CN109861542A - 一种可编程宽范围输出不对称半桥结构的直流稳压电源 - Google Patents

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本发明公开了一种可编程宽范围输出不对称半桥结构的直流稳压电源，其技术方案要点是包括处理器、不对称半桥功率变换电路、过压保护电路、过流保护电路和反馈控制电路，所述处理器对不对称半桥功率变换电路进行控制，不对称半桥功率变换电路输入外部市电，输出直流稳压电源，所述过压保护电路和过流保护电路分别对不对称半桥功率变换电路的输出端进行检测，且过压保护电路和过流保护电路的检测输出端与处理器的输入端连接，反馈控制电路的检测端与不对称半桥功率变换电路的输出端连接，反馈控制电路的输出端与处理器的输入端连接。本发明的电源高效能、高精度、高稳定性。

Description

一种可编程宽范围输出不对称半桥结构的直流稳压电源
技术领域
本发明涉及一种稳压电源处理，更具体的说，它涉及一种可编程宽范围输出不对称半桥结构的直流稳压电源。
背景技术
普通半桥电路，上下桥臂开关信号是对称的，依靠占空比调节输出电压，最大占空比一般小于0.5，两个开关开通信号之间有比较的死区，漏感能量被缓冲电路消耗，很难实现软开关。不对称半桥电路，两个开关管的驱动信号不是对称的，而是互补的，容易实现软开关。但是普通不对称半桥电路的电压调节能力比较差，不适于电压范围需要宽范围调节的场合。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种高效能、高精度、高稳定性的可编程宽范围输出不对称半桥结构的直流稳压电源。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种可编程宽范围输出不对称半桥结构的直流稳压电源，包括处理器、不对称半桥功率变换电路、过压保护电路、过流保护电路和反馈控制电路，所述处理器对不对称半桥功率变换电路进行控制，不对称半桥功率变换电路输入外部市电，输出直流稳压电源，所述过压保护电路和过流保护电路分别对不对称半桥功率变换电路的输出端进行检测，且过压保护电路和过流保护电路的检测输出端与处理器的输入端连接，反馈控制电路的检测端与不对称半桥功率变换电路的输出端连接，反馈控制电路的输出端与处理器的输入端连接。
本发明进一步设置为：所述处理器为STM32F103微控制器。
本发明进一步设置为：所述不对称半桥功率变换电路包括PWM控制器、隔离驱动芯片、MOS管一、MOS管二、变压器和桥式整流器，PWM控制器的输入端与处理器的输出端连接，PWM控制器的输出端与隔离驱动芯片的输入端连接，隔离驱动芯片的输出端分别连接MOS管一和MOS管二的控制端，外部电源依次连接MOS管一和MOS管二后接地，变压器的输入端并联在MOS管一的两端，桥式整流器的输入端与变压器的输出端连接，桥式整流器的输出端输出端直流稳压电源。
本发明进一步设置为：所述MOS管一和MOS管二的输入端、输出端之间均并联有二极管和电容。
本发明进一步设置为：所述过压保护电路包括运放一，处理器的输出端连接运放一的负极端、运放一的正极端连接不对称半桥功率变换电路的输出端，运放一的输出端连接处理器的输入端。
本发明进一步设置为：所述过流保护电路包括运放二，处理器的输出端连接运放二的正极端、运放二的负极端连接不对称半桥功率变换电路的输出端，运放二的输出端连接处理器的输入端。
本发明进一步设置为：所述反馈控制电路包括运放三，处理器的输出端与运放三的正极端连接，运放三的输出端与负极端串联，运放三的输出端与处理器的输入端连接。
本发明进一步设置为：所述运放一、运放二和运放三均为IF353功率运算放大器。
本发明进一步设置为：所述MOS管一和MOS管二均为IRFP460型MOSFET。
本发明进一步设置为：所述PWM控制器为电流型PWM控制器SG3525控制器，隔离驱动芯片为IR2113驱动芯片。
本发明具有下述优点：以STM32F103微控制器为核心，基于电流型PWM控制器SG3525，通过隔离驱动芯片IR2113驱动IRFP460型MOSFET，采用不对称半桥(Asymmetrichalf bridge Converter AHB)拓扑结构实现可编程宽范围直流电压(0-300V)输出，输出功率最高可达500W。具有高效能、高精度、高稳定性等优点，主要用于科研院所、医疗设备和电器设备生产线等需要精密自动测试等场合；
采用改进的不对称半桥电路，控制变压器漏感参数，实现宽范围输出直流电压，结构上综合了双管正激原边简单和移相全桥副边有利于输出的变换器结构，利用开关管的输出电容和变压器的漏感控制串联谐振，使得开关管两端的电压降到零，实现ZVS，降低电磁干扰，提高输出功率。与其他电路相比，该变换器结构简单，原理清晰，是一种比较适合的中等功率的软开关拓扑结构。
附图说明
图1为本发明的系统框图；
图2为本发明的不对称半桥功率变换电路原理图；
图3为本发明的半桥功率变换部分简化电路原理图；
图4为本发明的不对称半桥ZVS波形图；
图5为本发明的过压保护电路原理图；
图6为本发明的反馈控制电路原理图；
图7为本发明的过流保护电路原理图。
图中：1、PWM控制器；2、隔离驱动芯片；3、MOS管一；4、MOS管二；5、变压器；6、桥式整流器；7、运放一；8、运放二；9、运放三。
具体实施方式
参照图1至7所示，本实施例的一种可编程宽范围输出不对称半桥结构的直流稳压电源，包括处理器、不对称半桥功率变换电路、过压保护电路、过流保护电路和反馈控制电路，所述处理器对不对称半桥功率变换电路进行控制，不对称半桥功率变换电路输入外部市电，输出直流稳压电源，所述过压保护电路和过流保护电路分别对不对称半桥功率变换电路的输出端进行检测，且过压保护电路和过流保护电路的检测输出端与处理器的输入端连接，反馈控制电路的检测端与不对称半桥功率变换电路的输出端连接，反馈控制电路的输出端与处理器的输入端连接。
所述处理器为STM32F103微控制器。
如图2所示，所述不对称半桥功率变换电路包括PWM控制器1、隔离驱动芯片2、MOS管一3、MOS管二4、变压器5和桥式整流器6，PWM控制器1的输入端与处理器的输出端连接，PWM控制器1的输出端与隔离驱动芯片2的输入端连接，隔离驱动芯片2的输出端分别连接MOS管一3和MOS管二4的控制端，外部电源依次连接MOS管一3和MOS管二4后接地，变压器5的输入端并联在MOS管一3的两端，桥式整流器6的输入端与变压器5的输出端连接，桥式整流器6的输出端输出端直流稳压电源。
PWM震荡频率由SG3525控制，根据图2中参数，振荡频率为：
VCC是直流12V辅助电源，VREF是5.1V参考电源，U1的引脚8是软启动控制引脚CS，低电平有效，引脚10是输出关断控制引脚DS，用于过压保护控制。引脚9是反馈控制端Comp。引脚11和14输出PWM控制信号OutPutA和OutPutB，通过功率驱动电路后控制不对称半桥的上下两个MOSFET。
如图3所示，所述MOS管一3和MOS管二4的输入端、输出端之间均并联有二极管和电容。
半桥功率变换部分重新整理如图3所示，其中Lm是变压器5的漏感，其余部分同图2。
简化电路中给出了Q1和Q2内部寄生二极管和电容，Lm是变压器5的漏感。该电路包括三部分，第一部分是Q1和Q2组成的方波产生电路，Q1和Q2的驱动信号互补，将输入直流电压VIN转换成方波电压Vd；第二部分通过隔置电容C8去掉偏移电压VCB，将纯粹交流分量传送的变压器5的副边，利用IP滞后VP为Q1和Q2提供ZVS条件。第三部分利用LC低通滤波电路输出直流电压Vo。
设Q1占空比为D，匝比n，输出电压为Vo，则根据伏秒平衡有下式成立：
(VINVGZ)D＝VGZ(1-D)→VGZ＝VIN*D
图3所示的不对称半桥ZVS变换过程波形图如图4所示，具体分析过程如下：
当Q2导通时，变压器5T1初级所加电压为VP＝VIN-VCB，初级电流IP是副边电流折算到初级电流ILO/n与变压器5激磁电流之和。
(1)t0～t1线性充放电模式，当Q2关断时，变压器5T1初级电流IP对C2充电，C1放电，直到变压器5初级电压为0，此时C1电压与VCB相等。
(2)t1～t2谐振暂态模式，当变压器5初级电压为0时，次级电压也为0，漏感和寄生电容串联谐振，C1持续放电，直到电压为0，为Q1开通创造ZVS条件。
(3)t2～t4电感放电模式，当t＝t2时，vA变为0，Q1的体二极管导通，漏感电流线性下降。
(4)t4～t5能量传递模式，当t＝t4时，Q1完全导通，当t＝t5时Q1关断，这阶段结束。
(5)t5～t6线性充放电模式，当t＝t5时，Q1关断，电容C2放电，C1充电，在t＝t6时C1上的电压充到DVIN，该阶段结束。
(6)t6～t7谐振暂态模式，当t＝t6时，变压器5初级次级电压为0，漏感和寄生电容串联谐振，C2继续放电，直到电压为0，为Q2开通创造ZVS条件。
(7)t7～t9电感放电模式，当t＝t7时，vA变为VIN0，Q2的体二极管导通，漏感电流线性上升。
(8)t9～t10能量传递模式，当t＝t9时，Q2完全导通，当t＝t10时Q2关断，这阶段结束。
如图5所示，所述过压保护电路包括运放一7，处理器的输出端连接电阻后与运放一7的负极端连接，且运放一7的负极端与接地端之间串联有电容和稳压二极管，且电容与稳压二极管之间为并联连接、运放一7的正极端连接不对称半桥功率变换电路的输出端，同时运放一7的正极端与接地端之间串联电容、稳压二极管和电阻，且电容、稳压二极管和电阻之间并联，运放一7的输出端连接电阻后与处理器的输入端连接。
VSET_CPU是微控制器输出的电压控制值，而输出直流电压VDC通过电阻分压后得到取样电压AD-V0送入微控制器进行AD采样，同时若输出电压过高，则U4A会输出高电平DS到SG3525，关断PWM振荡，输出电压为0，起到输出过压保护的功能。
如图7所示，所述过流保护电路包括运放二8，处理器的输出端连接电阻后与运放二8的正极端连接，运放二8的正极端与接地端之间串联电容、运放二8的正极端与输出端之间串联电阻，运放二8的负极端连接不对称半桥功率变换电路的输出端，运放二8的负极端与输出端之间串联电容，运放二8的输出端连接处理器的输入端，且运放二8的输出端与接地端之间串联有稳压二极管。
过流保护电路中，直流输出电流经采样电阻R6后得到IFB信号与电流设定值工SET比较后输出CS信号，可以实现过流保护，过流保护过程用迟滞比较器实现，避免特定值振荡。
如图6所示，所述反馈控制电路包括运放三9，处理器的输出端连接电阻后与运放三9的正极端连接，运放三9的正极端与接地端之间串联有电容，运放三9的输出端与负极端之间串联有电容，该电容上并联有相互串联的电容和电阻，运放三9的输出端与接地端之间串联稳压二极管，运放三9与稳压二极管之间串联电阻，运放三9的输出端通过电阻后与处理器的输入端连接。
VSET是输出电压设定信号，输出直流电压VDC通过电阻R10、R11和电位器RP1分压后得到反馈电压，通过U3B及其外围电阻组成的PI控制电路得到反馈电压COMP，送到SG3525的反馈控制引脚9实现闭环控制。由于SG3525误差放大器的正输入端最低电平只能到0.6V，若直接利用内部误差放大器进行闭环控制，输出电压不能调节到0，按本电路参数大约在40V左右。所以本电源采用外加误差放大器U3B实现闭环控制，输出电压可以达到0V。另外，刚上电时，输出电压还没建立起来的时候，若VSET值比较大，则COMP电压比较高，SG3525容易进入保护状态，输出无电压，所以在此处添加稳压二极管D10，限定COMP电压最高为5.1V，电源可以正常工作。
所述运放一7、运放二8和运放三9均为IF353功率运算放大器。
所述MOS管一3和MOS管二4均为IRFP460型MOSFET。
所述PWM控制器1为电流型PWM控制器1SG3525控制器，隔离驱动芯片2为IR2113驱动芯片2。
通过采用上述技术方案，(1)不存在普通半桥电路电容不平衡的问题；
(2)功率管电压应力小，结构紧凑，易于实现软开关ZVS；
(3)开关管互补导通，时间不等；
(4)输出电压由微控制器控制，实现可编程输出；
(5)反馈PI控制占空比，实现宽电压输出。
利用变压器5漏感实现ZVS过程的不对称半桥变换器控制方法；
S63525的反馈控制利用外加误差放大器，而不是内部误差放大器；
S63525反馈控制输出端增加一个稳压二极管，控制更加稳定。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。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前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种可编程宽范围输出不对称半桥结构的直流稳压电源，其特征在于：包括处理器、不对称半桥功率变换电路、过压保护电路、过流保护电路和反馈控制电路，所述处理器对不对称半桥功率变换电路进行控制，不对称半桥功率变换电路输入外部市电，输出直流稳压电源，所述过压保护电路和过流保护电路分别对不对称半桥功率变换电路的输出端进行检测，且过压保护电路和过流保护电路的检测输出端与处理器的输入端连接，反馈控制电路的检测端与不对称半桥功率变换电路的输出端连接，反馈控制电路的输出端与处理器的输入端连接。
2.根据权利要求1所述的一种可编程宽范围输出不对称半桥结构的直流稳压电源，其特征在于：所述处理器为STM32F103微控制器。
3.根据权利要求1所述的一种可编程宽范围输出不对称半桥结构的直流稳压电源，其特征在于：所述不对称半桥功率变换电路包括PWM控制器、隔离驱动芯片、MOS管一、MOS管二、变压器和桥式整流器，PWM控制器的输入端与处理器的输出端连接，PWM控制器的输出端与隔离驱动芯片的输入端连接，隔离驱动芯片的输出端分别连接MOS管一和MOS管二的控制端，外部电源依次连接MOS管一和MOS管二后接地，变压器的输入端并联在MOS管一的两端，桥式整流器的输入端与变压器的输出端连接，桥式整流器的输出端输出端直流稳压电源。
4.根据权利要求3所述的一种可编程宽范围输出不对称半桥结构的直流稳压电源，其特征在于：所述MOS管一和MOS管二的输入端、输出端之间均并联有二极管和电容。
5.根据权利要求1所述的一种可编程宽范围输出不对称半桥结构的直流稳压电源，其特征在于：所述过压保护电路包括运放一，处理器的输出端连接运放一的负极端、运放一的正极端连接不对称半桥功率变换电路的输出端，运放一的输出端连接处理器的输入端。
6.根据权利要求5所述的一种可编程宽范围输出不对称半桥结构的直流稳压电源，其特征在于：所述过流保护电路包括运放二，处理器的输出端连接运放二的正极端、运放二的负极端连接不对称半桥功率变换电路的输出端，运放二的输出端连接处理器的输入端。
7.根据权利要求6所述的一种可编程宽范围输出不对称半桥结构的直流稳压电源，其特征在于：所述反馈控制电路包括运放三，处理器的输出端与运放三的正极端连接，运放三的输出端与负极端串联，运放三的输出端与处理器的输入端连接。
8.根据权利要求7所述的一种可编程宽范围输出不对称半桥结构的直流稳压电源，其特征在于：所述运放一、运放二和运放三均为IF353功率运算放大器。
9.根据权利要求4所述的一种可编程宽范围输出不对称半桥结构的直流稳压电源，其特征在于：所述MOS管一和MOS管二均为IRFP460型MOSFET。
10.根据权利要求3所述的一种可编程宽范围输出不对称半桥结构的直流稳压电源，其特征在于：所述PWM控制器为电流型PWM控制器SG3525控制器，隔离驱动芯片为IR2113驱动芯片。
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