CN108306528A - 高压充电电源装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高压充电电源装置，包括输入整流滤波电路、交错升压电路、BUCK降压电路及采样控制芯片；所述输入整流滤波电路的输入端连接电源，其输出端连接所述交错升压电路的输入端，所述输入整流滤波电路的输入检测端连接所述采样控制芯的输入采样端；所述交错升压电路的输出端分别连接所述BUCK降压电路的输入端和所述采样控制芯片的检测端，其控制端连接所述采样控制芯的升压控制端；所述BUCK降压电路的输出端分别连接负载和所述采样控制芯片的输出采样端，其控制端连接所述采样控制芯片的BUCK控制端。输入电压和输出电压不隔离，也能高压输出过压、限流、短路时及时有效的保护。

Description

高压充电电源装置
技术领域
本发明涉及电源技术领域，尤其涉及一种高压充电电源装置。
背景技术
高压电源是一种复杂的电源转换电路，能将较低的电压转换为一个更高的电压，高压电源在电源领域中属于特种电源，它的应用使非常广泛的，主要应用在高压充放电类。高压电源可通过直流或交流输入电压进行工作，对于低功率应用(1瓦至125瓦)，直流输入电压更为经济实用，典型的直流输入电压为直流+12V和直流+24V，交流输入高压电源可以通过从交流100V至交流480V的多种输入电压范围进行工作，而功率因数校正PFC电路输入高压电源无需用户干预就可以在交流90V到275V的情况下工作。
发明人在实施本发明时，发现目前高压充电电源装置普遍选用输入电压和输出电压隔离的方案，大功率的高压充电电源装置都是采用功率因数矫正PFC电路加全桥谐振LLC电路或全桥移相电路，通过变压器隔离再输出整流滤波这样的工作拓扑模式，才能做到当高压输出过压、限流和短路等情况下，及时做到保护，关闭输出，保护高压充电电源装置不会损坏。使用这种方案的高压充电电源装置整机效率为两级效率相乘，总效率偏低，两级电路分别控制驱动，电路复杂，元器件数量多，可靠性低，成本高。这种高压充电电源装置的故障率一直高居不下。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种输入电压和输出电压不隔离的高压充电电源装置，能有效做到高压输出过压、限流、短路时及时有效的保护，关闭输出，电路简单，元器件数量少，可靠性高，整机效率高、成本较低、体积小、轻便可靠。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种高压充电电源装置包括输入整流滤波电路、交错升压电路、BUCK降压电路及采样控制芯片；
所述输入整流滤波电路的输入端连接电源，所述输入整流滤波电路的输出端连接所述交错升压电路的输入端，所述输入整流滤波电路的输入检测端连接所述采样控制芯的输入采样端；
所述交错升压电路的输出端分别连接所述BUCK降压电路的输入端和所述采样控制芯片的检测端，所述交错升压电路的控制端连接所述采样控制芯的升压控制端；
所述BUCK降压电路的输出端分别连接负载和所述采样控制芯片的输出采样端，所述BUCK降压电路的控制端连接所述采样控制芯片的BUCK控制端。
在其中一个实施例中，所述输入整流滤波电路包括输入EMI电路和整流滤波电路；
所述输入EMI电路的输入端连接所述输入整流滤波电路的输入端，所述输入EMI电路的输出端分别连接所述整流滤波电路的输入端和所述输入整流滤波电路的输入检测端；
所述整流滤波电路的输出端连接所述输入整流滤波电路的输出端。
在其中一个实施例中，所述交错升压电路包括第一电感、第二电感、第一开关管、第二开关管、第一二极管、第二二极管、第一电容和第二电容；
所述交错升压电路的输入端包括正极输入端和负极输入端；
所述交错升压电路的输出端包括正极输出端和负极输出端；
所述交错升压电路的正极输入端分别连接所述第一电感的一端和所述第二电感的一端，所述交错升压电路的正极输出端分别连接所述第一二极管的负极、所述第二二极管的负极和所述第一电容的一端，所述交错升压电路的负极输出端连接所述第二电容的一端；
所述第一电感的另一端分别连接所述第一开关管的输入端和所述第一二极管的正极；
所述第二电感的另一端分别连接所述第二开关管的输入端和所述第二二极管的正极；
所述第一开关管的控制端连接所述交错升压电路的控制端，所述第一开关管的输出端连接所述交错升压电路的负极输出端；
所述第二开关管的控制端连接所述交错升压电路的控制端，所述第二开关管的输出端连接所述交错升压电路的负极输入端；
所述第一电容的另一端连接所述第二电容的另一端。
在其中一个实施例中，所述第一开关管为增强型N沟道场效应管；
所述第一开关管的控制端为所述增强型N沟道场效应管的栅极，所述第一开关管的输出端连接所述增强型N沟道场效应管的源极，所述第一开关管的输入端连接所述增强型N沟道场效应管的漏极。
在其中一个实施例中，所述第二开关管为增强型N沟道场效应管；
所述第二开关管的控制端为所述增强型N沟道场效应管的栅极，所述第二开关管的输出端连接所述增强型N沟道场效应管的源极，所述第二开关管的输入端连接所述增强型N沟道场效应管的漏极。
在其中一个实施例中，所述BUCK降压电路包括第三开关管、第三二极管、第三电感和第三电容；
所述BUCK降压电路的输入端包括正极输入端和负极输入端；
所述BUCK降压电路的输出端包括正极输出端和负极输出端；
所述第三开关管的输出端连接所述BUCK降压电路的负极输入端，所述第三开关管的输入端分别连接所述第三二极管的正极和所述第三电感的一端，所述第三开关管的控制端连接所述BUCK降压电路的控制端；
所述第三二极管的负极连接所述BUCK降压电路的正极输入端；
所述第三电感的另一端分别连接所述第三电容的一端和所述BUCK降压电路的负极输出端；
所述第三电容的另一端连接所述BUCK降压电路的正极输出端。
在其中一个实施例中，还包括第一采样电阻；
所述第一采样电阻连接在所述三电感的另一端与所述第三电容的一端之间。
在其中一个实施例中，所述第三二极管为增强型N沟道场效应管；
所述第三开关管的控制端为所述增强型N沟道场效应管的栅极，所述第三开关管的输出端连接所述增强型N沟道场效应管的源极，所述第三开关管的输入端连接所述增强型N沟道场效应管的漏极。
在其中一个实施例中，还包括监控电路和显示屏；
所述监控电路的输入端连接所述采样控制芯片的数据输出端，所述监控电路的输出端连接所述显示屏的输入端。
上述技术方案的一个技术方案具有如下优点：本实施例所提供的一种高压充电电源装置在第二电平直流电源大于PMOS/NMOS的最大栅源电压时，还包括第四集成MOSFET驱动器和连接在第四集成MOSFET驱动器电源端的第二电源供电电路；通过第二电源供电电路将第二电平直流电源的电平降低后再输入到第四集成MOSFET驱动器的电源端，从而使通过第四集成MOSFET驱动器电平提升后的第一电平脉冲信号连接第二NMOS的栅极时，第二NMOS的栅源电压不超过最大控制电压，保证第二NMOS的安全；本实施例可以输出高电平大于PMOS/NMOS的最大栅源电压的脉冲电源，拓宽了输出脉冲电源的范围。且当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
图1是本发明提供的高压充电电源装置的第一实施例的电路方框图；
图2是是本发明提供的高压充电电源装置的第二实施例交错升压电路的电路原理图；
图3是是本发明提供的高压充电电源装置的第三实施例BUCK降压电路的电路原理图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
参见图1，是本发明提供的高压充电电源装置的第一实施例的电路方框图。
一种高压充电电源装置，其特征在于，包括输入整流滤波电路10、交错升压电路20、BUCK降压电路30及采样控制芯片40；
所述输入整流滤波电路10的输入端连接电源，所述输入整流滤波电路10的输出端连接所述交错升压电路20的输入端，所述输入整流滤波电路10的输入检测端连接所述采样控制芯片40的输入采样端；
在本实施例中，所述输入整流滤波电路10用于把交流电能转换为直流电能的电路，将电网接来的交流电转换成单向脉动性直流电，这就是交流电的整流过程，而整流电路主要由整流二极管组成，经过整流电路之后的电压已经不是交流电压，而是一种含有直流电压和交流电压的混合电压。
优选地，所述输入整流滤波电路10包括输入EMI电路11和整流滤波电路12；
所述输入EMI电路11的输入端连接所述输入整流滤波电路10的输入端，所述输入EMI电路11的输出端分别连接所述整流滤波电路12的输入端和所述输入整流滤波电路10的输入检测端；
在本实施例中，所述输入EMI电路11为防电磁干扰，具防雷防浪涌功能。针对输入电流谐波和自身的传导辐射干扰，采用电源滤波器和两级LC滤波电路，使电源系统在干净的电网环境下更能稳定工作，本发明对此不作具体限定。
所述整流滤波电路12的输出端连接所述输入整流滤波电路10的输出端。
在本实施例中，所述整流滤波电路12中整流电路可为半波整流电路、全波整流电路或桥式整流，本发明实施例对此不作具体限定。
所述交错升压电路20的输出端分别连接所述BUCK降压电路30的输入端和所述采样控制芯片40的检测端，所述交错升压电路20的控制端连接所述采样控制芯片40的升压控制端；
在本实施例中，所述交错升压电路20为交错升压PFC电路。
在本实施例中，所述交错升压电路20用于将对输入电流波形进行控制，使其同步输入电压波形，将单相交流电整流升压到550V直流电压输出。交流输入所述输入EMI电路11和所述整流滤波电路12后整流滤波，经不隔离的所述交错升压电路20，输出稳定可靠的550V直流电压。
所述BUCK降压电路30的输出端分别连接负载和所述采样控制芯片40的输出采样端，所述BUCK降压电路30的控制端连接所述采样控制芯片40的BUCK控制端。
在本实施例中，所述BUCK降压电路30是降压斩波电路，是基本的DC-DC电路之一，用于直流到直流的降压变换，解决续流管的导通损耗问题。
优选地，还包括监控电路50和显示屏60；
所述监控电路50的输入端连接所述采样控制芯片40的数据输出端，所述监控电路50的输出端连接所述显示屏60的输入端。
在本实施例中，所述监控电路50与所述采样控制芯片40的通信为RS232总线通信方式；RS232总线方式是使用通用的232收发器控制芯片进行数据传输。
在本实施例中，所述监控电路50与所述采样控制芯片40通信，快速的掌握所述高压充电电源装置的输出电压、输出电流、内部温度及运行状态等实时数据，而且能观察长时间所述高压充电电源装置工作状态变化情况，用户通过所述显示屏60进行实时查看，便于工作的开展。
下面对本实施例的工作原理进行描述：
所述输入整流滤波电路10将所述电源的交流电压转换成直流电压，且所述输入整流滤波电路10中的所述输入EMI电路11为防电磁干扰，具防雷防浪涌功能，将经过所述输入EMI电路11的电压通过所述整流滤波电路12进行整流滤波后输出给所述交错升压电路20，同时所述输入EMI电路11的输出电压和输出电流传输给所述采样控制芯片40，进行输入电压和输入电流的检测；所述交错升压电路20接收采样控制芯片40的升压控制信号，并根据所述升压控制信号进行两相PFC交错工作，从而实现将所述将单相交流电整流升压到稳定的直流电压输出，所述BUCK降压电路30将接收到的所述稳定的电压进行降压输出，同时所述BUCK降压电路30根据所述采样控制芯片40的BUCK控制信号进行不同的工作模式，例如，在轻载时所述BUCK降压电路30工作在PWM占空比控制方式，随着负载增加，所述BUCK降压电路30直通工作，直接输出，降低开关损耗，提高电源效率。所述BUCK降压电路30的输出电流和输出电压通过输出端连接所述采样控制芯片40的输出采样端，则所述采样控制芯片40将接收到的所述输入电压、输入电流、输出电压和输出电流进行处理，从而根据所述处理结果判定所述BUCK降压电路30的工作模式。
实施本实施例具有如下优点：
所述高压充电电源装置输入电压和输出电压不隔离，电路拓扑简单，元器件数量少，效率高，可靠性高，电源重量小，与市面上高压充电电源装置比，没有隔离功能的变压器磁性器件，整机重量小，成本低。对于客户设备正常运行提供了稳定可靠的保障。通过对输入端的电压、电流和输出端电压、电流的检测，来判定切换所述BUCK降压电路30的工作模式，以使得所述BUCK降压电路30轻载时BUCK电路工作在PWM占空比控制方式，随着负载增加，所述BUCK降压电路30直通工作，降低开关损耗，提高电源效率。
实施例二
参见图2，是本发明提供的高压充电电源装置的第二实施例交错升压电路的电路原理图。
所述交错升压电路20包括第一电感L1、第二电感L2、第一开关管Q1、第二开关管Q2、第一二极管D1、第二二极管D2、第一电容C1和第二电容C2；
所述交错升压电路20的输入端包括正极输入端和负极输入端；
所述交错升压电路20的输出端包括正极输出端和负极输出端；
所述交错升压电路20的正极输入端分别连接所述第一电感L1的一端和所述第二电感L2的一端，所述交错升压电路20的正极输出端分别连接所述第一二极管D1的负极、所述第二二极管D2的负极和所述第一电容C1的一端，所述交错升压电路20的负极输出端连接所述第二电容C2的一端；
所述第一电感L1的另一端分别连接所述第一开关管Q1的输入端和所述第一二极管D1的正极；
所述第二电感L2的另一端分别连接所述第二开关管Q2的输入端和所述第二二极管D2的正极；
所述第一开关管Q1的控制端连接所述交错升压电路20的控制端，所述第一开关管Q1的输出端连接所述交错升压电路20的负极输出端；
所述第二开关管Q2的控制端连接所述交错升压电路20的控制端，所述第二开关管Q2的输出端连接所述交错升压电路20的负极输入端；
所述第一电容C1的另一端连接所述第二电容C2的另一端。
在本实施例中，所述交错升压电路20为交错升压PFC电路。
在本实施例中，所述交错升压PFC是恒流模式(constant current mode)控制，两相交错180°工作，所述采样控制芯片40输出相位差180°的不同PWM，以使得所述交错升压电路20中的两相PFC交错工作，提高了工作周期，而使用两相PFC交错的最大优点在于，可最大限度的提高PFC效率，降低损耗，使MOS管发热更分散，散热变得简单。可极大降低母线高压电解电容纹波，减小高压电解电容容量配置。另外，这种PWM交叉工作能降低输入和输出的纹波电流，较小的噪声干扰，可减小EMI滤波器件，节省空间，从而实现高功率密度，高PF值，高效率，快速的动态响应，低THD的电源设计，重量轻，体积小，便于携带，提升工作频率，提高工作效率，减小高压纹波的功能。
优选地，所述第一开关管Q1为增强型N沟道场效应管；
所述第一开关管Q1的控制端为所述增强型N沟道场效应管的栅极，所述第一开关管Q1的输出端连接所述增强型N沟道场效应管的源极，所述第一开关管Q1的输入端连接所述增强型N沟道场效应管的漏极。
优选地，所述第二开关管Q2为增强型N沟道场效应管；
所述第二开关管Q2的控制端为所述增强型N沟道场效应管的栅极，所述第二开关管Q2的输出端连接所述增强型N沟道场效应管的源极，所述第二开关管Q2的输入端连接所述增强型N沟道场效应管的漏极。
需要说明的是，所述第一开关管Q1和第二开关管Q2仅以增强型N沟道场效应管为例进行描述，还可以替换为三极管、场效应管、IGBT、晶闸管等三端控制器件或其派生器件。
实施本实施例具有如下优点：
所述交错升压电路20使用两相PFC交错，而两相PFC交错的最大优点在于，可最大限度的提高PFC效率，降低损耗，使MOS管发热更分散，散热变得简单。可极大降低母线高压电解电容纹波，减小高压电解电容容量配置。另外，这种PWM交叉工作能降低输入和输出的纹波电流，较小的噪声干扰，可减小EMI滤波器件，节省空间，从而提高实现高功率密度，高PF值，高效率，快速的动态响应，低THD的电源设计，重量轻，体积小，便于携带。
实施例三
参见图3，是本发明提供的高压充电电源装置的第三实施例BUCK降压电路的电路原理图。
所述BUCK降压电路30包括第三开关管Q3、第三二极管D3、第三电感L3和第三电容C3；
所述BUCK降压电路30的输入端包括正极输入端和负极输入端；
所述BUCK降压电路30的输出端包括正极输出端和负极输出端；
所述第三开关管Q3的输出端连接所述BUCK降压电路30的负极输入端，所述第三开关管Q3的输入端分别连接所述第三二极管D3的正极和所述第三电感L3的一端，所述第三开关管Q3的控制端连接所述BUCK降压电路30的控制端；
所述第三二极管D3的负极连接所述BUCK降压电路30的正极输入端；
所述第三电感L3的另一端分别连接所述第三电容L3的一端和所述BUCK降压电路30的负极输出端；
所述第三电容L3的另一端连接所述BUCK降压电路30的正极输出端。
优选地，还包括第一采样电阻R1；
所述第一采样电阻R1连接在所述第三电感的另一端与所述第三电容C3的一端之间。
优选地，所述第三二极管D3为增强型N沟道场效应管；
所述第三开关管Q3的控制端为所述增强型N沟道场效应管的栅极，所述第三开关管Q3的输出端连接所述增强型N沟道场效应管的源极，所述第三开关管Q3的输入端连接所述增强型N沟道场效应管的漏极。
在本实施例中，反向连接的所述BUCK降压电路30很好的解决短路保护问题。反向连接的所述BUCK降压电路30，所述第三开光管Q3的驱动控制无需隔离驱动，可以直接在低压端驱动，电流采样控制也无需霍尔器件隔离，可直接用电流采样电阻差分采样放大控制。当电流小于2A输出时降压电路占空比控制输出，最大占空比到达95％，随着电流增大，降压电路直通输出。
需要说明的是，BUCK电路正向连接，需隔离悬空高压驱动，需解决高压侧二次电源和驱动问题，对驱动电路提出了更高的要求，而在本实施例中，通过将所述BUCK降压电路30中的所述第三开关管Q3反接，能实现低压驱动。
需要说明的是，所述第三开关管Q3仅以增强型N沟道场效应管为例进行描述，还可以替换为IGBT、晶闸管等三端控制器件或其派生器件。
实施本实施例具有如下优点：
解决了高压输出限流和短路保护的问题，反向连接的所述BUCK降压电路30很好的解决短路保护问题，反向连接的所述BUCK降压电路30，所述第三开关管Q3的驱动控制无需隔离驱动，可以直接在低压端驱动，电流采样控制也无需霍尔器件隔离，可直接用所述第一采样电阻R1差分采样放大控制，当电流小于2A输出时降压电路占空比控制输出，最大占空比到达95％，随着电流增大，降压电路直通输出。从而实现了轻载时所述BUCK降压电路30工作在PWM占空比控制方式，随着负载增加，所述BUCK降压电路30直通工作，降低开关损耗，提高电源效率。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种高压充电电源装置，其特征在于，包括输入整流滤波电路、交错升压电路、BUCK降压电路及采样控制芯片；
所述输入整流滤波电路的输入端连接电源，所述输入整流滤波电路的输出端连接所述交错升压电路的输入端，所述输入整流滤波电路的输入检测端连接所述采样控制芯的输入采样端；
所述交错升压电路的输出端分别连接所述BUCK降压电路的输入端和所述采样控制芯片的检测端，所述交错升压电路的控制端连接所述采样控制芯的升压控制端；
所述BUCK降压电路的输出端分别连接负载和所述采样控制芯片的输出采样端，所述BUCK降压电路的控制端连接所述采样控制芯片的BUCK控制端。
2.如权利要求1所述的高压充电电源装置，其特征在于，所述输入整流滤波电路包括输入EMI电路和整流滤波电路；
所述输入EMI电路的输入端连接所述输入整流滤波电路的输入端，所述输入EMI电路的输出端分别连接所述整流滤波电路的输入端和所述输入整流滤波电路的输入检测端；
所述整流滤波电路的输出端连接所述输入整流滤波电路的输出端。
3.如权利要求1所述的高压充电电源装置，其特征在于，所述交错升压电路包括第一电感、第二电感、第一开关管、第二开关管、第一二极管、第二二极管、第一电容和第二电容；
所述交错升压电路的输入端包括正极输入端和负极输入端；
所述交错升压电路的输出端包括正极输出端和负极输出端；
所述交错升压电路的正极输入端分别连接所述第一电感的一端和所述第二电感的一端，所述交错升压电路的正极输出端分别连接所述第一二极管的负极、所述第二二极管的负极和所述第一电容的一端，所述交错升压电路的负极输出端连接所述第二电容的一端；
所述第一电感的另一端分别连接所述第一开关管的输入端和所述第一二极管的正极；
所述第二电感的另一端分别连接所述第二开关管的输入端和所述第二二极管的正极；
所述第一开关管的控制端连接所述交错升压电路的控制端，所述第一开关管的输出端连接所述交错升压电路的负极输出端；
所述第二开关管的控制端连接所述交错升压电路的控制端，所述第二开关管的输出端连接所述交错升压电路的负极输入端；
所述第一电容的另一端连接所述第二电容的另一端。
4.如权利要求3所述的高压充电电源装置，其特征在于，所述第一开关管为增强型N沟道场效应管；
所述第一开关管的控制端为所述增强型N沟道场效应管的栅极，所述第一开关管的输出端连接所述增强型N沟道场效应管的源极，所述第一开关管的输入端连接所述增强型N沟道场效应管的漏极。
5.如权利要求1述的高压充电电源装置，其特征在于，所述第二开关管为增强型N沟道场效应管；
所述第二开关管的控制端为所述增强型N沟道场效应管的栅极，所述第二开关管的输出端连接所述增强型N沟道场效应管的源极，所述第二开关管的输入端连接所述增强型N沟道场效应管的漏极。
6.如权利要求1述的高压充电电源装置，其特征在于，所述BUCK降压电路包括第三开关管、第三二极管、第三电感和第三电容；
所述BUCK降压电路的输入端包括正极输入端和负极输入端；
所述BUCK降压电路的输出端包括正极输出端和负极输出端；
所述第三开关管的输出端连接所述BUCK降压电路的负极输入端，所述第三开关管的输入端分别连接所述第三二极管的正极和所述第三电感的一端，所述第三开关管的控制端连接所述BUCK降压电路的控制端；
所述第三二极管的负极连接所述BUCK降压电路的正极输入端；
所述第三电感的另一端分别连接所述第三电容的一端和所述BUCK降压电路的负极输出端；
所述第三电容的另一端连接所述BUCK降压电路的正极输出端。
7.如权利要求6所述的高压充电电源装置，其特征在于，还包括第一采样电阻；
所述第一采样电阻连接在所述三电感的另一端与所述第三电容的一端之间。
8.如权利要求6述的高压充电电源装置，其特征在于，所述第三二极管为增强型N沟道场效应管；
所述第三开关管的控制端为所述增强型N沟道场效应管的栅极，所述第三开关管的输出端连接所述增强型N沟道场效应管的源极，所述第三开关管的输入端连接所述增强型N沟道场效应管的漏极。
9.如权利要求1所述的高压充电电源装置，其特征在于，还包括监控电路和显示屏；
所述监控电路的输入端连接所述采样控制芯片的数据输出端，所述监控电路的输出端连接所述显示屏的输入端。
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