CN109494997A - 一种基于mosfet管的高频开关电源 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种基于MOSFET管的高频开关电源，交流输入电压经输入电网滤波、输入整流滤波得到直流电压，通过高频变换器将直流电压变换成高频交流电压，再经高频变压器隔离变换，输出所需的高频交流电压，最后经过输出整流滤波电路，将变换器输出的高频交流电压整流滤波得到所需的高品质直流电压；本申请中的高频变压器取代了传统笨重的工频变压器，从而使电源体积和重量大大减小，使大电流功率放大器能够适应变电站现场等室外场合；同时，输入电网滤波可提高电源的抗干扰性和系统的可靠性，将交流输入电压经过转换得到高质量、高品质的直流电压，提高了输出电压的精度，进而增加了大电流功率放大器的响应速度和输出功率。

Description

一种基于MOSFET管的高频开关电源

技术领域

本申请涉及电源技术领域，尤其涉及一种基于MOSFET管的高频开关电源。

背景技术

随着特高压技术的日益成熟及其工程的不断投运，系统容量不断增大，电网在安全稳定运行方面所面临的挑战日益突出，其典型表现之一就是系统短路电流大和一次时间常数大。继电保护作为保证系统安全稳定运行的主要技术措施，其动能性能均受到为其提供系统电流信息的电流互感器的影响，尤其是电流互感器暂态特性的影响。如果电流互感器的暂态特性不好，则有可能造成继电保护的误动或拒动，威胁系统的安全稳定运行，因此对电流互感器开展暂态特性试验或检测具有重要的实践意义。

对电流互感器开展暂态特性试验必须有大电流发生设备，目前大电流的方法通常为大电流升流组合装置，升流组合装置包括升流器组、电容补偿系统、整流系统、电源控制系统及辅助设施。

然而，现有大电流发生器虽然能够实现上千安大电流的输出，但是受限于输出技术原理，不能实现精密直流大电流的特性要求，不能实现电流的动态控制而实现一二次系统的整体测试。同时，现有的大电流升流设备均配置在专用实验室内，其体积、重量、电力负荷容量决定其很难应用于变电站现场。而电源技术是大电流发生器的核心技术之一，其直接影响这电流放大器的输出容量和体积。现有常用的线性电源和相控电源因体积大和笨重限制着大电流发生器用于户外变电站场所。

发明内容

本申请提供了一种基于MOSFET管的高频开关电源，以解决现有大电流发生器由于体积过大不适于室外变电站场所的技术问题。

为了解决上述技术问题，本申请实施例公开了如下技术方案：

本申请提供了一种基于MOSFET管的高频开关电源，包括输入电网滤波器、输入整流滤波器、高频变换器与高频变压器、输出整流滤波器及控制电路；

其中所述输入电网滤波器、输入整流滤波器、高频变换器与高频变压器及输出整流滤波器依次连接，所述控制电路与所述高频变换器与高频变压器连接；

所述输入电网滤波器用于滤掉电网产生的干扰；

所述输入整流滤波器用于将交流电转换为直流电；

所述高频变换器用于将直流电压转换为高频交流电压；

所述高频变压器用于调整电压的大小将高频交流电压输出需求高频交流电压；

所述输出整流滤波器用于将需求高频交流电压转换为直流电压；

所述控制电路用于检测并隔离放大直流电压保持输出电压的稳定。

优选地，所述高频开关电源还包括保护电路，所述保护电路与所述控制电路连接；

所述保护电路用于发生过电压、过电流或短路时使所述高频开关电源停止工作。

优选地，所述高频开关电源还包括辅助电源，所述辅助电源与所述控制电路连接；

所述辅助电源用于为所述控制电路和所述保护电路提供直流电源。

优选地，所述控制电路设为MOSFET管驱动控制电路；

所述控制电路包括基准电压、振荡器、误差放大器、脉宽调制器、门电路及分频器，其中：

所述基准电压的一端与所述误差放大器的一端相连，所述误差放大器的另一端与所述脉宽调制器的一端相连，所述脉宽调制器的另一端与所述振荡器的一端相连，所述振荡器的另一端与所述分频器的一端相连，所述分频器的另一端与所述门电路相连。

优选地，所述高频变换器设为基于MOSFET管的全桥隔离式变换器；

所述全桥隔离式变换器包括MOSFET管和与所述MOSFET管并联的缓冲器元件，所述缓冲器元件包括串联连接的电阻和电容。

优选地，所述输入整流滤波器和所述输出整流滤波器均包括整流滤波电路，所述整流滤波电路包括整流电路和滤波电路，其中：

所述整流电路包括前级整流电路和后级整流电路，所述前级整流电路包括EMI滤波器模块、与所述EMI滤波器模块相连的U1整流模块及U2整流模块，其中所述U1整流模块的正极与所述U2整流模块的正极相接，所述U1整流模块的负极与所述U2整流模块的负极相接；

所述滤波电路包括电源输入滤波电路、工频滤波电路、电源输出滤波电路及滤波电容与滤波电感电路。

与现有技术相比，本申请的有益效果为：

本申请提供了一种基于MOSFET管的高频开关电源，包括输入电网滤波器、输入整流滤波器、高频变换器与高频变压器、输出整流滤波器及控制电路；交流输入电压经输入电网滤波、输入整流滤波得到直流电压，通过高频变换器将直流电压变换成高频交流电压，再经高频变压器隔离变换，输出所需的高频交流电压，最后经过输出整流滤波电路，将变换器输出的高频交流电压整流滤波得到所需的高质量、高品质的直流电压；本申请中的高频变压器取代了传统的笨重的工频变压器，从而使电源的体积和重量大大减小，使得大电流功率放大器的拆装、移动方便，能够适应实验室、变电站现场等不同场合的应用；同时，输入电网滤波可提高电源的抗干扰性和系统的可靠性，将交流输入电压经过转换得到高质量、高品质的直流电压，提高了输出电压的精度，进而增加了大电流功率放大器的响应速度和输出功率。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种基于MOSFET管的高频开关电源的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的输入电网滤波器的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的输入整流滤波器的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的高频变换器的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的控制电路的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的基于MOSFET管的全桥隔离式变换器的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的前级整流电路的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

现有电源常用的有线性电源和相控电源，然后两者均体积大且笨重，限制着大电流发生器用于户外变电站场所。

本申请提供了一种基于MOSFET管的高频开关电源，高频开关电源区别于传统电源，其中MOSFET管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金属-氧化物半导体场效应晶体管)是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效晶体管；基于MOSFET管的高频开关电源具体结构参考图1，图1为本发明实施例提供的一种基于MOSFET管的高频开关电源的结构示意图；如图所示包括输入电网滤波器、输入整流滤波器、高频变换器与高频变压器、输出整流滤波器及控制电路；

其中输入电网滤波器、输入整流滤波器、高频变换器与高频变压器及输出整流滤波器依次连接，控制电路与高频变换器与高频变压器连接；

输入电网滤波器用于滤掉电网产生的干扰；具体结构参考图2，图2为本发明实施例提供的输入电网滤波器的结构示意图；输入电网滤波器具体地可消除来自电网的各种干扰，如电动机起动，电器开关的合闸与关断、雷击等产生的尖峰干扰。同时也防止开关电源产生的高频噪声向电网扩散而污染电网。

输入整流滤波器用于将交流电转换为直流电；输入整流滤波器的具体结构参考图3，图3为本发明实施例提供的输入整流滤波器的结构示意图；输入整流滤波器将电网输入的交流电进行整流滤波，为变换器提供波纹较小的直流电压。而且，当电网瞬时停电时，滤波电容器储存的能量尚能使开关电源输出维持一定的时间。

高频变换器用于将直流电压转换为高频交流电压；它是开关电源的关键部分，能够将直流电压变换成高频交流电，经过高频变压器再变成所需的隔离输出交流电压。在本发明实施例中，高频变换器可以为单端反激型开关电源变换器，单端反激型开关电源变换器的具体结构可参考图4，图4为本发明实施例提供的高频变换器的结构示意图；如图所示，当功率晶体管T导通时，高频变压器的原边电压等于输入电源电压U，其极性为上正下负。与之对应的高频开关电源的设计频变压器副边电压为上负下正，此时整流二极管D承受的是反向偏置电压，故不导通。负载RL上的电流是靠输出电容C0的放电电流来提供，此时，高频变压器将电能变为磁能储存起来，而在晶体管受控截止时，高频变压器原、副边电压极性改变。整流二极管D由反偏变为正偏导通，高频变压器就将原先储存的磁能变为电能，通过整流二极管向负载供电和向输出电容C0充电。此电路的整流二极管D是在功率晶体管截止时才导通的。

高频变压器用于调整电压的大小将高频交流电压输出需求高频交流电压。

输出整流滤波器用于将需求高频交流电压转换为直流电压；将变换器输出的高频交流电压滤波得到需要的直流电压。同时还防止高频噪声对负载的干扰。电路原理与输入滤波器相同。

控制电路用于检测并隔离放大直流电压保持输出电压的稳定。控制电路可检测输出直流电压，与基准电压比较，进行隔离放大，调制振荡器输出的脉冲宽度，从而控制变换器以保持输出电压的稳定。一般控制电路还包括启动及禁止电路。

进一步地，高频开关电源还包括保护电路，保护电路与控制电路连接；保护电路用于发生过电压、过电流或短路时使所述高频开关电源停止工作。在开关电源发生过电压、过电流或短路时，保护电路使开关电源停止工作以保护负载和开关电源本身。有的还有发出报警信号的功能。

进一步地，高频开关电源还包括辅助电源，辅助电源与控制电路连接；辅助电源用于为控制电路和保护电路提供直流电源。为控制电路和保护电路提供满足一定技术要求的直流电源，以保证它们工作稳定可靠。辅助电源可以是独立地，也可以由开关电源本身产生。

具体地，控制电路设为MOSFET管驱动控制电路；采用MOSFET管驱动的开关电源主要利用PWM进行脉冲调节，在输入电压、内部参数及外接负载变化的情况下，控制电路通过被控制信号与基准信号差值进行闭环反馈，调节主电路开关器件的导通脉冲宽度，使得开关电源的输出电压被控制信号稳定。

控制电路包括基准电压、振荡器、误差放大器、脉宽调制器、门电路及分频器，具体结构参考图5，图5为本发明实施例提供的控制电路的结构示意图；如图所示其中：

所述基准电压的一端与所述误差放大器的一端相连，所述误差放大器的另一端与所述脉宽调制器的一端相连，所述脉宽调制器的另一端与所述振荡器的一端相连，所述振荡器的另一端与所述分频器的一端相连，所述分频器的另一端与所述门电路相连。

基准电压：芯片内大部分电路又它供电，同时，兼做误差放大器的基准电压输入。

振荡器：由恒流充电快速放电电路以及电压比较器组成，振荡频率由外接RC元件所决定，频率f＝1/RC。

误差放大器：将取样电压和基准电压比较放大，送至脉宽调制电路输入端。

脉宽调制器：输入为误差放大器输出。输出分两路，一路送给门电路，另一路送给振荡器输入端。

门电路：门电路输入分别受分频器和脉宽调制器的输入控制。

分频器：将振荡器的输入分频后输出，控制门电路输出脉冲的频率。

从总体上说，开关电源的控制电路还包括过压、过流保护、均流控制等。

具体地，高频变换器设为基于MOSFET管的全桥隔离式变换器；具体参考图6，图6为本发明实施例提供的基于MOSFET管的全桥隔离式变换器的结构示意图；全桥隔离式变换器包括MOSFET管和与所述MOSFET管并联的缓冲器元件，所述缓冲器元件包括串联连接的电阻和电容。如图所示，图中每个MOSFET旁均并联有组容吸收回路(R、C)作为缓冲器,在MOSFET瞬间断开时，缓冲器元件R、C将通过提供交流通道减少功率管断开时的集电极电压应力。这种线路的优点如下：(1)主变压器只需要一个原边绕组，通过正、反向的电压得到正、反向磁通，副边绕组采用全桥全波整流输出。因此，变压器铁芯和绕组最佳利用，使效率、功率密度得到提高；(2)功率开关在非常安全的情况下运作。在一般情况下，最大的反向电压不会超过电源电压Vs，四个能量恢复二极管能消除一部分由漏感产生的瞬时电压。这样，无需设置能量恢复绕组，反激能量便得到恢复利用。

具体地，输入整流滤波器和所述输出整流滤波器均包括整流滤波电路，整流滤波电路包括整流电路和滤波电路，其中：

整流电路包括前级整流电路和后级整流电路，所述前级整流电路包括EMI滤波器模块、与所述EMI滤波器模块相连的U1整流模块及U2整流模块，其中所述U1整流模块的正极与所述U2整流模块的正极相接，所述U1整流模块的负极与所述U2整流模块的负极相接；具体结构参考图7，图7为本发明实施例提供的前级整流电路的结构示意图。由于U1和U2的正极和正极相接，负极和负极相接，所以输入部分有一个AC端悬空是不影响三相交流的全波整流的。三相交流输入的是380V、50HZ的工频交流电，经过全波整流以后，电压将有一定的上升，大约510V左右。后级整流部分，是将高频变压器变压后的高频交流电进行整流，通常采用功率二极管组成桥式全波整流即可完成工作。

滤波电路包括电源输入滤波电路、工频滤波电路、电源输出滤波电路及滤波电容与滤波电感电路。由于电源模块工作于高频状态，而我们又必须获得无谐波的直流电压，因此，相对于相控型整流器，开关电源必须有更复杂的抑制干扰与滤除杂音的电路。共模与差模原理常被用来衰减即消除输入谐波，并将滤波器器件封装在磁屏蔽盒内，并要可靠接地。布局上为输入输出隔离，输出线用绞合线或平行配线。在高频开关电源的设计开关电源中，本发明实施例采用输入滤波、工频滤波、电源输出滤波与辐射干扰等主要措施来减少噪声的传递与影响。

电源的处理技术对整个设备的重量影响非常大，普通的工频变压器100kW功率等级的重量在300-500Kg，如果我们采用工频变压进行降压隔离处理，那么电源部份就非常重，并且功率因数也较低，所以这种方式并不适用于现场的搬运和测试。在本发明实施例中可以采用开发5-10kW的电源模块，多个电源模块进行并联使用的方法。考虑到设备并非工作在长时间连续的状态下，分布设计可以分散电源热量。同时，不必采用很大功率的器件，可减轻电源重量，提高电源的稳定性。另外功率小的电源开关频率可以做得相对较高，越大功率等级的电源开关频率越低。所以采用多个模块并联的工作方式将会大减小电源部份的重量。

本申请提供了一种基于MOSFET管的高频开关电源，包括输入电网滤波器、输入整流滤波器、高频变换器与高频变压器、输出整流滤波器及控制电路；交流输入电压经输入电网滤波、输入整流滤波得到直流电压，通过高频变换器将直流电压变换成高频交流电压，再经高频变压器隔离变换，输出所需的高频交流电压，最后经过输出整流滤波电路，将变换器输出的高频交流电压整流滤波得到所需的高质量、高品质的直流电压；本申请中的高频变压器取代了传统的笨重的工频变压器，从而使电源的体积和重量大大减小，使得大电流功率放大器的拆装、移动方便，能够适应实验室、变电站现场等不同场合的应用；同时，输入电网滤波可提高电源的抗干扰性和系统的可靠性，将交流输入电压经过转换得到高质量、高品质的直流电压，提高了输出电压的精度，进而增加了大电流功率放大器的响应速度和输出功率。

由于以上实施方式均是在其他方式之上引用结合进行说明，不同实施例之间均具有相同的部分，本说明书中各个实施例之间相同、相似的部分互相参见即可。在此不再详细阐述。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里发明的公开后，将容易想到本申请的其他实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由权利要求的内容指出。

以上所述的本申请实施方式并不构成对本申请保护范围的限定。

Claims (6)

1.一种基于MOSFET管的高频开关电源，其特征在于，包括输入电网滤波器、输入整流滤波器、高频变换器与高频变压器、输出整流滤波器及控制电路；

其中所述输入电网滤波器、输入整流滤波器、高频变换器与高频变压器及输出整流滤波器依次连接，所述控制电路与所述高频变换器与高频变压器连接；

所述输入电网滤波器用于滤掉电网产生的干扰；

所述输入整流滤波器用于将交流电转换为直流电；

所述高频变换器用于将直流电压转换为高频交流电压；

所述高频变压器用于调整电压的大小将高频交流电压输出需求高频交流电压；

所述输出整流滤波器用于将需求高频交流电压转换为直流电压；

所述控制电路用于检测并隔离放大直流电压保持输出电压的稳定。

2.根据权利要求1所述的高频开关电源，其特征在于，所述高频开关电源还包括保护电路，所述保护电路与所述控制电路连接；

所述保护电路用于发生过电压、过电流或短路时使所述高频开关电源停止工作。

3.根据权利要求2所述的高频开关电源，其特征在于，所述高频开关电源还包括辅助电源，所述辅助电源与所述控制电路连接；

所述辅助电源用于为所述控制电路和所述保护电路提供直流电源。

4.根据权利要求1所述的高频开关电源，其特征在于，所述控制电路设为MOSFET管驱动控制电路；

所述控制电路包括基准电压、振荡器、误差放大器、脉宽调制器、门电路及分频器，其中：

所述基准电压的一端与所述误差放大器的一端相连，所述误差放大器的另一端与所述脉宽调制器的一端相连，所述脉宽调制器的另一端与所述振荡器的一端相连，所述振荡器的另一端与所述分频器的一端相连，所述分频器的另一端与所述门电路相连。

5.根据权利要求1所述的高频开关电源，其特征在于，所述高频变换器设为基于MOSFET管的全桥隔离式变换器；

所述全桥隔离式变换器包括MOSFET管和与所述MOSFET管并联的缓冲器元件，所述缓冲器元件包括串联连接的电阻和电容。

6.根据权利要求1所述的高频开关电源，其特征在于，所述输入整流滤波器和所述输出整流滤波器均包括整流滤波电路，所述整流滤波电路包括整流电路和滤波电路，其中：

所述整流电路包括前级整流电路和后级整流电路，所述前级整流电路包括EMI滤波器模块、与所述EMI滤波器模块相连的U1整流模块及U2整流模块，其中所述U1整流模块的正极与所述U2整流模块的正极相接，所述U1整流模块的负极与所述U2整流模块的负极相接；

所述滤波电路包括电源输入滤波电路、工频滤波电路、电源输出滤波电路及滤波电容与滤波电感电路。