CN109039073A - 一种时间常数可变的开关电源 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种时间常数可变的开关电源，提高了开关电源在需要输出突变电流时的电源响应速度。开关电源输出电流无法突变的主要原因是存在滤波电感，而如果能够改变滤波电感的充放电电压，就能够调整输出电流变化的速度。本发明在传统的开关电源的基础上增加了电感放电电路，利用电感放电电路中的电容来增加电感放电电压。

Description

一种时间常数可变的开关电源
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，特别涉及开关电源领域。
背景技术
开关电源是一种工作可靠、功耗小、效率高的电源。其原理是应用脉冲宽度调制(PWM)技术，通过开关管的导通与关断将直流源的连续电压转换成断续的电压，然后在输出端经过电感或者电容的滤波实现稳定的电流或者电压输出。开关电源工作的过程中可以取负载端的电流或者电压信号作为反馈来和参考值做比较，并通过调整开关管的导通占空比的方法来控制电源的输出。
开关电源的用途很广泛，其中将其作为电流源是一种很常见的应用方式。由于电力电子技术的发展，开关管导通与关断状态的切换可以达到很快的频率，所以当开关电源输出恒定电流值时，因滤波电感充放电引起的纹波的幅值会非常小，在大多数情况下可以忽略不计。当需要增大输出电流的时候，一般会增加开关管的导通占空比，使电感充电时间增加，放电时间减小；当需要减小输出电流的时候，一般会减少开关管的导通占空比，使电感充电时间减小，放电时间增加。但是有些情况下，需要输出电流可以实现快速变化，比如说输出方波、三角波等，而滤波电感的存在抑制了电流的变化，影响了在电流需要突变时电源的响应速度。而这个问题是可以通过改变滤波电感的充放电电压来改善的，即在需要电流快速上升时提高滤波电感的充电电压，在电流需要快速下降时提高滤波电感的反向放电电压。
发明内容
本发明的目的在于，提出一种时间常数可变的开关电源来改善电源对突变电流的响应速度。
本发明解决该技术问题的方案是，在原有的开关电源电路的基础上串联电感放电电路。当电源输出电流需要快速下降的时候，利用电容吸收滤波电感的能量，使流过电感的电流快速下降，从而达到快速降低电流的目的。当电源输出电流需要快速上升或者不需要快速变化的时候，将电容串联的开关管导通，使电容被短路，开关电源电路的直流源可以直接为电感充电而不经过电容的分压。
电路及其具体连接方式如下：
时间常数可变的开关电源包括：直流源、IGBT管Q1、二极管D1、滤波电感L、IGBT管Q2、负载、IGBT管Q3、电阻R、二极管D2、电容C、恒压源、二极管D3。它们之间的连接关系为：直流源的正极和Q1的集电极相连，Q1的发射极和D1的阴极以及L的1端相连，L的2端和Q2的集电极相连，Q2的发射极和负载的正端相连，负载的负端与D1的阳极以及直流源的负端相连构成开关电源电路主回路；另外D2的阳极与Q3的发射极相连，Q3的集电极和R的1端相连，R的2端和D2的阴极、D3的阴极、C的1端相连，D3的阳极和恒压源的正极相连，恒压源的负极与电容的2端相连构成电感放电电路；电感放电电路通过将D2的阳极和Q2的集电极相连，C的2端和Q2的发射极相连来并联到Q2两端。
下面说明一下电路的工作方法和原理：
当需要输出电流迅速降低的时候，关断Q2、Q3，此时电感放电电路开始工作。由于开关电源电路采用脉宽调试技术，所以滤波电感L处在充放电状态的不断交替转换过程中，因此要对这两种状态分别说明电感放电电路的工作原理。当Q1关断的时候，L处于放电状态，此时电感L、二极管D2、电容C、负载、二极管D1构成回路，L相当于此回路中的电流源，一方面要给负载提供电能，另一方面还要给电容充电，所以此时电感中能量的释放速度要比单独给负载供电时要大，此外，还可以采取提高并联在电容C两端的恒压源的输出电压的方法来增加电感L的放电电压；当Q2导通的时候，电感L处于充电状态，此时直流源、L、D2、C、负载构成回路，此时直流源作为电源给电感L充电并为负载提供能量，同时还为电容C充电，所以此时电容C的存在降低了电感的充电电压。这样，在相同导通占空比的条件下，一个充放电周期内电感的电流下降的幅度就会增大，电源的响应时间减少。当电流下降到设定值的时候，导通Q2，电感放电电路停止工作，同时导通Q3使电容C通过R、Q3、Q2形成回路，通过电阻R释放在电流下降过程中电容C吸收的能量，等到电容C两端电压下降到恒压源电压时，关断Q3，此时该时间常数可变的开关电源的工作方式和原理与传统的开关电源类似。
附图说明
图1为开关电源电路原理图；
图2为本发明所提出的一种时间常数可变的开关电源电路原理图；
图3为本发明所提出的开关电源的一种具体实例电路；
图4a-b为本发明所提出的开关电源的一种具体实施方式的输出电流波形
图4a为本发明所提出的开关电源的一种具体实施方式的参考电流输出
图4b为本发明所提出的开关电源的一种具体实施方式的实际电流输出
具体实施方式
下面结合图3和图4a-b对本发明的一种具体实施方式进行说明：
图3是一种本发明所述的时间常数可变的开关电源的具体电路应用实例。该实例采用斩波拓扑结构作为主电路，主要包括电压源、开关电源主电路、电感放电电路和控制电路四个部分。其中电压源主要由一个多绕组的变压器和整流滤波电路组成，变压器的原边可以用工频380V交流电源供电，之后下方的副边绕组输出经过整流桥和电感滤波后作为开关电源主电路的直流源；上方的副边绕组经过整流桥和电感滤波后作为为电容C两端提供电压的恒压源。
开关电源主电路连接方式如下：从电压源下方的直流源输出正极经IGBT管Q1、滤波电感L、IGBT管Q2、负载、电压源下方的直流源输出负极依次相连构成回路，二极管D1的阴极连接在Q1的发射极、D1的阳极连接在直流源输出的负极使当Q1关断时，电感L能够和负载形成放电回路。此外，开关电源主电路还在负载输出后串联了霍尔电流传感器，能够将流过负载的电流值采集并转化为反馈信号传输到控制电路。
电感放电电路由二极管D2的阳极与IGBT管Q3的发射极相连，Q3的集电极和电阻R的1端相连，电阻R的2端和二极管D2的阴极、D3的阴极、电容C的1端相连，D3的阳极和恒压源的正极输出相连，恒压源的负极与电容的2端相连，另外还包括霍尔电压传感器用来采集电容C两端的电压并转化成反馈信号传输给控制电路。
控制电路包括核心电路和三组IGBT驱动电路，控制电路的功能主要是接收霍尔电压传感器和霍尔电流传感器的反馈信号，并且根据反馈信号和设定的电源输出来通过IGBT驱动电路控制Q1、Q2、Q3的导通与关断。
以电源输出图4a-b所示的电流波形为例，图4a为电流参考值波形，图4b为实际电流输出波形。霍尔电流传感器采集实际电流值后反馈到核心电路，在核心电路中与参考值做比较后经PWM波生成电路产生PWM驱动信号，然后利用IGBT驱动电路调整Q1的导通占空比来控制电源的输出。
在T1时刻之前，Q2处于导通状态，电感放电电路被短路；当到达T1时刻时，电流参考值突然降低，电源的电流实际输出也应该降低，但是由于输出滤波电感的存在，电流无法突变，所以只能加快电流下降的速度，此时关断Q2使电感放电电路开始工作；当实际电流值下降到与参考值相同的时候(T2时刻)再次导通Q2，使开关电源电路正常工作；同时还导通Q3，使电容C通过电阻R、Q2形成回路释放电能，当电压传感器检测到电容两端电压与恒压源的设定电压相同的时候关断Q3。

Claims (2)

1.一种时间常数可变的开关电源，包括：
直流源、IGBT管Q1、二极管D1、滤波电感L、IGBT管Q2、负载，直流源的正极和Q1的集电极相连，Q1的发射极和D1的阴极以及L的1端相连，L的2端和Q2的集电极相连，Q2的发射极和负载的正端相连，负载的负端与D1的阳极以及直流源的负端相连构成开关电源电路主回路；
其特征在于：还包括IGBT管Q3、电阻R、二极管D2、电容C、恒压源、二极管D3，D2的阳极与Q3的发射极相连，Q3的集电极和R的1端相连，R的2端和D2的阴极、D3的阴极、C的1端相连，D3的阳极和恒压源的正极相连，恒压源的负极与电容的2端相连构成电感放电电路；电感放电电路通过将D2的阳极和Q2的集电极相连，C的2端和Q2的发射极相连来并联到Q2两端。
2.根据权利要求1所述的一种时间常数可变的开关电源，其特征还在于：
电感放电电路不工作的时候，导通Q2，Q3处于关断状态；当控制电源输出的电流参考值突然降低的时候，关断Q2，使电感放电电路开始工作；当电流实际值降低到与电流参考值相等的时候，导通Q2和Q3；等到电容C两端电压与恒压源电压相等的时候，关断Q3，电感放电电路停止工作。
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