CN106612071A - 一种输出正负极性自动转换±1kv直流开关电源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种输出正负极性自动转换±1KV直流开关电源（最大输出电流5MA），属于工业自动化领域专用特种电源。本发明包括电源机壳、内部结构、功率变换电路、全波整流、输出正负极性转换和控制电路。所述电源机壳采用全铝表面氧化拉丝全密封处理，内部使用分层分腔体划分功能单元。功率变换电路采用的是改进型的单端功率变换拓补结构。本发明电源体积小、重量轻，抗干扰能力强，适合复杂恶劣的工厂环境，同时在需要最少控制信号的条件下，自动实现电源输出电压正负极性转化输出，简化了与智能机器人和自动化生产线信号接口的对接。

Description

一种输出正负极性自动转换± 1KV 直流开关电源

技术领域

本发明涉及一种输出正负极性自动转换±1KV直流开关电源（最大输出电流5MA），可应用于工业生产自动化智能制造和机器人领域。

背景技术

自从上个世纪70年代开关电源出现以来，在各种应用场合以其优越的综合性能逐渐取代了原先占主导地位的线性电源。 特别是近些年，伴随着大功率器件如场效应晶体管和绝缘栅双极型晶体管的高速发展，得到越来越多的广泛应用，并逐渐成为家用电器、医疗设备，特别是工业装备的主要电源供应器。尤其在当前工业4.0和智能机器人领域中，它的应用面之广，应用数量之多是其他电力能源供给设备所无法比拟的。同时，这些领域也反过来对其应用的开关电源提出越来越多的高性能的特殊要求。是否能够满足这些各种特殊要求直接影响到生产加工系统或机器人的智能化和高效化。其中开关电源输出电压极性可根据控制系统上位机指令和实际工况随时转换就是一项非常具有实际意义的要求。

由于开关电源输出电压极性自动转换在实际生产过程中的需求，特别是高于多数工业场合电压要求的±1KV直流输出电压。很多种方法被提出加以采用，用于制作1KV直流输出电压，同时可以实现输出电压极性的转换。其中，最方便和经济的实现方案是基于一台+1KV线性电源和一台-1KV线性电源共同组成电源系统，然后利用高压开关来实现±1KV直流输出电压。由于该方案采用的是线性电源，尽管容易实现，但是体积大、效率低、需要大体积的散热片。近年来由于开关电源的迅速发展和广泛应用，已经出现较多使用开关电源取代线性电源的方法，取得了一定的进步。但是该方案还是有明显的不足之处：如由于还是采用双开关电源方案，体积大比较笨重，而且成本高，另外，输出极性转换处理技术沿用之前方案，操作不灵活，与智能自动化控制系统对接困难。

发明内容

为解决现有技术存在的上述问题，本发明设计了针对一套开关电源系统基础之上的一种输出正负极性自动转换±1KV直流开关电源。可以大幅度降低体积，提高工作效率，同时具有极其灵活的自动极性转换功能。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种输出正负极性自动转换±1KV直流开关电源如附图所示由电源机壳和电路两大部分组成，其中电源电路部分包括功率变换电路、全波整流、输出正负极性转换和控制电路等部分组成。

所述的电源机壳包括底壳1、中间层隔板5、上盖8、保险丝盒10、输出高压接线端子排9，上电指示LED绿灯2和高压指示LED红灯3。

所述机壳底壳1分别与中间层隔板5和上盖8采用螺钉连接固定，控制电路板7通过螺钉连接固定在中间层隔板5上，功率电路板4通过螺钉连接固定在底壳1底面，底壳1起到总体的支承作用；电源机壳通体采用铝合金表面拉丝和阳极氧化处理，所有功率器件通过螺钉连接固定在机壳表面之上，通过机壳表面进行散热，同时，电源机壳所有组件通过螺钉连接固定从而保证电气连接，通过机壳接大地。电源底壳1前面板通过螺钉连接固定保险丝盒10，电源底壳1前面板预留长方形孔探出焊接在控制电路板上的输入10脚接插件接线端子6，上电指示LED绿灯2、高压指示LED红灯3通过螺钉连接固定在底壳1前面板上。电源底壳1后面板通过螺钉连接固定耐高压接线端子排9，功率电路板4上的输出电压节点通过电缆线焊接连接高压接线端子排9。底壳1后面板耐高压接线端子排9第一脚为接大地端子，将大地线固定其上，从而保证电压机壳全身和内部电路安全连接大地。

所述的电源电路部分由两块电路板组成：控制电路板7和功率电路板4。所述控制电路包括电压压输出启停部分，稳压调节部分、限流调节部分、电压测量部分、电流测量部分、给定电压部分、过压保护自锁部分、过流保护自锁部分、电压输出显示部分、电流输出显示部分、PWM控制部分和输出极性自动转换控制部分。功率电路板包括单端功率变换部分、功率变压器部分、输出整流部分、输出直流高压采样部分、输出直流电流采样部分和输出电压正负极性切换部分。

输出直流高压和电流由功率电路板采样电路部分采集反馈直流电压值和电流值，输入到电压测量部分和电流测量部分进行电压变换归一化处理，一部送到电压输出显示部分和电流输出显示部分，用于输出电压和电流的监测和显示；另一部分输入到调压稳压部分和稳流部分再经过PWM控制部分进行输出电压和电流的稳定性调节。PWM控制部分产生的占空比可变的方波信号去控制功率管驱动功率变压器，经过单端功率变换部分、功率变压器部分、输出整流部分、输出根据需要设置的直流高压值。除去这些功率流的主回路部分，其它的辅助电路包括DC12V送电，电源指示绿色LED灯点亮，电压输出启停信号控制电源工作输出电压启动，高电平控制电压指示灯红色LED灯点亮，开始电压输出。低电平控制电压指示灯红色LED灯熄灭，切断电压输出。电压输出启停信号为低电平时才能够自动交替变换输出电压极性控制信号。电压输出启停信号为低电平时输出电压极性转换开关才能进行切换动作。

本发明工作时，各组成部分的工作原理如下：

接上DC12V电源，通过其上的保险丝给电源内部电路供电，电源上电指示绿色LED灯亮。这是才可以进行电源功能操作。输入的DC12V电源经过反转开关稳压电路产生-12V，与此同时，输入的DC12V电源又经过内部稳压电路产生+5V的基准电源，而产生的±12V则形成内部控制电路工作所需的辅助电源。

电压输出启停信号控制电源工作输出电压，在待机停止工作期间，该端口被设置为低电平，这时电压指示灯红色LED灯熄灭，切断电压输出。

根据实际应用设置好输出电源的正负极性，然后根据实际应用设置给定电压，其中给定电压0~10V对应输出直流电压0 ~ ±1000V。

将电压输出启停信号设置为高电平，开始电压输出，这时电压指示灯红色LED灯点亮，同时开始输出直流电压，电压指示灯红色LED灯的亮度会随着输出电压的升高而变得越来越亮。

输出的直流电压通过电压采样电路进行采样；输出的直流电流通过电流采样电路进行采样。电压采样值通过电压转换电路处理生成电压采样归一化电压值，0 ~ ±1000V对应0~10V，电流采样值通过电压转换电路处理生成电流采样归一化电压值，0 ~ 5MA对应0~10V。电压采样归一化电压值输入到输出电压显示电路进行放大提高带载能力，驱动后级的电压显示监测电路；电流采样归一化电压值输入到输出电流显示电路进行放大提高带载能力，驱动后级的电流显示监测电路。

同时电压采样归一化电压值输入稳压调节环路；电流采样归一化电压值输入电限流调节定环路，进行共同调整处理，输入到PWM调节电路，输出占空比可调的控制方波，来驱动控制功率管，控制功率管带动功率变压器初级工作，进行能量变送，输出到变压器次级，在变压器输出次级得到的高压波形通过后级的整流滤波生成直流电压波形，再经过输出电压极性转换开关，最终通过电缆输出到负载上。

稳压调节环路可以根据输入的设定电压0~10V与电压采样电路得到的电压值进行比较，对输出的直流电压进行控制，从而保证在输入电压和负载变化的情况下，仍然可以保持稳定输出的直流电压。而且，可以通过改变设定电压0~10V，任意设定输出的直流电压0 ~ ±1000V。限流调节环路可以根据输入的内部参考电压10V与电流采样电路得到的电压值进行比较，对输出的直流电流进行控制，从而保证在输入电压和负载变化的情况下，特别是恶劣和极端的工作情况下，如过载和短路时，限制电源输出的直流电流在5MA。保护电源不会因为过载和短路而烧毁。

输出正负极性自动转换控制部分与电压输出启停部分互锁控制，当电压输出启停控制信号设置为高电平时，电压输出启动，这时输出正负极性自动转换控制部分闭锁，无法控制输出正负极性自动转换功能；当电压输出启停控制信号设置为低电平时，电压输出停止，这时输出正负极性自动转换控制部分解锁，输出正负极性自动反转，由正极转换为负极性输出或由负极转换为正极性输出。此输出正负极性转换自动跟随电压输出启停控制信号高电平跳变连续循环往复正负交替改变。

输出正负极性转换由开关1、开关2、开关3和开关4四只开关组成，其中的两只开关1和开关2连接功率变压器的次级的一端；同时，另外两只开关3和开关4连接功率变压器的次级的另一端。从而巧妙的使用一套电路，实现输出电压正负极性转换输出。开关1和开关3组成联动转换开关组1，开关2和开关4组成联动转换开关组2，通过输出正负极性自动转换控制部分驱动联动转换开关组1和联动转换开关组2分别动作来切换输出电压的正负极性。

与现有技术相比，本发明具有以下改进效果：

1、由于本发明电源是在一套直流开关电源为基础之上所设计的，而以往常用的方案是采用一套正直流电源和一套负直流进行选择性极性转换。因此本设计相比之前的其他电源方案，在体积小、效率高等方面有明显的改进。

2、本发明电源采用全铝密封机壳，表面进行拉丝氧化处理，外观漂亮，耐用。直接将功率器件固定接触在铝机壳表面进行散热，省去使用常规的散热片结构，节省了体积，降低了成本。同时采用铝机壳全身导电性能，实现了方便的接地，而且很好地实现了抗干扰功能。

3、本发明电源全铝机壳内部按照两块电路板功能划分了两个独立物理上分开的腔体，隔离了两块电路板，抑制了二者的互相干扰。

4、本发明的直流电压输出转换控制电路采用互锁控制电路，在电源工作输出电压时自锁保持；在电源待机输出电压停止时，可以进行输出电压极性反转设置。

5、本发明的直流电压输出极性转换控制电路采用了具有记忆功能的电路工作原理，通过设置电压输出启停控制信号高电位可以实现输出电压极性连续循环往返交替转换。

6、本发明的直流电压输出转换开关电路控制输出功率变压器次级两端，通过四只高压开关同时切换进行输出极性转换。可以只用到一套基本直流开关电源电路方案即可实现输出直流电压输出极性转换。

7、本发明所设计的电源输出电压要达到1000V，为了保证电源安全可靠的运行，功率变压器与转换开关进行了特殊的绝缘处理，从而使得二者耐压可以达到2000V以上。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图1中：1、底壳、2、上电指示LED绿灯、3、高压指示LED红灯、4、功率电路板、5、中间层隔板、6、输入10脚接插件接线端子、7、控制电路板、8、上盖、9、输出高压接线端子排、10、保险丝盒。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行具体说明。

如图 1 所示 , 一种输出正负极性自动转换±1KV直流开关电源如附图所示由电源机壳和电路两大部分组成，其中电源电路部分包括功率变换电路、全波整流、输出正负极性转换和控制电路等部分组成。所述的电源机壳包括底壳1、中间层隔板5、上盖8、保险丝盒10、输出高压接线端子排9，上电指示LED绿灯2和高压指示LED红灯3。所述机壳底壳1分别与中间层隔板5和上盖8采用螺钉连接固定，控制电路板7通过螺钉连接固定在中间层隔板5上，功率电路板4通过螺钉连接固定在底壳1底面，底壳1起到总体的支承作用；电源机壳通体采用铝合金表面拉丝和阳极氧化处理，所有功率器件通过螺钉连接固定在机壳表面之上，通过机壳表面进行散热，同时，电源机壳所有组件通过螺钉连接固定从而保证电气连接，通过机壳接大地。电源底壳1前面板通过螺钉连接固定保险丝盒10，电源底壳1前面板预留长方形孔探出焊接在控制电路板上的输入10脚接插件接线端子6，上电指示LED绿灯2、高压指示LED红灯3通过螺钉连接固定在底壳1前面板上。电源底壳1后面板通过螺钉连接固定耐高压接线端子排9，功率电路板4上的输出电压节点通过电缆线焊接连接高压接线端子排9。底壳1后面板耐高压接线端子排9第一脚为接大地端子，将大地线固定其上，从而保证电压机壳全身和内部电路安全连接大地。所述的电源电路部分由两块电路板组成：控制电路板7和功率电路板4。所述控制电路包括电压压输出启停部分，稳压调节部分、限流调节部分、电压测量部分、电流测量部分、给定电压部分、过压保护自锁部分、过流保护自锁部分、电压输出显示部分、电流输出显示部分、PWM控制部分和输出极性自动转换控制部分。功率电路板包括单端功率变换部分、功率变压器部分、输出整流部分、输出直流高压采样部分、输出直流电流采样部分和输出电压正负极性切换部分。输出直流高压和电流由功率电路板采样电路部分采集反馈直流电压值和电流值，输入到电压测量部分和电流测量部分进行电压变换归一化处理，一部送到电压输出显示部分和电流输出显示部分，用于输出电压和电流的监测和显示；另一部分输入到调压稳压部分和稳流部分再经过PWM控制部分进行输出电压和电流的稳定性调节。PWM控制部分产生的占空比可变的方波信号去控制功率管驱动功率变压器，经过单端功率变换部分、功率变压器部分、输出整流部分、输出根据需要设置的直流高压值。除去这些功率流的主回路部分，其它的辅助电路包括DC12V送电，电源指示绿色LED灯点亮，电压输出启停信号控制电源工作输出电压启动，高电平控制电压指示灯红色LED灯点亮，开始电压输出。低电平控制电压指示灯红色LED灯熄灭，切断电压输出。电压输出启停信号为低电平时才能够自动交替变换输出电压极性控制信号。电压输出启停信号为低电平时输出电压极性转换开关才能进行切换动作。本发明工作时，各组成部分的工作原理如下：接上DC12V电源，通过其上的保险丝给电源内部电路供电，电源上电指示绿色LED灯亮。这是才可以进行电源功能操作。输入的DC12V电源经过反转开关稳压电路产生-12V，与此同时，输入的DC12V电源又经过内部稳压电路产生+5V的基准电源，而产生的±12V则形成内部控制电路工作所需的辅助电源。电压输出启停信号控制电源工作输出电压，在待机停止工作期间，该端口被设置为低电平，这时电压指示灯红色LED灯熄灭，切断电压输出。根据实际应用设置好输出电源的正负极性，然后根据实际应用设置给定电压，其中给定电压0~10V对应输出直流电压0 ~ ±1000V。将电压输出启停信号设置为高电平，开始电压输出，这时电压指示灯红色LED灯点亮，同时开始输出直流电压，电压指示灯红色LED灯的亮度会随着输出电压的升高而变得越来越亮。输出的直流电压通过电压采样电路进行采样；输出的直流电流通过电流采样电路进行采样。电压采样值通过电压转换电路处理生成电压采样归一化电压值，0 ~ ±1000V对应0~10V，电流采样值通过电压转换电路处理生成电流采样归一化电压值，0 ~ 5MA对应0~10V。电压采样归一化电压值输入到输出电压显示电路进行放大提高带载能力，驱动后级的电压显示监测电路；电流采样归一化电压值输入到输出电流显示电路进行放大提高带载能力，驱动后级的电流显示监测电路。同时电压采样归一化电压值输入稳压调节环路；电流采样归一化电压值输入电限流调节定环路，进行共同调整处理，输入到PWM调节电路，输出占空比可调的控制方波，来驱动控制功率管，控制功率管带动功率变压器初级工作，进行能量变送，输出到变压器次级，在变压器输出次级得到的高压波形通过后级的整流滤波生成直流电压波形，再经过输出电压极性转换开关，最终通过电缆输出到负载上。稳压调节环路可以根据输入的设定电压0~10V与电压采样电路得到的电压值进行比较，对输出的直流电压进行控制，从而保证在输入电压和负载变化的情况下，仍然可以保持稳定输出的直流电压。而且，可以通过改变设定电压0~10V，任意设定输出的直流电压0 ~ ±1000V。限流调节环路可以根据输入的内部参考电压10V与电流采样电路得到的电压值进行比较，对输出的直流电流进行控制，从而保证在输入电压和负载变化的情况下，特别是恶劣和极端的工作情况下，如过载和短路时，限制电源输出的直流电流在5MA。保护电源不会因为过载和短路而烧毁。输出正负极性自动转换控制部分与电压输出启停部分互锁控制，当电压输出启停控制信号设置为高电平时，电压输出启动，这时输出正负极性自动转换控制部分闭锁，无法控制输出正负极性自动转换功能；当电压输出启停控制信号设置为低电平时，电压输出停止，这时输出正负极性自动转换控制部分解锁，输出正负极性自动反转，由正极转换为负极性输出或由负极转换为正极性输出。此输出正负极性转换自动跟随电压输出启停控制信号高电平跳变连续循环往复正负交替改变。输出正负极性转换由开关1、开关2、开关3和开关4四只开关组成，其中的两只开关1和开关2连接功率变压器的次级的一端；同时，另外两只开关3和开关4连接功率变压器的次级的另一端。从而巧妙的使用一套电路，实现输出电压正负极性转换输出。开关1和开关3组成联动转换开关组1，开关2和开关4组成联动转换开关组2，通过输出正负极性自动转换控制部分驱动联动转换开关组1和联动转换开关组2分别动作来切换输出电压的正负极性。

Claims (5)

1.一种输出正负极性自动转换±1KV直流开关电源,其特性在于:由电源机壳和电路两大部分组成，其中电源电路部分包括功率变换电路、全波整流、输出正负极性转换和控制电路等部分组成。

2.根据权利要求1所述的一种输出正负极性自动转换±1KV直流开关电源,其特征在于:电源机壳包括底壳、中间层隔板、上盖、保险丝盒、输出高压接线端子排，上电指示LED绿灯和高压指示LED红灯。

3.根据权利要求1所述的一种输出正负极性自动转换±1KV直流开关电源,其特征在于:电源机壳包括底壳、中间层隔板、上盖、保险丝盒、输出高压接线端子排，上电指示LED绿灯和高压指示LED红灯,所述机壳底壳分别与中间层隔板和上盖采用螺钉连接固定，控制电路板通过螺钉连接固定在中间层隔板上，功率电路板通过螺钉连接固定在底壳底面，底壳起到总体的支承作用；电源机壳通体采用铝合金表面拉丝和阳极氧化处理，所有功率器件通过螺钉连接固定在机壳表面之上，通过机壳表面进行散热，同时，电源机壳所有组件通过螺钉连接固定从而保证电气连接，通过机壳接大地,电源底壳前面板通过螺钉连接固定保险丝盒，电源底壳前面板预留长方形孔探出焊接在控制电路板上的输入脚接插件接线端子，上电指示LED绿灯、高压指示LED红灯通过螺钉连接固定在底壳前面板上,电源底壳后面板通过螺钉连接固定耐高压接线端子排，功率电路板上的输出电压节点通过电缆线焊接连接高压接线端子排,底壳后面板耐高压接线端子排第一脚为接大地端子，将大地线固定其上，从而保证电压机壳全身和内部电路安全连接大地。

4.根据权利要求1所述的一种输出正负极性自动转换±1KV直流开关电源,其特征在于:电源机壳包括底壳、中间层隔板、上盖、保险丝盒、输出高压接线端子排，上电指示LED绿灯和高压指示LED红灯,所述的电源电路部分由两块电路板组成：控制电路板和功率电路板,所述控制电路包括电压压输出启停部分，稳压调节部分、限流调节部分、电压测量部分、电流测量部分、给定电压部分、过压保护自锁部分、过流保护自锁部分、电压输出显示部分、电流输出显示部分、PWM控制部分和输出极性自动转换控制部分,功率电路板包括单端功率变换部分、功率变压器部分、输出整流部分、输出直流高压采样部分、输出直流电流采样部分和输出电压正负极性切换部分。

5.根据权利要求1所述的一种输出正负极性自动转换±1KV直流开关电源,其特征在于:电源机壳包括底壳、中间层隔板、上盖、保险丝盒、输出高压接线端子排，上电指示LED绿灯和高压指示LED红灯,输出直流高压和电流由功率电路板采样电路部分采集反馈直流电压值和电流值，输入到电压测量部分和电流测量部分进行电压变换归一化处理，一部送到电压输出显示部分和电流输出显示部分，用于输出电压和电流的监测和显示；另一部分输入到调压稳压部分和稳流部分再经过PWM控制部分进行输出电压和电流的稳定性调节,PWM控制部分产生的占空比可变的方波信号去控制功率管驱动功率变压器，经过单端功率变换部分、功率变压器部分、输出整流部分、输出根据需要设置的直流高压值,除去这些功率流的主回路部分，其它的辅助电路包括DC12V送电，电源指示绿色LED灯点亮，电压输出启停信号控制电源工作输出电压启动，高电平控制电压指示灯红色LED灯点亮，开始电压输出,低电平控制电压指示灯红色LED灯熄灭，切断电压输出,电压输出启停信号为低电平时才能够自动交替变换输出电压极性控制信号,电压输出启停信号为低电平时输出电压极性转换开关才能进行切换动作。