CN110391749A - 一种高电压宽输入开关电源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高电压宽输入开关电源,包括高电压宽范围输入电路、软启动供电与控制电路、驱动开关电路和高频变压器与输出电路，高电压宽范围输入电路、驱动开关电路和高频变压器与输出电路均连接于软启动供电与控制电路。本发明有益效果：本发明双闭环控制方式具有快速的输入输出动态响应和良好的线性调整率，而且使得输出电压稳态精度高；通过调整TL431的电阻参数可以实现对输出辅助电源电压2.5V‑36V的稳压，稳压范围宽；滤波的效率高，大大减少了滤波电容的容量和体积；稳压范围宽，激励信号的占空比和激励信号的频率是用来调节开关电源输出电压的，而且无论是变频还是调节脉冲宽度，都可以使输出电压保持稳定。

Description

一种高电压宽输入开关电源

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，尤其是一种高电压宽输入开关电源。

背景技术

开关电源通常是由脉冲宽度调制(PWM)控制的IC芯片、MOSFET、脉冲变压器等组成。通过调节PWM脉冲的占空比来控制开关晶体管的导通与关断时间，从而达到调节输出电压的目的。开关电源被誉为十分高效节能电源，它代表着稳压电源的发展方向，现在已经是稳压电源的主流产品。开关电源内部的主要元器件，例如三极管、MOS管都工作在高频开关状态，消耗很低的能量，其电源效率可以达到百分之八十至九十，是普通线性电源效率的将近两倍。开关电源也被称为无工频的变压器电源，它利用体积很小的高频变压器就可以实现电压的转换、强弱电隔离，不仅可以去掉十分笨重的工频变压器，而且可以使用很小的滤波元件和散热器。正因为开关电源具有体积小、效率高、重量轻、成本低等优点，其作为辅助电源在航空航天、矿山开采、军事工业、汽车工业、家用电器行业、通信和自动控制方面获得广泛应用。特别是在矿山开采中，采用开关电源的方式设计的辅助电源应用十分广泛。

矿上工作环境恶劣、动力负载功率大并且启停频繁等原因，造成输入电压不稳且波动范围较大，尤其造成矿井下的电压波动范围达-25％～+15％。在如此宽范围的波动下保证矿用辅助电源可靠运行，就需要一种高电压宽范围输入的开关电源。在矿山开采中，使用的交流电有220V、380V、660V、1140V。传统的辅助电源常规设计是将交流电380V、660V、1140V通过变压器变换为220V交流电，再通过不可控整流将交流电整成直流电，采用DC-DC开关电源设计方式和单管反激式变换器将母线电压转化为应用场合所需要的辅助电源电压。而且220V整流出来的直流母线电压较低，当变压器原端电网电压突然断开时，由于交流220V整流出来的母线电容电压较低，控制电可能先于母线电压消失，容易造成主电路故障。并且单管反激变换器存在主开关关断电压应力较大的问题，并且单管不能承受更高的输入电压。这样的设计更不能适应宽范围输入的直流母线电压，只满足了220V电压整流出来的直流电压。

矿山开采中需要一种输入电压高并且输入范围宽的开关电源。针对于380V、660V、1140V的不同电压供电场合，开关电源都能将其输出的母线电压转化为现场需要的辅助电源电压。为此设计了一种高压宽输入DC-DC开关电源。采用双管反击式拓扑电路，解决了单管反激变换器存在主开关关断电压应力较大的问题，能承受更高的输入电压；并且输入电压范围能适应DC400V-2000V的直流输入，输入电压范围宽；因为输入直流母线电压较高，母线端电容容量较大，可以避免辅助电源先于主电路失电的问题，大大提高了开关电源电路的可靠性。本设计的开关电源应用于矿山开采、轨道交通等方面会有很强的实用性。

通过市场调研发现，市场上的开关电源大多存在以下缺陷：(1)允许输入的直流母线电压低，不能够满足高电压大功率设备的用电需求；(2)驱动与控制电路设计复杂，设计成本较高，维护维修不方便；(3)输出电压精度较低；(4)尤其是不能够满足高电压、宽输入电压的调节范围。

因此，为满足矿山和轨道交通上的刚需，着眼于解决市场上开关电源存在的上述问题，有必要提出一种高电压宽输入开关电源电路。

发明内容

本发明目的是克服了现有技术中的不足，提供了一种高电压宽输入开关电源。

为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现：

一种高电压宽输入开关电源,包括高电压宽范围输入电路、软启动供电与控制电路、驱动开关电路和高频变压器与输出电路，所述高电压宽范围输入电路、驱动开关电路和高频变压器与输出电路均连接于所述软启动供电与控制电路，所述高电压宽范围输入电路包括第一二极管、第三二极管、第一保险丝、第一电容、第二电容、第三电容、第一稳压管、第二稳压管、第三稳压管、第一mos管和第二mos管，所述第一二极管的一端通过保险丝连接第一mos管的漏极，所述第一二极管的另一端连接第一输入端，所述第三二极管的两端分别连接第一输入端和第一输出端，所述第一mos管的源极连接于所述第二mos管的漏极，所述第二mos管的源极连接第一输出端。

优选地，所述第三二极管与第二二极管之间连接有所述第三电容，所述第一电容和第一稳压管的两端分别连接第一mos管的栅极和源极；所述第二电容和第二稳压管的两端分别连接第二mos管的栅极和源极。

优选地，所述第一保险丝与第三二极管之间分别连接有第一电阻、第二电阻、第五电阻、第六电阻、第八电阻、第九电阻、第十二电阻、第十三电阻、第十五电阻、第十六电阻、第十八电阻和第三稳压管。

优选地，所述第一mos管的栅极与源极之间还分别连接第三电阻和第四电阻，所述第二mos管的栅极与源极之间分别连接有第七电阻和第十电阻

优选地，所述输出电路包括变压器、第一桥式二极管、第二桥式二极管，所述变压器分别连接第一桥式二极管和第二桥式二极管。

优选地，所述第一桥式二极管与第二桥式二极管之间分别连接有第十九电阻和第二十电阻。

优选地，所述第二桥式二极管与变压器之间分别连接有第二十一电阻和第二十二电阻。

优选地，所述变压器的依次分别连接第九二极管、第四电容、第十二极管。

本发明有益效果：

(1)使用UC3844设计驱动控制电路只需使用少量的元器件，所以成本较低，而且电路结构也会变得简单；

(2)双闭环控制方式具有快速的输入输出动态响应和良好的线性调整率，而且使得输出电压稳态精度高；

(3)通过调整TL431的电阻参数可以实现对输出辅助电源电压

2.5V-36V的稳压，稳压范围宽；

(4)滤波的效率高，大大减少了滤波电容的容量和体积；

(5)稳压范围宽，激励信号的占空比和激励信号的频率是用来调节开关电源输出电压的，而且无论是变频还是调节脉冲宽度，都可以对输入电压保持稳定；

(6)采用双管串联反击式电路拓扑结构，可以有承受更高的输入电压，输入的直流母线电压高并且范围宽，可以到达400V-2000V；

(7)根据实际需要调整输出电路高频变压器的变比得到工作场合需要的辅助电源电压，灵活方便。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的结构框图；

图2是本发明的高压宽范围输入电路图；

图3是本发明的软启动供电电路与控制电路图；

图4是本发明的驱动开关电路图；

图5是本发明的输出电路图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

如图1并结合图2至图5所示，一种高电压宽输入开关电源,包括高电压宽范围输入电路、软启动供电与控制电路、驱动开关电路和高频变压器与输出电路，所述高电压宽范围输入电路、驱动开关电路和高频变压器与输出电路均电连接于所述软启动供电与控制电路，所述高电压宽范围输入电路包括第一二极管、第三二极管、第一保险丝、第一电容、第二电容、第三电容、第一稳压管、第二稳压管、第三稳压管、第一mos管和第二mos管，所述第一二极管的一端通过保险丝连接第一mos管的漏极，所述第一二极管的另一端连接第一输入端，所述第三二极管的两端分别连接第一输入端和第一输出端，所述第一mos管的源极连接于所述第二mos管的漏极，所述第二mos管的源极连接第一输出端。

进一步的，所述第三二极管与第二二极管之间连接有所述第三电容，所述第一电容和第一稳压管的两端分别连接第一mos管的栅极和源极；所述第二电容和第二稳压管的两端分别连接第二mos管的栅极和源极，所述第一保险丝与第三二极管之间分别连接有第一电阻、第二电阻、第五电阻、第六电阻、第八电阻、第九电阻、第十二电阻、第十三电阻、第十五电阻、第十六电阻、第十八电阻和第三稳压管。

进一步的，所述第一mos管的栅极与源极之间还分别连接第三电阻和第四电阻，所述第二mos管的栅极与源极之间分别连接有第七电阻和第十电阻，所述输出电路包括变压器、第一桥式二极管、第二桥式二极管，所述变压器分别连接第一桥式二极管和第二桥式二极管。

进一步的，所述第一桥式二极管与第二桥式二极管之间分别连接有第十九电阻和第二十电阻，所述第二桥式二极管与变压器之间分别连接有第二十一电阻和第二十二电阻。

进一步的，所述变压器的依次分别连接第九二极管、第四电容、第十二极管。

如图1所示：由高电压宽范围输入电路、软启动供电与控制电路、驱动开关电路、高频变压器与输出电路组成。采用双管串联反激式DC-DC变换器作为主要电路拓扑结构，控制电路采用以UC3844为核心的控制芯片，控制电路采用电压外环，电流内环的方式对输出的脉冲进行控制。软启动供电电路先采用输入电压供电使芯片启振，然后从高频变压器的原边绕组引入电压的方式给芯片供电；输出电路则由高频变压器与半波整流电路组成。本设计电路直流母线输入电压范围可以达到400V-2000V，输入电压范围宽。驱动开关电路的设计，采用双管串联反击式变换电路的拓扑结构进行设计，可以承受更高的输入电压。双管反激变换器的主开关电压应力仅为输入电压，并且漏感能量可回馈到输入侧，无需增加额外的吸收电路，因而整机效率也比较高。解决了单管反激变换器存在主开关关断电压应力较大的问题，更加适合高电压等级输入的场合。

高压宽范围输入电路如图2所示，由二极管、保险丝、电阻、电容与IGBT组成。其工作原理是：直流二极管D1与D3起到防正负电压接反的作用，电容C3起到稳压滤波的作用。直流电压从P1端输入，在刚上电的瞬间，由电阻R7与稳压管Z2的分压作用使IGBT2的门极电压达到12V，使IGBT2导通；然后电阻R3与稳压管Z1分压使IGBT1的门极电压达到12V，使IGBT1导通。然后输出电压从P2端输出。保险丝F1在电路过流的时候切断输入电压，起到过流保护的作用。

软启动供电电路由图3中的输入电压供电电路与图5中高频变压器原边绕组引入的AUX电压信号所在电路组成。控制芯片U3采用UC3844芯片。UC3844芯片的第7脚，也就是VCC端的输入电压达到16V时，芯片就会被启动开始工作。如图3所示，对于UC3844芯片的启动，最开始的时候选择从直流母线取电，通过限流电阻R17、R18、R19、R20、R21、R22后对芯片供电，芯片开始工作，实现对功率开关管的驱动控制。与此同时，直流电压AUX从图5中的输出变压器辅助绕组接入，通过二极管D2、电阻R23、R24开始建立电压并对储能电容C12进行充电。之后芯片正常工作所需的电能均由辅助绕组提供。AUX电压供电的原理为：当UC3844的6管脚输出为高电平时，图5中高频变压器的NP1端为正，NP2端为负，AUX此时为负，电容C12放电用于给芯片供电；当UC3844的6管脚输出为低电平时，图5中高频变压器的NP1端为负，NP2端为正，AUX此时为正，AUX电压给电容C12充电，同时给芯片供电。U1采用TL431精准稳压源对芯片U1的供电电压进行稳压。这样的设计可以保证开关电源正常工作。若是没有直流母线一开始对芯片供电，那么芯片便无法开始工作，也就不会存在输出电压。若是一直使用直流母线给芯片供电，直流母线上电压太大，那么限流电阻上的功耗也会很大，既浪费电能又增加电路的不安全性。从变压器输出绕组对芯片进行供电，在开关电源工作过程中，出现过流现象的话，也可以很好的保护电路。

控制电路主要由以UC3844为核心的电压反馈电路、电流采样电路、振荡电路组成，用于调节输出到驱动开关管的PWM脉冲。

本设计采用反激式DC-DC变换器属于隔离式变换器，其输入与输出之间存在电气隔离，开关电源输出端取得的反馈电压信号与芯片之间并没有共地，需要对反馈电压信号进行隔离采样。本设计中电压反馈电路中光耦合器件PC1选择使用PC817，三端稳压器U2选择TL431相互配合作为参考、隔离、取样和放大，组成负反馈回路。本设计中TL431作为一个基准和误差反馈放大器来使用，它将开关电源的输出15V电压进行分压，然后经过反馈与比较输出一个误差电压。该电压信号再经过PC817，转化为电流信号，从光耦合器件PC的集电极输出的信号直接送入UC3844的1脚，而UC3844的2脚直接接地。这种方法直接略过了UC3844内部的放大器，节省了UC3844进行内部放大器操作的时间，从而能够拥有更良好的动态响应性能。U2通过调节R8与R16的阻值来实现对2.5V-36V电压的稳压。

电流采样电路中所检测的电流为流过功率开关管的峰值电流，这个电流信号与控制芯片之间并不存在电气隔离。在图3中所示，采样电流由E2端接入，采样电阻由R13、R14、R15并联组成，经过电阻R11，电容C10组成的RC滤波电路后接入UC3844的3管脚。

本设计的开关电源采用电压外环，电流内环的双闭环控制方式来控制输出电压稳定的目的。其工作原理如图3中所示：当输出电压升高时，输出电压经电阻R8与R16分压后，接入U2的参考输入端，与U2内部的基准参考电压2.5V做比较，使U2输出端电压升高，使得PC1发光二极管阴极电压升高，于是光耦输入侧二极管的电流变小，光耦输出侧集-射极的动态电阻变小，集-射极的电压也随之降低，反馈到UC3844的1管脚的电压变低，经过内部电流检测比较器与电流采样电压比较后使输出的PWM锁存器复位，脉冲变窄，使高频变压器输出电压降低。反之亦然，使输出电压升高。从而达到保持输出电压恒定的目的。当输入电压变高或者变低造成输出电压变高或者变低时，控制电路自动调节PWM脉冲的占空比变大或者变小来使输出电压达到稳定的目的。

如图3中所示，振荡电路由UC3844引脚4与引脚8之间所接的定时电阻R10、脚4与地之间接的定时电容C9设定以及8引脚与地之间电容C8组成。通过设定电阻R10与电容C9的值来决定UC3844的工作频率，开关电源电路的开关频率是通过UC3844芯片内部经过振荡频率二分频得到的，电容C8用来防止振荡频率的抖动。

如图3中所示，驱动脉冲由芯片UC3844的6引脚输出。输出高电平时，三极管Q1导通，Q2关闭；输出低电平时，Q1关闭，Q2导通。采用推挽式电路对输出的PWM脉冲进行功率放大。电容C2的作用是防止变压器因为推挽电路本身存在的交越失真而出现饱和的情况，通常取1μF即可。

在图4中,采用双管串联反击式电路拓扑结构用来同时控制2个MOS管Q1、Q3的导通与关断来控制输出电压。由于2个MOS管所承受的关断电压只有输入电压的一半，大大增加了器件耐压的选择范围。2个MOS管串联可以承受更高的输入电压，从而提高了直流母线电压的输入范围。在大占空比情况下，MOS管栅-源极正压将变得过低，而负压将过大，因此选择利用两个18V稳压管对MOS管栅-源极进行钳位关断负压。

驱动开关电路如图4所示,由两个相同拓扑结构的电路组成。其工作原理为：当UC3844芯片的6引脚输出为高电平时，图4中变压器TR1的副边绕组6引脚与10引脚感应为高电平。针对上桥路，正向电压从10引脚经过二极管D2、电阻R2送入MOS管Q1的栅极，此时MOS管导通，三极管Q2关闭；下桥路正向电压从6引脚引出，从二极管D12与电阻R6接入Q3的栅极，MOS管Q3导通，三极管Q4关闭。此时，图4中三极管Q2与Q4处于关闭状态，MOS管Q1与Q3同时导通，从端口NP1与NP2向图5中的高频变压器输出电压。当UC3844的6引脚输出为低电平时，图4中变压器TR1副边绕组6引脚与10引脚电压处于低电平，图4中针对上桥路，三极管Q2导通，MOS管Q1经过电阻R1、二极管D3、三极管Q2导通的发射极接入低电平，MOS管Q1关闭；下桥路，三极管Q4关闭，MOS管Q3经过电阻R5、二极管D13、三极管Q4的发射极接入低电平，MOS管Q3关闭。上桥路中稳压管Z1与Z2反向串联、下桥路中稳压管Z3与Z4反向串联的作用相同。每个稳压管均采用18V稳压管，当MOS管栅极与源极之间的电压差超过18V时间，将两极之间的电压限制在18V。当栅极电压状态不定时，上桥路中电阻R3、电容C1的作用是使MOS管栅极与源极保持同电位，防止MOS管误导通。下桥路中电阻R7、电容C3的作用与电阻R3、电容C1相同。上桥路中电阻R4，下桥路中电阻R8使每一个桥路构成闭合回路，电容C2、C4用来过滤掉尖峰电压。

输出电路如图5中所示，采用反击式开关电源设计方式。变压器副边电路由3个单相半波整流电路串联组成。输出的直流电压由两个半波整流电路串联组成，其中1个支路由二极管D1、D2、D3、D4、电容C1、电阻R1、R2组成；另1条支路由二极管D5、D6、D7、D8、电容C2、电阻R4、R5组成。第3条半波整流电路由D9、C4、R6、R3、D10组成的半波整流电路用于输出给系统供电的电压。

当芯片UC3844的6引脚输出为高电平时，NP1为正端，NP2为负端，变压器TR2的原边线圈储存能量，电流由NP1端流向NP2端，变压器副边上负下正，整流二极管不会导通；当UC3844的6引脚输出为低电平时，NP1为负端，NP2为正端，变压器原边电阻的线圈电流通过图4中的二极管D1、D5、D8、D14、D16、D21续流，变压器副边绕组上正下负，副边绕组的二极管D1-D10均导通，半波整流电路开始工作。从第三支路的半波整流电路输出辅助电源需要的直流电压。通过调整辅助绕组的变比和输出支路半波整流电路中元器件的参数来得到应用场所需要的辅助电源电压，2.5V-36V范围的控制电均可以得到。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种高电压宽输入开关电源,其特征在于：包括高电压宽范围输入电路、软启动供电与控制电路、驱动开关电路和高频变压器与输出电路，所述高电压宽范围输入电路、驱动开关电路和高频变压器与输出电路均连接于所述软启动供电与控制电路，所述高电压宽范围输入电路包括第一二极管、第三二极管、第一保险丝、第一电容、第二电容、第三电容、第一稳压管、第二稳压管、第三稳压管、第一mos管和第二mos管，所述第一二极管的一端通过保险丝连接第一mos管的漏极，所述第一二极管的另一端连接第一输入端，所述第三二极管的两端分别连接第一输入端和第一输出端，所述第一mos管的源极连接于所述第二mos管的漏极，所述第二mos管的源极连接第一输出端；所述第三二极管与第二二极管之间连接有所述第三电容，所述第一电容和第一稳压管的两端分别连接第一mos管的栅极和源极；所述第二电容和第二稳压管的两端分别连接第二mos管的栅极和源极。

2.如权利要求1所述的一种高电压宽输入开关电源,其特征在于：所述第一保险丝与第三二极管之间分别连接有第一电阻、第二电阻、第五电阻、第六电阻、第八电阻、第九电阻、第十二电阻、第十三电阻、第十五电阻、第十六电阻、第十八电阻和第三稳压管。

3.如权利要求2所述的一种高电压宽输入开关电源,其特征在于：所述第一mos管的栅极与源极之间还分别连接第三电阻和第四电阻，所述第二mos管的栅极与源极之间分别连接有第七电阻和第十电阻。

4.如权利要求3所述的一种高电压宽输入开关电源,其特征在于：所述输出电路包括变压器、第一桥式二极管、第二桥式二极管，所述变压器分别连接第一桥式二极管和第二桥式二极管。

5.如权利要求4所述的一种高电压宽输入开关电源,其特征在于：所述第一桥式二极管与第二桥式二极管之间分别连接有第十九电阻和第二十电阻。

6.如权利要求5所述的一种高电压宽输入开关电源,其特征在于：所述第二桥式二极管与变压器之间分别连接有第二十一电阻和第二十二电阻。

7.如权利要求6所述的一种高电压宽输入开关电源,其特征在于：所述变压器的依次分别连接第九二极管、第四电容、第十二极管。