CN109067180A - 一种dc-dc隔离变换电路和控制方法 - Google Patents

一种dc-dc隔离变换电路和控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种DC‑DC隔离变换电路和控制方法，DC‑DC隔离变换电路包括DC/AC原边电路、变压器、AC/DC副边电路、BUS电容、匝比选择开关、BUS电容电压检测电路和控制电路，BUS电容接DC/AC原边电路的直流输入端，DC/AC原边电路的交流输出端或AC/DC副边电路的交流输入端通过匝比选择开关接变压器的绕组；匝比选择开关的控制端和BUS电容电压检测电路的输出端分别接控制电路。当供电网电压中断时，根据BUS电容的电压通过匝比选择开关调整变压器的匝比，BUS电容的电压下降越多，选择变压器的匝比越小。本发明的电路结构简单，在不增大BUS电容容量，不牺牲额定工作点性能指标的情况下，延长了保持时间，既降低了成本又保障了变换器的性能。

Description

一种DC-DC隔离变换电路和控制方法
[技术领域]
本发明涉及DC-DC变换电路，尤其涉及一种DC-DC隔离变换电路和控制方法。
[背景技术]
随着大数据、互联网+的发展，信息通信设备对供电装置的可靠性要求越来越高，但公用电网因检修、故障等因素无法做到时时为设备供电，一般的做法增加冗余电网或备用电池等第2能源，但第2能源需要启动时间，为了做到对信息通信设备的不间断供电，一般均会对供电装置增加保持时间(Hold Up Time)功能，即在电网等供应能源中止后，供电设备有能力再维持对信息通信设备供电一段时间，等待第2能源启动，达到对信息通信设备无间断供电。信息通信设备的供电装置一般有整流电路、DC-DC隔离电路两部分组成，两部分之间由BUS电容滤波储能，具体如图1所示。通常的Hold Up Time功能实现方案有增加BUS电容容量和扩大DC-DC隔离电路工作输入电压范围两种。增加BUS电容容量会增加成本，扩大DC-DC隔离电路工作输入电压范围，会劣化其他性能指标，如效率或纹波等。申请号为201280002432.5的专利提出通过扩大专用电容工作电压范围的方式，避免了扩大DC-DC隔离电路工作输入电压范围而带来的劣化其他性能指标的影响，但增加了装置复杂性，影响系统可靠性。
[发明内容]
本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单、在电网断网时保持时间长的DC-DC隔离变换电路。
本发明另一个要解决的技术问题是提供一种上述DC-DC隔离变换电路的控制方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是，一种DC-DC隔离变换电路，包括DC/AC原边电路、变压器、AC/DC副边电路、BUS电容和控制电路，BUS电容接DC/AC原边电路的直流输入端，包括匝比选择开关和BUS电容电压检测电路，当匝比选择开关布置在变压器的原边时，DC/AC原边电路的交流输出端通过匝比选择开关接变压器的原边绕组；当匝比选择开关布置在变压器的副边时，变压器的副边绕组通过匝比选择开关接AC/DC副边电路的交流输入端；匝比选择开关的控制端和BUS电容电压检测电路的输出端分别接控制电路。
以上所述的DC-DC隔离变换电路，变压器的原边绕组包括复数个抽头，匝比选择开关包括复数个电子开关，电子开关的一端接DC/AC原边电路的交流输出端，电子开关的另一端分别接对应的原边绕组的抽头。
以上所述的DC-DC隔离变换电路，变压器的副边绕组包括复数个抽头，匝比选择开关包括复数个电子开关，电子开关的一端接AC/DC副边电路的交流输入端，电子开关的另一端分别接对应的副边绕组的抽头。
一种上述DC-DC隔离变换电路的控制方法，当供电网电压中断时，根据BUS电容的电压通过匝比选择开关调整变压器的匝比，BUS电容的电压下降越多，选择变压器的匝比越小，所述的匝比是原边绕组匝数与副边绕组匝数的比值。
以上所述的控制方法，匝比选择开关包括复数个电子开关Q，当前闭合的电子开关为Qi，对应的变压器匝比为Ni；Ni+1表示下一个电子开关Qi+1闭合对应的变压器匝比，Mmax表示最大电路直流增益，Vbus表示BUS电容的电压，Vout表示直流输出电压；当Vbus≤Mmax×Ni+1×Vout时，断开当前的电子开关为Qi，闭合下一个电子开关Qi+1；Qi+1对应的变压器匝比Ni+1，Ni+1＜Ni。
以上所述的DC-DC隔离变换电路，当Vbus≤Mmax×Ni×Vout时，确定变压器绕组电流过零时刻，在变压器绕组电流过零时刻先断开当前的电子开关为Qi，然后闭合下一个电子开关Qi+1。
本发明的电路结构简单，在不增大BUS电容容量，不牺牲额定工作点性能指标的情况下，延长了保持时间，既降低了成本又保障了变换器的性能。
[附图说明]
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是现有技术DC-DC隔离变换电路的架构图。
图2是本发明实施例DC-DC隔离变换电路的架构图。
图3是本发明实施例DC-DC隔离变换电路的控制流程图。
[具体实施方式]
本发明实施例DC-DC隔离变换电路的架构如图2所示，包括DC/AC原边电路、变压器、AC/DC副边电路、BUS电容、匝比选择开关、BUS电容电压检测电路和控制电路。
BUS电容接DC/AC原边电路的直流输入端，匝比选择开关的控制端和BUS电容电压检测电路的输出端分别接控制电路。
当匝比选择开关布置在变压器的原边时，变压器的原边绕组包括多个抽头，匝比选择开关包括多个电子开关，电子开关的一端接DC/AC原边电路的交流输出端，电子开关的另一端分别接对应的原边绕组的抽头。
当匝比选择开关布置在变压器的副边时，变压器的副边绕组包括多个抽头，匝比选择开关包括多个电子开关，电子开关的一端接AC/DC副边电路的交流输入端，电子开关的另一端分别接对应的副边绕组的抽头。
当供电网电压中断时，根据BUS电容的电压通过匝比选择开关调整变压器的匝比，BUS电容的电压下降越多，选择变压器的匝比越小，所述的匝比是原边绕组匝数与副边绕组匝数的比值。
匝比选择开关包括复数个电子开关Q，当前闭合的电子开关为Qi，对应的变压器匝比为Ni；Ni+1表示下一个电子开关Qi+1闭合对应的变压器匝比，Mmax表示最大电路直流增益，Vbus表示BUS电容的电压，Vout表示直流输出电压；当Vbus≤Mmax×Ni+1×Vout时，首先确定变压器绕组电流过零时刻，在变压器绕组电流过零时刻先断开当前的电子开关为Qi，然后闭合下一个电子开关Qi+1。Qi+1对应的变压器匝比Ni+1；Ni+1＜Ni。
DC-DC隔离变换电路输入输出关系式为Vbus＝Vout×N×M，其中N表示变压器匝比，即原边绕组匝数与副边绕组匝数的比值。M表示电路直流增益(N＝1时,M＝Vout/Vbus)。DC-DC隔离变换电路有PFM、PWM两种控制模式，PFM控制模式M则是开关频率f的函数如半桥LLC电路：PWM控制模式M则是占空比D的函数，如反激电路(连续状态)：在公共电网等供应能源中止后，输出能量的提供只有靠Bus电容来承担，电容释放能量公式：可知Bus电容的容量C越大，允许Vbus电压范围越宽，则可释放的能量就越大，Hold Up时间就越长。从输入输出关系式上可以看出M的变化范围大，允许Vbus电压范围越宽，但M的变化范围宽，会引来其他问题，以反激电路进行举例说明。如连续状态的反激电路：通过增大占空比D的变化范围增大M的变化范围，这样在额定工作点，占空比D就会非常小，就会引起转换效率低、输出纹波大、副边管应力大、驱动电路设计难度高等问题，所以我们必须控制占空比D的变化范围，允许Vbus一定的电压波动范围，但不宜过大。本发明引入通过改变变压器匝比N来扩大Vbus电压范围，在不用增大BUS电容容量，不牺牲额定工作点性能指标的情况下，可以延长Holdup时间。
如图2所示，将匝比选择开关放在变压器的原边一侧，现以两个匝比N选择开关为例进行功能说明。电子开关Q1导通时，对应的匝比为N1；电子开关Q2导通时，对应的匝比为N2，其中N1＞N2；假定该电路直流增益变化范围为ΔM＝Mmax-Mmin，则Vbus允许的电压变化范围为ΔM×N×Vout。DC-DC隔离变换电路正常满载设计工作在Mmin、Q1导通、N1×Mmin＜N2×Mmax，正常工作时，Q1导通，Q2断开，当检测到公共电网等供应能源中止后，按Q1继续导通工作；当VBus＜N2×Mmax时，Q1断开、Q2导通，此时VBus可最低工作到电压为N2×Mmin×Vout，则Vbus可允许的变化范围为：N1×Mmax×Vout～N2×Mmin×Vout，比任一单匝比的架构范围都要宽。当有n个匝比N选择开关时，N1＞N3…＞Nn；同样道理，正常工作时，对应最大匝比N1的Q1导通，当检测到公共电网等供应能源中止后，VBus将下降，判断VBus＜Ni×Mmax，顺次导通Qi，则Vbus可允许的变化范围为：N1×Mmax×Vout～Nn×Mmin×Vout，进一步增大Vbus可允许的变化范围。因为变压器是磁性器件，匝比N选择开关的开通、断开需选择在变压器原边电流为零或接近零的时刻段，如反激电路选择在副边续流状态。为了避免变压器匝间短路，匝比N选择开关需按先断开、后导通的时序进行。控制时序如图3所示。
图2所示的实施例是将匝比选择开关放在变压器原边一侧，也可以将它放在副边，仅是将匝比选择开关的开通、断开需选择在变压器副边电流为零或接近零的时刻段的差别，其他控制不变。
本发明以上实施例通过改变变压器匝比来扩大Vbus电容电压的可用范围，在不用增大BUS电容容量，不牺牲额定工作点性能指标的情况下，延长了Hold up的时间，既降低了成本，又保障了变换器的性能。

Claims (6)

1.一种DC-DC隔离变换电路，包括DC/AC原边电路、变压器、AC/DC副边电路、BUS电容和控制电路，BUS电容接DC/AC原边电路的直流输入端，其特征在于，包括匝比选择开关和BUS电容电压检测电路，当匝比选择开关布置在变压器的原边时，DC/AC原边电路的交流输出端通过匝比选择开关接变压器的原边绕组；当匝比选择开关布置在变压器的副边时，变压器的副边绕组通过匝比选择开关接AC/DC副边电路的交流输入端；匝比选择开关的控制端和BUS电容电压检测电路的输出端分别接控制电路。
2.根据权利要求1所述的DC-DC隔离变换电路，其特征在于，变压器的原边绕组包括复数个抽头，匝比选择开关包括复数个电子开关，电子开关的一端接DC/AC原边电路的交流输出端，电子开关的另一端分别接对应的原边绕组的抽头。
3.根据权利要求1所述的DC-DC隔离变换电路，其特征在于，变压器的副边绕组包括复数个抽头，匝比选择开关包括复数个电子开关，电子开关的一端接AC/DC副边电路的交流输入端，电子开关的另一端分别接对应的副边绕组的抽头。
4.一种权利要求1所述的DC-DC隔离变换电路的控制方法，其特征在于，当供电网电压中断时，根据BUS电容的电压通过匝比选择开关调整变压器的匝比，BUS电容的电压下降越多，选择变压器的匝比越小，所述的匝比是原边绕组匝数与副边绕组匝数的比值。
5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，匝比选择开关包括复数个电子开关Q，当前闭合的电子开关为Qi，对应的变压器匝比为Ni；Ni+1表示下一个电子开关Qi+1闭合对应的变压器匝比，Mmax表示最大电路直流增益，Vbus表示BUS电容的电压，Vout表示直流输出电压；当Vbus≤Mmax×Ni+1×Vout时，断开当前的电子开关为Qi，闭合下一个电子开关Qi+1；Qi+1对应的变压器匝比Ni+1，Ni+1＜Ni。
6.根据权利要求5所述的DC-DC隔离变换电路，其特征在于，当Vbus≤Mmax×Ni×Vout时，确定变压器绕组电流过零时刻，在变压器绕组电流过零时刻先断开当前的电子开关为Qi，然后闭合下一个电子开关Qi+1。
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