CN108306530A - 一种用于提高输出电压范围的调节装置及调节方法 - Google Patents

一种用于提高输出电压范围的调节装置及调节方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于提高输出电压范围的调节装置及调节方法，该装置包括有源功率因数校正电路、半桥电路、谐振电路、第一单片机及第二单片机；其中，第二单片机用于调节输出电压，第一单片机用于调节母线电压；该方法包括如下步骤：将输入电压依次通过上述电路，第二单片机根据当前采样获得的输出电压与用户设置电压的比较结果调节输出电压，第一单片机根据获得的母线电压与电压基准值的比较结果调节母线电压。本发明创新地采用输出电压的前后级数字控制及串行通信等技术方案，其具有输出电压范围更宽、工作更可靠、适用范围更广等优点，本发明还具有可靠性高、适用性强以及调试性强等突出优点。

Description

一种用于提高输出电压范围的调节装置及调节方法
技术领域
本发明涉及直流稳压电源技术领域，更为具体来说，本发明为一种用于提高输出电压范围的调节装置及调节方法。
背景技术
通用直流稳压电源系统是一种用于将输入高压电转变为低压大电流输出的电能转换装置，可实际应用过程中涉及的负载种类往往较多，不同种类的负载对输出电压的要求往往也不相同。但是，现有的通用直流稳压电源系统提供的输出电压范围较小，对于多种不同的负载来说，需要提供多种具有不同输出电压范围的直流稳压电源，必须要投入更多的设备成本，在负载种类较多时，单一种类的直流稳压电源系统无法满足需求。
因此，如何有效地提高直流稳压电源系统的输出电压范围、使得单一种类的直流稳压电源系统满足更多种类负载需求，成为了本领域技术人员亟待解决的技术问题和始终研究的重点。
发明内容
为解决现有通用直流稳压电源系统提供的输出电压范围较小的问题，本发明创新地提供了一种用于提高输出电压范围的调节装置及调节方法，通过基于数字串行通信的有源功率因数校正电路与谐振电路的两级协同宽范围输出电压调节的方式，实现对通用直流稳压电源输出电压的宽范围调节，以解决现有技术中存在的诸多问题，比如，本发明可对120A通用直流稳压电源输出电压进行宽范围调节。
为实现上述的技术目的，本发明公开了具体公开了一种用于提高输出电压范围的调节装置，所述调节装置包括有源功率因数校正电路、半桥电路、谐振电路、第一单片机以及第二单片机，所述有源功率因数校正电路、所述半桥电路、所述谐振电路依次连接，输入电压接入所述有源功率因数校正电路，所述有源功率因数校正电路输出母线电压，所述母线电压接入所述半桥电路后通入所述谐振电路，所述谐振电路向负载提供输出电压；所述第二单片机用于根据用户设置电压和当前采样获得的输出电压调节输出电压，所述第一单片机用于根据接收的第二单片机发出的用户设置电压信息和当前采样获得的母线电压调节母线电压；所述第二单片机与所述第一单片机之间通过串行通信方式连接。
本发明在半桥电路、谐振电路前加一级有源功率因数校正电路，采用有源功率因数校正电路与半桥电路、谐振电路进行联合调压，并通过数字控制方式及串行通信手段，协同控制母线电压和后级输出电压，从而有效解决现有技术存在调压范围窄的问题，实现直流稳压电源输出电压在负载需求范围内可调。
进一步地，所述半桥电路包括第一开关管和第二开关管，第一开关管的源极与第二开关管的漏极连接，第一开关管的漏极和第二开关管的源极对应地连接母线电压的正极和负极，第二开关管的源极和漏极接入所述谐振电路中；且所述第二单片机向第一开关管的栅极、第二开关管的栅极发送驱动信号，从而调节输出电压。
进一步地，所述有源功率因数校正电路包括依次串联于输入侧正负极两端的电感和第三开关管，在所述第三开关管漏极和源极之间依次串联有二极管和电容，所述有源功率因数校正电路还包括与所述电容并联的电阻；所述第一单片机向第三开关管的栅极发送控制信号，从而调节母线电压。
进一步地，所述调节装置还包括整流电路，所述整流电路包括三组相并联的二极管组，且二极管组的两端分别连接所述电感的一端、所述第三开关管源极，二极管组包括两个串联的二极管，且两个串联的二极管之间的连接点用于接入供电电源，供电电源的形式为三相交流、单相交流、直流中的任一种。
基于上述改进的技术方案，本发明还具有适用范围广的优点，对三相交流、单相交流、直流中任一种供电电源形式，本发明都能够对输出电压范围进行有效的调节。
进一步地，所述第一单片机的型号为ATMega88，所述第二单片机的型号为STM32F103。
进一步地，所述谐振电路的输出端还依次连接有变压器和全波整流电路，且所述变压器一端与谐振电路连接、另一端与全波整流电路连接，所述全波整流电路包括两个分别与变压器输出端连接的整流管。
为实现上述的技术目的，本发明还公开了一种利用上述调节装置提高输出电压范围的调节方法，所述调节方法包括如下步骤，
步骤1，使输入电压依次通过有源功率因数校正电路、半桥电路以及谐振电路，通过谐振电路向负载提供输出电压；
步骤2，通过第二单片机对谐振电路输出电压进行采样，将当前采样获得的输出电压与用户设置电压进行比较，从而得到第一比较结果；第二单片机根据第一比较结果调节输出电压，并且向第一单片机发送用户设置电压信息；
步骤3，第一单片机通过成功接收的用户设置电压信息确定电压基准值，且第一单片机对母线电压进行采样，将当前采样获得的母线电压与电压基准值进行比较，从而得到第二比较结果，第一单片机根据第二比较结果调节母线电压。
本发明采用前后级数字控制和串行通信方式，通过协同调节前级输出母线电压和后级输出电压，有效解决现有通用直流稳压电源系统后级调压范围窄的问题，从而实现了电源系统输出电压的宽范围调节，以使电源在负载需求范围内可调。
进一步地，步骤2中，所述第一比较结果为：输出电压高于用户设置电压或输出电压低于用户设置电压；如果输出电压高于用户设置电压，则第二单片机提高向第一开关管和第二开关管发送的驱动信号的频率，从而提高第一开关管和第二开关管的开关频率，以降低输出电压；如果输出电压低于用户设置电压，则第二单片机降低向第一开关管和第二开关管发送的驱动信号的频率，从而降低第一开关管和第二开关管的开关频率，以提高输出电压。
进一步地，步骤3中，第二比较结果为：当前母线电压大于电压基准值或当前母线电压小于电压基准值；如果当前母线电压大于电压基准值，则第一单片机降低向第三开关管发送的控制信号的占空比；如果当前母线电压小于电压基准值，则第一单片机提高向第三开关管发送的控制信号的占空比。
进一步地，步骤1中，当输入电压为三相交流输入电压或单相交流输入电压时，所述有源功率因数校正电路对三相交流输入信号或单相交流输入信号进行交流-直流变换处理。
本发明的有益效果为：本发明创新地采用输出电压的前后级数字控制及串行通信等技术方案，具有输出电压范围更宽、工作更可靠、适用范围更广等优点，本发明还具有可靠性高、适用性强以及调试性强等突出优点。
附图说明
图1为有源功率因数校正电路的结构示意图及其数字控制原理图。
图2为半桥电路、谐振电路的电路结构示意图。
图3为半桥电路的数字控制原理图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明用于提高输出电压范围的调节装置及调节方法进行详细的解释和说明。
如图1、2、3所示，本发明具体公开了一种用于提高输出电压范围的调节装置及调节方法，通过两个单片机分别实现对前级有源功率因数校正电路以及后级半桥电路、谐振电路的数字控制，且两个单片机之间进行了串行通信，前级第一单片机根据后级第二单片机设定的输出电压大小调节前级Boost电路的占空比从而调节前级有源功率因数校正电路的输出母线电压；后级第二单片机调节功率开关管的开关频率，以实现对LLC电路增益的调节；最终实现前后级联合调压，实现输出电压的宽范围调节。经各项性能测试的结果显示，该电路能够满足负载对于电源系统宽范围电压输出的需求，且其控制方式可靠简单，控制范围易于调节。本发明可实现输出电压范围在26V至33V之间宽范围可调，以满足不同负载的需求；下面以两个实施例进行更为详细的说明。
实施例一：
本实施例公开了一种用于提高输出电压范围的调节装置，该调节装置包括有源功率因数校正电路、半桥电路、谐振电路、第一单片机以及第二单片机，有源功率因数校正电路、半桥电路、谐振电路依次连接，输入电压接入有源功率因数校正电路，有源功率因数校正电路输出母线电压，母线电压接入半桥电路后通入谐振电路，谐振电路向负载提供输出电压；本实施例中，如图1中所示，该有源功率因数校正电路为Boost型有源功率因数校正电路(简称为前级PFC电路)，可用于实现交流输入时的AC/DC变换，以及功率因数的校正、升压、输出稳定的高压直流；本实施例中的谐振电路(简称LLC电路)用于实现前级输出高压直流的DC/DC变换，以输出稳定的低压大电流。本实施例中，第一单片机的型号为ATMega88，第二单片机的型号为STM32F103。
第二单片机用于根据用户设置电压和当前采样获得的输出电压调节输出电压，第一单片机用于根据接收的第二单片机发出的用户设置电压信息和当前采样获得的母线电压调节母线电压；第二单片机与第一单片机之间通过串行通信方式连接。其中，如图2所示，半桥电路包括第一开关管Q1和第二开关管Q2，其驱动信号可以为50％固定占空比的互补信号，在a、b点间产生一方波电压作为谐振回路的输入，第一开关管的源极与第二开关管的漏极连接，第一开关管的漏极和第二开关管的源极对应地连接母线电压的正极和负极，第二开关管的源极和漏极接入谐振电路中，其中，该谐振电路包括电容Cr、串联电感Lr和变压器激磁电感Lm，其中，Cr既做谐振电容也起隔直电容的作用；且第二单片机向第一开关管的栅极、第二开关管的栅极发送驱动信号，改变第一开关管、第二开关管的开关频率，从而调节输出电压。
更为具体地，有源功率因数校正电路包括依次串联于输入侧正负极两端的电感和第三开关管，在第三开关管漏极和源极之间依次串联有二极管和电容，有源功率因数校正电路还包括与电容并联的电阻；第一单片机向第三开关管的栅极发送控制信号，改变驱动第三开关管的信号的占空比，从而调节母线电压。
为提高本发明的适用范围，调节装置还包括整流电路，整流电路包括三组相并联的二极管组，且二极管组的两端分别连接电感的一端、第三开关管源极，二极管组包括两个串联的二极管，且两个串联的二极管之间的连接点用于接入供电电源，供电电源的形式为三相交流、单相交流、直流中的任一种；通过整流电路可实现基于本发明设计的电源系统在三相交流、单相交流以及直流输入下通用。
另外，本发明所涉及的谐振电路的输出端还依次连接有变压器和全波整流电路，且变压器一端与谐振电路连接、另一端与全波整流电路连接，全波整流电路包括两个分别与变压器输出端连接的整流管，更为具体地，在变压器副边，同步整流管SR1和SR2组成带中心抽头的全波整流电路，输出电压经输出电容Co滤波后供负载使用。基于上述具体方案的描述，本发明涉及的用于提高输出电压范围的调节装置可理解为是一种直流稳压电源系统。
实施例二：
本实施例与实施例一基于相同的发明构思，本实施例公开了一种利用上述用于提高输出电压范围的调节装置提高输出电压范围的调节方法，如图1、2、3所示，该调节方法包括如下步骤。
步骤1，使输入电压依次通过有源功率因数校正电路、半桥电路以及谐振电路，通过谐振电路向负载提供输出电压。本实施例中，当输入电压为三相交流输入电压或单相交流输入电压时，有源功率因数校正电路还对三相交流输入信号或单相交流输入信号进行交流-直流变换处理。
步骤2，通过第二单片机对谐振电路输出电压进行采样，将当前采样获得的输出电压VO与用户设置电压进行比较，从而得到第一比较结果；第二单片机根据第一比较结果调节输出电压，并且向第一单片机发送用户设置电压信息；具体说明内容如下。
第一比较结果为：输出电压高于用户设置电压或输出电压低于用户设置电压；如果输出电压高于用户设置电压，则第二单片机提高向第一开关管和第二开关管发送的驱动信号的频率，从而提高第一开关管和第二开关管的开关频率，以降低输出电压；如果输出电压低于用户设置电压，则第二单片机降低向第一开关管和第二开关管发送的驱动信号的频率，从而降低第一开关管和第二开关管的开关频率，以提高输出电压；如果第一比较结果为输出电压等于用户设置电压，则保持向第一开关管和第二开关管发送的驱动信号的频率、不作调节。具体实施时，可通过PI算法调节第一、第二功率开关管的驱动频率。
步骤3，第一单片机通过成功接收的用户设置电压信息确定电压基准值，电压基准值与用户设置电压之间的数据关系可根据具体电路参数确定，且第一单片机对母线电压UO进行采样，将当前采样获得的母线电压与电压基准值进行比较，从而得到第二比较结果，第一单片机根据第二比较结果调节母线电压，使母线电压UO维持在650V～750V之间稳定输出，具体内容如下。
第二比较结果为：当前母线电压大于电压基准值Uref或当前母线电压小于电压基准值Uref；如果当前母线电压大于电压基准值，则第一单片机降低向第三开关管发送的控制信号的占空比；如果当前母线电压小于电压基准值，则第一单片机提高向第三开关管发送的控制信号的占空比；如果第二比较结果为：当前母线电压等于电压基准值，则保持向第三开关管发送的控制信号的占空比、不作调节。具体实施时，可通过PI算法调节驱动第三开关管的信号的占空比。当然，在对输出电压的提高或降低时，则对母线电压进行相应的提高或降低。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。
在本说明书的描述中，参考术语“本实施例”、“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明实质内容上所作的任何修改、等同替换和简单改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于提高输出电压范围的调节装置，其特征在于：所述调节装置包括有源功率因数校正电路、半桥电路、谐振电路、第一单片机以及第二单片机，所述有源功率因数校正电路、所述半桥电路、所述谐振电路依次连接，输入电压接入所述有源功率因数校正电路，所述有源功率因数校正电路输出母线电压，所述母线电压接入所述半桥电路后通入所述谐振电路，所述谐振电路向负载提供输出电压；所述第二单片机用于根据用户设置电压和当前采样获得的输出电压调节输出电压，所述第一单片机用于根据接收的第二单片机发出的用户设置电压信息和当前采样获得的母线电压调节母线电压；所述第二单片机与所述第一单片机之间通过串行通信方式连接。
2.根据权利要求1所述的用于提高输出电压范围的调节装置，其特征在于：所述半桥电路包括第一开关管和第二开关管，第一开关管的源极与第二开关管的漏极连接，第一开关管的漏极和第二开关管的源极对应地连接母线电压的正极和负极，第二开关管的源极和漏极接入所述谐振电路中；且所述第二单片机向第一开关管的栅极、第二开关管的栅极发送驱动信号，从而调节输出电压。
3.根据权利要求2所述的用于提高输出电压范围的调节装置，其特征在于：所述有源功率因数校正电路包括依次串联于输入侧正负极两端的电感和第三开关管，在所述第三开关管漏极和源极之间依次串联有二极管和电容，所述有源功率因数校正电路还包括与所述电容并联的电阻；所述第一单片机向第三开关管的栅极发送控制信号，从而调节母线电压。
4.根据权利要求3所述的用于提高输出电压范围的调节装置，其特征在于：所述调节装置还包括整流电路，所述整流电路包括三组相并联的二极管组，且二极管组的两端分别连接所述电感的一端、所述第三开关管源极，二极管组包括两个串联的二极管，且两个串联的二极管之间的连接点用于接入供电电源，供电电源的形式为三相交流、单相交流、直流中的任一种。
5.根据权利要求4所述的用于提高输出电压范围的调节装置，其特征在于：所述第一单片机的型号为ATMega88，所述第二单片机的型号为STM32F103。
6.根据权利要求5所述的用于提高输出电压范围的调节装置，其特征在于：所述谐振电路的输出端还依次连接有变压器和全波整流电路，且所述变压器一端与谐振电路连接、另一端与全波整流电路连接，所述全波整流电路包括两个分别与变压器输出端连接的整流管。
7.一种利用权利要求3-6中任一权利要求所述的调节装置提高输出电压范围的调节方法，其特征在于：所述调节方法包括如下步骤，
步骤1，使输入电压依次通过有源功率因数校正电路、半桥电路以及谐振电路，通过谐振电路向负载提供输出电压；
步骤2，通过第二单片机对谐振电路输出电压进行采样，将当前采样获得的输出电压与用户设置电压进行比较，从而得到第一比较结果；第二单片机根据第一比较结果调节输出电压，并且向第一单片机发送用户设置电压信息；
步骤3，第一单片机通过成功接收的用户设置电压信息确定电压基准值，且第一单片机对母线电压进行采样，将当前采样获得的母线电压与电压基准值进行比较，从而得到第二比较结果，第一单片机根据第二比较结果调节母线电压。
8.根据权利要求7所述的用于提高输出电压范围的调节方法，其特征在于：
步骤2中，所述第一比较结果为：输出电压高于用户设置电压或输出电压低于用户设置电压；如果输出电压高于用户设置电压，则第二单片机提高向第一开关管和第二开关管发送的驱动信号的频率，从而提高第一开关管和第二开关管的开关频率，以降低输出电压；如果输出电压低于用户设置电压，则第二单片机降低向第一开关管和第二开关管发送的驱动信号的频率，从而降低第一开关管和第二开关管的开关频率，以提高输出电压。
9.根据权利要求8所述的用于提高输出电压范围的调节方法，其特征在于：
步骤3中，第二比较结果为：当前母线电压大于电压基准值或当前母线电压小于电压基准值；如果当前母线电压大于电压基准值，则第一单片机降低向第三开关管发送的控制信号的占空比；如果当前母线电压小于电压基准值，则第一单片机提高向第三开关管发送的控制信号的占空比。
10.根据权利要求9所述的用于提高输出电压范围的调节方法，其特征在于：步骤1中，当输入电压为三相交流输入电压或单相交流输入电压时，所述有源功率因数校正电路对三相交流输入信号或单相交流输入信号进行交流-直流变换处理。
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