个系统的模块化和标准化程度减弱，模块的冗余性和系统的可靠性通常不能得到充分地提高；最后，对于中高压、大容量电力电子装置采用的多电平甚至串联拓扑结构，驱动电路电位相差较大，故要求二次回路电源隔离等级更高，导致装置复杂性增加、可靠性降低。
由于大容量电力电子装置在电路结构、空间布局及控制功能上往往都存在较明显的分布特征，非常适合采用分布式辅助电源为装置二次回路供电，实现整个变流装置从模块到子系统都具有真正可插拔的标准化和模块化特征，从而提高系统的冗余性和可靠性。分布式辅助电源供电是通过在装置中每个变流模块均设置单独辅助电源为其供电来实现，辅助电源输入为变流模块母线电容电压，而辅助电源输出直接为变流模块驱动或控制电路供电(简称高压直流取电)。采用分布式辅助电源为系统二次回路供电方式可以简化装置中内外二次线路连接，降低线路本身的绝缘及防电磁干扰要求，避免了传统的电力电子装置功率电源和控制电源严格的上电和断电次序问题，甚至可取消柜体内UPS等装置。由于辅助电源电位与相应的变流模块电位一致，降低了多电平串联拓扑结构下传统集中供电要求驱动或控制电路高压隔离问题。为确保装置安全可靠运行，分布式供电方式要求辅助电源能在高电压宽电压输入范围内工作。
对于高电压、宽范围输入的辅助电源，目前国内外研究较少。相关文献或专利所研究的辅助电源电压输入范围主要集中在1000V以下，对更高电压、更宽电压输入范围的辅助电源研究很少。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术的缺陷，提供一种DC/DC拓扑的直流输入低电压直流输出的自激辅助电源电路，作为中高压、大容量电力电子系统控制或驱动电路辅助供电。
本发明提供了一种DC/DC拓扑的直流输入低电压直流输出的自激辅助电源电路，其特征在于：它包括辅助电源主电路和辅助电源控制电路，辅助电源主电路包括依次电连接的启动电路、前级buck变换器和后级变换器；高压直流电压输入启动电路，经前级buck变换器和后级变换器变换后输出低压直流电压；后级变换器包括分别并联于前级buck变换器输出端的小功率电源模块和大功率电源模块，小功率电源模块的输出电压为辅助电源控制电路的控制电源，大功率电源模块输出电压作为辅助电源输出；辅助电源控制电路包括PWM控制芯片、电压反馈电路、补偿电路、软启动电路、振荡电路、电流反馈电路和驱动电路，前级buck变换器的输出电压经电压反馈电路和补偿电路接入PWM控制芯片的电压反馈输入端；PWM控制芯片的补偿输出端和参考电压输出端之间连接有启动电路；PWM控制芯片的RT/CT端和参考电压输出端之间连接有振荡电路；PWM控制芯片的电源输入端与小功率电源模块的输出端连接；PWM控制芯片输出端和接地端之间连接有驱动电路；PWM控制芯片电流取样端和接地端之间连接有电流反馈电路；电流反馈电路的输入端接入前级buck变换器的输出电流；驱动电路的输入端与前级buck变换器的控制端连接。
所述前级buck变换器包括开关管Q1；开关管Q1的漏极、电容C1、电阻RS、二极管D2和开关Q1的源极依次串联形成回路；二极管D2的两端并联有相互串联的电容C和电感L，电容C两端并联有电阻R；电阻R两端的电压为前级buck变换器的输出电压，流经电阻R的电流为前级buck变换器的输出电流；开关管Q1源极和栅极为前级buck变换器的控制端；电容C1连接高压直流输入。
所述启动电路包括开关管Q2、电阻RT、电阻RST、稳压管D3、稳压管D4；开关管Q2的栅极经电阻RT连接高压直流输入，开关管Q2的漏极经电阻RST连接高压直流输入；稳压管D3的阴极连接于开关管Q2的栅极，稳压管D3的阳极接地；稳压管D4的阴极连接于开关管Q2的源极，稳压管D4的阳极接地；稳压管D4的阳极连接小功率电源模块的输出端，稳压管D4两端并联有电容C2；电阻RST的阻值远小于电阻RT。
所述PWM控制芯片为UC3844。小功率电源模块采用TMPM04124；大功率电源模块采用TMP60124。
本发明的输入电压高、输入范围宽，采用两级DC/DC级联拓扑，能满足400V～2000V宽范围、高电压输入的要求。本发明实现宽范围自激启动，通过设置大小电阻支路，小电阻支路实现辅助电源快速启动，大电阻支路实现辅助电源损耗降低，满足辅助电源宽范围输入自激启动要求。本发明安全性高，由于前级采用Buck拓扑，简单、安全可靠，后级采用成熟的商用电源模块，更进一步提高了辅助电源可靠性目标。本发明分布式、模块化程度高，中高压大容量电力电子变流系统每个功率单元采用基于两级DC/DC的高电压、宽范围输入辅助电源，能大大简化变流系统二次回路，提高变流系统标准化、模块化水平。本发明可靠性高，相对于传统的集中式驱动辅助供电方式来说，变流器系统二次连线简单，不存在跨接功率单元电气连接线，降低了线路防电磁干扰及隔离要求，分布式供电提供了二次回路供电的冗余性，可实现整个系统的可靠性显著提高。
附图说明
图1是本发明的辅助电源主电路；
图2是本发明的辅助电源控制电路。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。
本发明提供了一种DC/DC拓扑的直流输入低电压直流输出的自激辅助电源电路，其特征在于：它包括辅助电源主电路和辅助电源控制电路，辅助电源主电路包括依次电连接的启动电路、前级buck变换器和后级变换器；高压直流电压输入启动电路，经前级buck变换器和后级变换器变换后输出低压直流电压；后级变换器包括分别并联于前级buck变换器输出端的小功率电源模块和大功率电源模块，小功率电源模块的输出电压为辅助电源控制电路的控制电源，大功率电源模块输出电压作为辅助电源输出。高压直流电压输入为400V～2000V直流；大功率电源模块和小功率电源模块电压输出为24V直流，额定功率为50W，开关频率为100kHz；前级Buck变换器用于将辅助电源输入400V～2000V直流电压降至240V，后级由两个通用的高隔离DC/DC电源(120V～370V输入/24V输出)模块并联而成，用于将前级Buck变换器输出电压降至24V。辅助电源控制电路包括PWM控制芯片、电压反馈电路、补偿电路、软启动电路、振荡电路、电流反馈电路和驱动电路，前级buck变换器的输出电压经电压反馈电路和补偿电路接入PWM控制芯片的电压反馈输入端；PWM控制芯片的补偿输出端和参考电压输出端之间连接有启动电路；PWM控制芯片的RT/CT端和参考电压输出端之间连接有振荡电路；PWM控制芯片的电源输入端与小功率电源模块的输出端连接；PWM控制芯片输出端和接地端之间连接有驱动电路；PWM控制芯片电流取样端和接地端之间连接有电流反馈电路；电流反馈电路的输入端接入前级buck变换器的输出电流；驱动电路的输入端与前级buck变换器的控制端连接。
为研制高功率密度辅助电源，对辅助电源主要器件体积、功耗有严格的要求，设计的辅助电源主电路中开关管Q1、Q2选用IXYS公司4000V/1A仅硬币大小的MOSFET器件，型号为IXTF1N400，续流二极管D2选用HVCA公司4000V/1A快恢复二极管，型号为HVRW4，电感L为高压线自制电感，电感值为10mH，电阻RT为VISHAY公司VR68系列高压电阻10M/1W，电阻RST为5个TE公司39k/3W功率金属氧化膜电阻串联构成。所述PWM控制芯片为UC3844。小功率电源模块采用TMPM04124；大功率电源模块采用TMP60124。
下面对辅助电源主电路和控制电路分别进行说明。
如图1所示，所述前级buck变换器包括开关管Q1；开关管Q1的漏极、电容C1、电阻RS、二极管D2和开关Q1的源极依次串联形成回路；二极管D2的两端并联有相互串联的电容C和电感L，电容C两端并联有电阻R；电阻R两端的电压为前级buck变换器的输出电压，流经电阻R的电流为前级buck变换器的输出电流；开关管Q1源极和栅极为前级buck变换器的控制端；电容C1连接高压直流输入。所述启动电路包括开关管Q2、电阻RT、电阻RST、稳压管D3、稳压管D4；开关管Q2的栅极经电阻RT连接高压直流输入，开关管Q2的漏极经电阻RST连接高压直流输入；稳压管D3的阴极连接于开关管Q2的栅极，稳压管D3的阳极接地；稳压管D4的阴极连接于开关管Q2的源极，稳压管D4的阳极接地；稳压管D4的阳极连接小功率电源模块的输出端，稳压管D4两端并联有电容C2；电阻RST的阻值远小于电阻RT。
启动电路中的限流电阻RST的阻值远小于RT，RST可实现低电压输入时电源的快速启动，待电源启动后，通过RT自动关闭小阻值的RST支路，从而实现辅助电源在宽电压输入范围内正常启动工作，且启动电路损耗较小。辅助电源启动原理如下：开关管Q2开通时，Vin通过RST和Q2为电容C2充电，当C2两端的电压VCC大于PWM芯片UC3844的启动电压时(见图2)，电源开始启动，当电源启动完成后，后级变换器电路开始输出电压VCC，开关管Q2关断。
变换器电路主要由前级的Buck电路和后级的电源模块电路构成。前级Buck电路采用通用的Buck变换电路，主要用于将宽范围、高电压的输入进行调节，为后级电源模块提供一个稳定的输入。后级变换器由两隔离电源模块组成，功率分别为4W(上)和60W(下)，输出稳定的24V直流电压。
在该辅助电源主电路中，前级Buck变换器输出电压Vo1作为辅助电源控制电路的电压反馈量，后级变换器小功率电源模块的输出电压VCC为作为其控制电源，而大功率电源模块输出电压Vo2作为辅助电源输出，可以有效地实现输入/输出隔离。
如图2所示，级变换器输出电压Vo1通过电阻R5、R6构成电压取样网络后，经过补偿处理后作为PWM控制芯片UC3844的电压反馈输入。R9和C9构成的RC振荡电路为UC3844提供工作频率，UC3844输出频率为振荡频率的一半。二极管D10、D11、电阻R10和电容C5构成了UC3844的软启动电路。R8和C8作为电流反馈的滤波电路，用以消除电流波形前沿尖脉冲引起的不稳定性。
由于文中使用的开关管Q1/Q2为4000V/1A的MOS管，其电流裕度比较小，为实现开关管的有效保护，必须考虑电路中各种延时，式(1)为流过开关管Q1电流IQ1计算公式。
IQ1＝Vin﹒tdelay/L+1/RS (1)
式中Vin为辅助电源输入电压，tdelay为控制芯片UC3844引脚3检测到VS电压到开关管动作完成时间，L为Buck电路电感，RS为检测电阻。
开关管Q1为浮地，文中通过脉冲变压器来实现驱动隔离。当脉冲变压器绕组比为1:1时，芯片UC3844在最大占空比最小工作电压工作时，驱动变压器输出电压将不能确保开关管充分导通，通过将脉冲变压器绕组比调整到1：1.35后，确保了开关管在各种条件下的充分导通。
传统的辅助电源输入范围相对较窄，传统辅助电源启动电路通过设置单一小电路实现电源在低电压输入时快速启动工作，但在高母线电压输入时电阻损耗较大，因此无法应用于更宽、更高电压场合。
考虑到传统辅助电源启动电路应用于高电压场合存在不足，设计的辅助电源采用两个不同支路实现了辅助电源快速启动及高压运行下损耗小。通过设置电阻RT和RST不同的值(RST为千欧级，RT为兆欧级)，可以实现辅助电源高电压宽范围应用场合。小阻值RST实现低电压输入电源快速启动，电源启动后，大阻值RT支路自动关闭小阻值RST支路，启动电路损耗为RT支路损耗，相比传统启动电路损耗小，该电源启动方案可应用到高电压输入场合，同时为研制高功率密度的辅助电源提供了借鉴。
2)辅助电源输入输出高压隔离的实现
传统辅助电源主要通过光耦芯片实现输入输出隔离，对于高达几千伏输入的辅助电源，现有的光耦芯片无法满足其输入/输出隔离要求。此外，对于输出电压比较高的辅助电源，该反馈方式还存在不稳定性因素。因为当输出电压一旦大于参考电压时，反馈电路光耦输入侧电流将急剧变化，则光耦输出侧电压快速变化，导致控制芯片输出驱动脉冲不稳，从而影响了电源稳定性。
为实现辅助电源输入/输出高压隔离和辅助电源其输出电压在不同输入电压、不同负载时输出电压稳定目的，设计的辅助电源其反馈电路采用辅助绕组电压反馈方法实现，设计的辅助电源反馈电路如图2所示。图中辅助绕组电压VCC既是控制芯片电源，又是控制芯片反馈输入，该方式有效的利用了高频变压器T1来实现输入/输出高压隔离。
为保证辅助电源在不同输入电压及不同负载情况下输出电压稳定，需尽可能提高输出绕组和辅助绕组两绕组的耦合程度，采用输出绕组和辅助绕组两线并绕方式。此外，考虑到变压器制作难度，输出绕组和辅助绕组取相同匝数。设计变压器时，注意控制变压器漏感，以降低开关管关断尖峰。
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (5)

1.一种DC/DC拓扑的直流输入低电压直流输出的自激辅助电源电路，其特征在于：它包括辅助电源主电路和辅助电源控制电路，辅助电源主电路包括依次电连接的启动电路、前级buck变换器和后级变换器；高压直流电压输入启动电路，经前级buck变换器和后级变换器变换后输出低压直流电压；后级变换器包括分别并联于前级buck变换器输出端的小功率电源模块和大功率电源模块，小功率电源模块的输出电压为辅助电源控制电路的控制电源，大功率电源模块输出电压作为辅助电源输出；辅助电源控制电路包括PWM控制芯片、电压反馈电路、补偿电路、软启动电路、振荡电路、电流反馈电路和驱动电路，前级buck变换器的输出电压经电压反馈电路和补偿电路接入PWM控制芯片的电压反馈输入端；PWM控制芯片的补偿输出端和参考电压输出端之间连接有启动电路；PWM控制芯片的RT/CT端和参考电压输出端之间连接有振荡电路；PWM控制芯片的电源输入端与小功率电源模块的输出端连接；PWM控制芯片输出端和接地端之间连接有驱动电路；PWM控制芯片电流取样端和接地端之间连接有电流反馈电路；电流反馈电路的输入端接入前级buck变换器的输出电流；驱动电路的输入端与前级buck变换器的控制端连接。
2.根据权利要求1所述的DC/DC拓扑的直流输入低电压直流输出的自激辅助电源电路，其特征在于前级buck变换器包括开关管Q1；开关管Q1的漏极、电容C1、电阻RS、二极管D2和开关Q1的源极依次串联形成回路；二极管D2的两端并联有相互串联的电容C和电感L，电容C两端并联有电阻R；电阻R两端的电压为前级buck变换器的输出电压，流经电阻R的电流为前级buck变换器的输出电流；开关管Q1源极和栅极为前级buck变换器的控制端；电容C1连接高压直流输入。
3.根据权利要求1所述的DC/DC拓扑的直流输入低电压直流输出的自激辅助电源电路，其特征在于启动电路包括开关管Q2、电阻RT、电阻RST、稳压管D3、稳压管D4；开关管Q2的栅极经电阻RT连接高压直流输入，开关管Q2的漏极经电阻RST连接高压直流输入；稳压管D3的阴极连接于开关管Q2的栅极，稳压管D3的阳极接地；稳压管D4的阴极连接于开关管Q2的源极，稳压管D4的阳极接地；稳压管D4的阳极连接小功率电源模块的输出端，稳压管D4两端并联有电容C2；电阻RST的阻值远小于电阻RT。
4.根据权利要求1所述的DC/DC拓扑的直流输入低电压直流输出的自激辅助电源电路，其特征在于PWM控制芯片为UC3844。
5.根据权利要求1所述的DC/DC拓扑的直流输入低电压直流输出的自激辅助电源电路，其特征在于小功率电源模块采用TMPM04124；大功率电源模块采用TMP60124。
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