CN112152468A - 一种支持直流电流源输入的单级隔离式变换器 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种支持直流电流源输入的单级隔离式变换器，包括转换电路、电压变换电路、控制器、辅助供电电路及预充电电路。由于设置了控制器，因此当输出电压波动时，可以通过控制器控制开关管的占空比，以此控制输出电压的大小，使输出电压快速稳定，提高输出电压的稳定性。此外，由于设置了预充电电路及辅助供电电路，在变换器启动时，预充电电路中的第一稳压管被击穿后向辅助供电电路供电，在变换器稳定工作时，预充电电路则不工作，由辅助供电电路工作，因此预充电电路中的稳压管无需一直维持被击穿的状态，只在变换器启动时短暂的消耗功率，在变换器稳定工作时，稳压管没有功率损耗，因此提高了变换器的转换效率。

Description

一种支持直流电流源输入的单级隔离式变换器
技术领域
本申请涉及供电技术领域，特别是涉及一种支持直流电流源输入的单级隔离式变换器。
背景技术
随着科技的发展及对海洋权益的日益重视，海洋观测网和海底远程通信网络受到越来越多的关注，由于这些网络部署在水下，且这些网络包含的用电设备无法从所处环境中获取电能，因此需要通过在陆地上的设备对其供电。
如图1所示，目前通过大型的稳压管矩阵将直流电流源转化成电压源，再通过隔离式DC/DC变换器变压后向用电设备供电，由于大型的稳压管矩阵在转换过程中消耗大量的功率，导致由稳压管矩阵构成支持电流源输入的单级隔离式变换器的转换效率低、散热难处理、体积大。
由此可见，如何提高支持电流源输入的单级隔离式变换器的转换效率和减小体积是本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
本申请的目的是提供一种支持直流电流源输入的单级隔离式变换器。
为解决上述技术问题，本申请提供一种支持直流电流源输入的单级隔离式变换器，包括：
与直流电流源连接的转换电路，用于将所述直流电流源输出的第一直流电流源转换为第一交流电，所述转换电路中包括用于控制所述转换电路的输出电压的开关管；
与所述转换电路连接的电压变换电路，用于将所述第一交流电进行电压变换以为负载供电；
与所述电压变换电路的输出端连接的控制器，用于获取所述电压变换电路的输出电压，与预先设置的标准信号进行比较，并根据比较结果控制所述开关管的占空比；
与所述控制器连接的辅助供电电路，用于在所述变换器启动时和所述变换器稳定工作时，为所述控制器提供启动电压和工作电压；
与所述转换电路并联的预充电电路，用于在所述支持直流电流源输入的单级隔离式变换器启动的情况下，通过所述预充电电路的第一稳压管被击穿后产生的电压，向所述辅助供电电路提供所述启动电压，在所述支持直流电流源输入的单级隔离式变换器向所述负载稳定供电的情况下，所述预充电电路停止工作；
其中，所述预充电电路停止工作时，所述电压变换电路向所述辅助供电电路提供所述工作电压。
优选的，所述电压变换电路包括：变压器及整流电路；
所述变压器，用于对所述第一交流电经过变压处理后，转化为第二交流电；
所述整流电路，用于将所述第二交流电转化为所述输出电压后，向所述负载供电。
优选的，所述预充电电路还包括：第一电容、第一二极管、第一电阻；其中，所述第一电容与所述第一稳压管并联，所述第一电容的第一端与所述第一二极管的阳极连接，所述第一电容的第二端接地，所述第一电阻的第一端与所述第一二极管的阴极连接，所述第一电阻的第二端与所述辅助供电电路连接。
优选的，所述变压器的原边包含两组线圈，所述变压器的副边包含一组线圈；其中，所述原边的第一线圈与所述转换电路的输出端连接，所述原边的第二线圈与所述辅助供电电路连接，所述副边的线圈与所述整流电路连接。
优选的，所述转换电路包括：滤波电感、第一电感、第二电感、第一开关管、第二开关管以及吸收电路；其中，所述吸收电路包括第三二极管、第四二极管、第二电容、第三电容、第二电阻及第三电阻，所述滤波电感的第一端与所述第一电容的第一端连接，所述滤波电感的第二端与所述第一电感的第一端及所述第二电感的第一端连接，所述第一电感的第二端与所述第一开关管的漏极、所述第一线圈的同名端以及所述第三二极管的阳极连接，所述第一开关管的源极与所述第二电容的第二端、所述第二电阻的第二端及地面连接，所述第三二极管的阴极与所述第二电容的第一端以及所述第二电阻的第一端连接，所述第二电感的第二端与所述第一线圈的异名端、所述第二开关管的漏极、所述第四二极管的阳极连接，所述第二开关管的源极与所述第三电容的第二端、所述第三电阻的第二端以及地面连接，所述第四二极管的阴极与所述第三电容的第一端及所述第三电阻的第一端连接。
优选的，所述辅助供电电路包括：第一整流桥、稳压器、第四电容、第五电容、第二稳压管及第四电阻；其中，所述第一整流桥的第一端与所述稳压器的第二端以及所述第五电容的第一端连接，所述第一整流桥的第二端与所述第五电容第二端以及地连接，所述第一整流桥的第三端与所述第二线圈的同名端连接，所述第一整流桥的第四端与所述第二线圈的异名端连接，所述稳压器的第一端与所述第四电容的第一端连接，所述稳压器的第三端接地，所述第四电容的第二端接地，所述第二稳压管的阴极与所述第一电阻的第二端连接，所述第二稳压管的阳极与所述第四电阻的第一端以及所述控制器中的控制器启动引脚连接，所述第四电阻的第二端接地；
所述第一整流桥，用于在所述支持直流电流源输入的单级隔离式变换器向所述负载稳定供电的情况下，将所述电压变换电路提供的第三交流电转化为第二直流电；
所述稳压器，用于将所述第二直流电进行稳压处理后，向所述控制器提供稳定的所述工作电压。
优选的，所述控制器包括：误差放大器、PI控制器、基准电压源、比较器、锯齿波产生器、RS触发器、固定频率方波产生器、D触发器、第一或非门、第二或非门、第一非门及第二非门；其中，所述误差放大器的反相端与所述电压变换电路的输出端连接，所述误差放大器的同相端与所述基准电压源的正极连接，所述基准电压源的负极接副边地，所述PI控制器的第一端与所述误差放大器的输出端连接，所述PI控制器的第二端与所述误差放大器的反相端连接，所述比较器的反相端与所述误差放大器的输出端连接，所述比较器的同相端与所述锯齿波产生器连接，所述RS触发器的复位端与所述比较器的输出端连接，所述RS触发器的置位端与所述固定频率方波产生器连接，所述RS触发器的第一输出端与所述D触发器的时钟端、所述第一或非门的第二端以及所述第二或非门的第二端连接，所述D触发器的输入端与所述第二或非门的第一端连接，所述D触发器的第一输出端与所述第一或非门的第一端连接，所述D触发器的第二输出端与所述第二或非门的第一端连接，所述第一或非门的第三端与所述第一非门的第二端连接，所述第二或非门的第三端与所述第二非门的第二端连接，所述第一非门的第一端与所述第一开关管的栅极连接，所述第二非门的第一端与所述第二开关管的栅极连接，所述第一非门和所述第二非门的控制器启动引脚分别与第二稳压管的阳极连接。
优选的，还包括：输出电压采样电路；其中，所述输出电压采样电路包括第五电阻和第六电阻，所述第五电阻的第一端与所述电压变换电路的输出端正极连接，所述第五电阻的第二端与所述第六电阻的第一端连接，所述第六电阻的第二端与输出端负极和副边地连接；
所述误差放大器的反相端与所述电压变换电路的输出端连接具体为：所述误差放大器的反相端与所述第五电阻和所述第六电阻的公共端连接。
优选的，所述变压器具体为隔离式变压器。
优选的，所述稳压器具体为线性稳压器。
本申请所提供的一种支持直流电流源输入的单级隔离式变换器，包括转换电路、电压变换电路、控制器、辅助供电电路及预充电电路，其中转换电路用于将直流电流源转换为交流电，电压变换电路用于将交流电进行电压变换后为负载供电，控制器用于通过电压变换电路的输出电压与预设标准信号比较后，控制转换电路中开关管的占空比，辅助供电电路用于在得到启动电压或工作电压后为控制器提供工作电压，预充电电路用于在支持直流电流源输入的单级隔离式变换器启动时，向辅助供电电路提供启动电压，在支持直流电流源输入的单级隔离式变换器稳定工作时，预充电电路停止工作，并由电压变换电路向辅助供电电路提供工作电压。由于设置了控制器，因此当电压变换电路的输出电压波动时，可以通过控制器控制开关管的占空比，以此控制输出电压的大小，使输出电压快速稳定，提高输出电压的稳定性。除此之外，由于设置了预充电电路及辅助供电电路，只有在变换器直流启动时，预充电电路中的第一稳压管被击穿后向辅助供电电路供电，在变换器稳定工作时，预充电电路则不工作，由辅助供电电路工作，因此预充电电路中的稳压管无需一直维持被击穿的状态，而现有技术无论输出功率大小，稳压管一直维持在击穿状态，一直消耗额外的功率，且输出功率大小与稳压管消耗功率成反比，而支持直流电流源输入的单级隔离式变换器稳压管不会一直消耗额外的功率，只在变换器启动时短暂的消耗功率，在变换器稳定工作时，稳压管没有功率损耗，因此提高了变换器的转换效率。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例，下面将对实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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为现有技术提供的一种直流电流源输入的变换器的结构图；
图2为本申请实施例提供的一种支持直流电流源输入的单级隔离式变换器的结构图；
图3为本申请实施例提供的连续模式下一种支持直流电流源输入的单级隔离式变换器运行的波形图；
图4为本申请实施例提供的断续模式下一种支持直流电流源输入的单级隔离式变换器运行的波形图；
图5为本申请实施例提供的一种支持直流电流源输入的单级隔离式变换器运行的输入电流、输入电压、输出电流、输出电压波形图；
图6为本申请实施例提供的一种支持直流电流源输入的单级隔离式变换器运行的第一电感和第二电感的电流、第一开关管和第二开关管的驱动波形图；
图7为本申请实施例提供的一种支持直流电流源输入的单级隔离式变换器运行的变压器第一线圈和副边电流、第一开关管和第二开关管的驱动波形图；
图8为本申请实施例提供的一种支持直流电流源输入的单级隔离式变换器运行的第一电感和第二电感电压、第一线圈电压、第一开关管和第二开关管的漏源极电压波形图。
具体实施方式
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，都属于本申请保护范围。
本申请的核心是提供一种支持直流电流源输入的单级隔离式变换器。
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步的详细说明。
图2为本申请实施例提供的一种支持直流电流源输入的单级隔离式变换器的结构图。如图2所示，支持电流源输入的单级隔离式变换器包括：直流电流源10、预充电电路11、转换电路12、电压变换电路13、辅助供电电路14、控制器15以及负载17，其中，转换电路12与直流电流源10连接，预充电电路11并联于转换电路12，电压变换电路13分别与转换电路12以及负载17连接，辅助供电电路14分别与预充电电路11、电压变化电路13以及控制器15连接，控制器15还分别与电压变化电路13及转换电路12中的开关管16连接。
直流电流源10，用于向预充电电路11及转换电路12提供恒定的直流电流源。
预充电电路11，用于在支持直流电流源输入的单级隔离式变换器启动时，通过预充电电路11的第一稳压管18被击穿后产生的电压，向辅助供电电路14提供启动电压，在支持直流电流源输入的单级隔离式变换器向负载17稳定供电的情况下，所述预充电电路11停止工作，由电压变换电路13向辅助供电电路14提供工作电压。
转换电路12，用于将直流电流源10提供的第一直流电流源转换为第一交流电。
电压变换电路13，用于将第一交流电进行电压变换以后为负载17供电。
辅助供电电路14，用于在得到启动电压或工作电压后，为所述控制器15提供工作电压，其中在支持直流电流源输入的单级隔离式变换器启动的情况下，由预充电电路11提供启动电压，在支持直流电流源输入的单级隔离式变换器向负载17提供稳定的电压的情况下，由电压变换电路13提供工作电压。
控制器15，用于获取电压变换电路13的输出电压，与预先设置的标准信号进行比较，并根据比较结果控制开关管16的占空比，以便于控制输出电压的大小。
需要说明的是，直流电流源10的输出电流具体不做限制，在具体实施中，与负载17的需求匹配即可。
本实施例所提供的一种支持直流电流源输入的单级隔离式变换器，包括转换电路、电压变换电路、控制器、辅助供电电路及预充电电路。由于设置了控制器，因此当电压变换电路的输出电压波动时，可以通过控制器控制开关管的占空比，以此控制输出电压的大小，使输出电压快速稳定，提高输出电压的稳定性。除此之外，由于设置了预充电电路及辅助供电电路，只有在支持直流电流源输入的单级隔离式变换器启动时，预充电电路中的第一稳压管被击穿后向辅助供电电路供电，在变换器稳定工作时，预充电电路则不工作，由辅助供电电路工作，因此预充电电路中的稳压管无需一直维持被击穿的状态，而现有技术无论输出功率大小，稳压管一直维持在击穿状态，一直消耗额外的功率，且输出功率大小与稳压管消耗功率成反比，而支持直流电流源输入的单级隔离式变换器稳压管不会一直消耗额外的功率，只在变换器启动时短暂的消耗功率，在变换器稳定工作时，稳压管没有功率损耗，因此提高了变换器的转换效率。
如图2所示，在上述实施例的基础上，电压变换电路13包含变压器130和整流电路131，其中变压器130的副边线圈与整流电路131连接。
变压器130，用于对第一交流电经过变压处理后，转化为第二交流电。
整流电路131，用于将第二交流电转化为直流输出电压后，向负载17供电。
整流电路131包括第十二极管D10、第十一二极管D11、第十二二极管D12、第十三二极管D13、第六电容C6、负载电阻RL(负载17)。变压器130(T1)的副边线圈的同名端与第十二极管D10和第十二二极管D12的公共端连接，变压器130(T1)的副边线圈的异名端与第十一二极管D11和第十三二极管D13的公共端连接，用于将转换电路12输出的第一交流电经过变压处理后，转化为第二交流电。第十二极管D10、第十一二极管D11、第十二二极管D12、第十三二极管D13构成第二整流桥，第六电容C6为滤波电容，第十二极管D10的阴极与第十一二极管D11的阴极连接，第十二极管D10的阳极与第十二二极管D12的阴极连接，第十一二极管D11的阴极与第六电容C6的第一端连接，第十一二极管D11的阳极与第十三二极管D13的阴极连接，第十二二极管D12的阳极接副边地，第十三二极管D13的阳极接副边地，第六电容C6的第二端接副边地，负载电阻RL(负载17)与第六电容C6并联，由第二整流桥与滤波电路组成的整流电路131，用于将变压器130(T1)的副边线圈输出的第二交流电转化为输出电流，以便于向负载17供电。
为了能够为负载17提供不同的电压，作为优选的实施例，变压器130(T1)中的线圈可以根据负载17的需求进行调整。
本实施例所提供的一种支持直流电流源输入的单级隔离式变换器，包括变压器和整流电路，变压器用于变压处理，整流电路用于将交流电转化为直流电，由于支持直流电流源输入的单级隔离式变换器包括了变压器和整流电路，因此能够根据负载的需求提供直流电压，为不同的负载进行稳定的供电。
如图2所示，在上述实施例的基础上，预充电电路11还包括：第一电容C1、第一二极管D1、第一电阻R1，其中，第一电容C1与第一稳压管18(ZD1)并联，第一电容C1的第一端与第一二极管D1的阳极连接，第一电容C1的第二端接地，第一电阻R1的第一端与第一二极管D1的阴极连接，第一电阻R1的第二端与辅助供电电路14连接。
在支持直流电流源输入的单级隔离式变换器启动时，直流电流源10为第一电容C1充电，当第一电容C1的电压到达第一稳压管18(ZD1)的击穿电压时，直流电流源10输出的电流会流过第一稳压管18(ZD1)，并在第一稳压管18(ZD1)的阴极产生电压，该电压通过第一二极管D1和第一电阻R1为辅助供电电路14充电。
当支持直流电流源输入的单级隔离式变换器向负载17稳定供电时，电压变换电路13向辅助供电电路14供电，此时由于辅助供电电路14的工作电压略高于第一二极管D1的阳极电压，第一二极管D1反向截至，预充电电路11停止运行。
在上述过程中，第一稳压管18(ZD1)的击穿电压不做具体限制，在具体实施中，与负载17供电需求匹配即可。
本实施例所提供的一种支持直流电流源输入的单级隔离式变换器，预充电电路包括：第一稳压管、第一电容、第一二极管及第一电阻，由于设置了预充电电路，只有在支持电流源输入的单级隔离式变换器启动时，预充电电路中的第一稳压管被击穿后，通过第一二极管及第一电阻向辅助供电电路供电，在支持电流源输入的单级隔离式变换器稳定工作时，预充电电路由于第一二极管反向截至，退出运行，因此预充电电路中的第一稳压管无需一直维持被击穿的状态向辅助供电电路供电，所以第一稳压管不会一直消耗额外的功率，只是在支持直流电流源输入的单级隔离式变换器启动时短暂的消耗功率，因此提高了支持直流电流源输入的单级隔离式变换器的转换效率。
如图2所示，在上述实施例的基础上，变压器130(T1)的原边包含两组线圈，变压器130(T1)的副边包含一组线圈，其中，原边的第一线圈与转换电路12的输出端连接，原边的第二线圈与辅助供电电路14连接，副边的线圈与整流电路131连接。
变压器130(T1)原边的第一线圈，用于将转换电路12输出的第一交流电变压后，转化为第二交流电。
变压器130(T1)原边的第二线圈，用于在支持直流电流源输入的单级隔离式变换器向负载17稳定供电的情况下，向辅助供电电路14提供工作电压。
需要说明的是，变压器130(T1)的第一线圈与副边线圈的匝数比以及第二线圈与副边线圈的匝数比不做限制，在具体实施中，可通过下式计算第一线圈与副边线圈的匝数比。
Figure BDA0002726538160000091
其中，n为第一线圈与副边线圈的匝数比，Io为输出电流，Is为输入电流，D为开关管16的占空比(D＞0.5)。
还需说明的时，变压器130(T1)的励磁电感不做限制，在具体实施中可通过下式计算。
Figure BDA0002726538160000101
其中，LP为励磁电感，L1为第一电感，L2为第二电感，VO为输出电压。在断续模式下时，励磁电感LP取最小值，f为开关管16的开关频率。
作为优选的实施例，变压器130(T1)具体为隔离式变压器，可以隔绝原副边的电气，因此可以保证用电安全，避免整流电路131、负载17对转换电路12的干扰以及转换电路12对整流电路131、负载17的干扰。
本实施例所提供的一种支持直流电流源输入的单级隔离式变换器，变压器由原边两组线圈、副边一组线圈组成，因此不仅可以完成转换电路的输出电压变压，还能在支持直流电流源输入的单级隔离式变换器稳定工作的时候，为辅助供电电路提供工作电压，防止第一稳压管一直消耗额外的功率，提高了支持直流电流源输入的单级隔离式变换器的转换效率。
如图2所示，在上述实施例的基础上，转换电路12包括：滤波电感Lf、第一电感L1、第二电感L2、第一开关管S1、第二开关管S2以及吸收电路120。其中，吸收电路120包括第三二极管D3、第四二极管D4、第二电容C2、第三电容C3、第二电阻R2及第三电阻R3，滤波电感Lf的第一端与第一电容C1的第一端连接，滤波电感Lf的第二端与第一电感L1的第一端及第二电感L2的第一端连接，第一电感L1的第二端与第一开关管S1的漏极、第一线圈的同名端以及第三二极管D3的阳极连接，第一开关管S1的源极与第二电容C2的第二端、第二电阻R2的第二端及地电位连接，第三二极管D3的阴极与第二电容C2的第一端以及第二电阻R2的第一端连接，第二电感L2的第二端与第一线圈的异名端、第二开关管S2的漏极、第四二极管D4的阳极连接，第二开关管S2的源极与第三电容C3的第二端、第三电阻R3的第二端以及地电位连接，第四二极管D4的阴极与第三电容C3的第一端及第三电阻R3的第一端连接。
吸收电路120，用于吸收第一开关管S1、第二开关管S2的关断尖峰，以便于降低第一开关管S1、第二开关管S2的选型难度，减少支持直流电流源输入的单级隔离式变换器的成本，减少第一开关管S1、第二开关管S2的损耗。
滤波电感Lf用于当电路正常工作，即输入电压以2倍开关管16的开关频率脉动时，减小输入直流电流源上的电压脉动，提高直流电流源上的电压稳定性，减小对直流电流源10的性能要求。
需要说明的是，可由下式推导输入输出关系。
IS·UL1·TLP_dis·TS+IS·UL2·TLP_dis·TS＝VO·IO·TS
其中，TLP_dis为励磁电感的励磁放电时间，TS为开关管16的开关周期。
支持直流电流源输入的单级隔离式变换器可工作在连续模式和断续模式这两种模式下，在连续模式时励磁放电时间为(1-D)*TS。
由此可得到在连续模式下输入输出的关系为：
IS·n·(1-D)＝IO
Figure BDA0002726538160000111
在断续模式下输入输出的关系为：
IS·n·TLP_dis＝IO
Figure BDA0002726538160000112
还需说明的是，第一电感L1和第二电感L2具体不做限制，在具体实施中，可由下式推导：
Figure BDA0002726538160000113
Figure BDA0002726538160000114
其中，ΔILP为励磁电感的电流脉动值，ΔI为第一电感L1和第二电感L2的电流脉动值。
由此可得到，第一电感L1和第二电感L2的取值：
Figure BDA0002726538160000115
由此可得到，第一电感L1的电压值：
Figure BDA0002726538160000116
由此可得到，第二电感L2的电压值：
Figure BDA0002726538160000121
本实施例所提供的一种支持直流电流源输入的单级隔离式变换器，包括：滤波电感、第一电感、第二电感、第一开关管、第二开关管、第三二极管、第四二极管、第二电容、第三电容、第二电阻及第三电阻。一种支持直流电流源输入的单级隔离式变换器中包括了第一开关管、第二开关管，可以通过控制第一开关管、第二开关管的占空比从而控制输出电压的大小，使得输出电压稳定。
如图2所示，在上述实施例的基础上，辅助供电电路14包括：第一整流桥、稳压器、第四电容C4、第五电容C5第二稳压管ZD2及第四电阻R4，其中，第一整流桥的第一端与稳压器的第二端以及第五电容的第一端连接，第一整流桥的第二端和第五电容第二端以及地连接，第一整流桥的第三端与第二线圈的同名端连接，第一整流桥的第四端与第二线圈的异名端连接，稳压器的第一端与第四电容C4的第一端连接，稳压器的第三端接地，第四电容C4的第二端接地，第二稳压管ZD2的阴极与第一电阻R1的第二端连接，第二稳压管ZD2的阳极与第四电阻R4的第一端以及控制器15中的控制器启动引脚连接，第四电阻R4的第二端接地。
其中，第一整流桥包括第六二极管D6、第七二极管D7、第八二极管D8、第九二极管D9，第六二极管D6的阴极与第七二极管D7的阴极连接，第六二极管D6的阳极与第八二极管D8的阴极连接，第七二极管D7的阳极与第九二极管D9的阴极连接，第八二极管D8的阳极接地，第九二极管D9的阳极接地。
在支持直流电流源输入的单级隔离式变换器启动时，预充电电路11中的第一稳压管18(ZD1)的阴极产生电压通过第一二极管D1和第一电阻R1向第四电容C4充电，当第四电容C4的电压到达启动电压，即第四电容C4的电压到达第二稳压管ZD2的击穿电压时，辅助供电电路14通过输出电压信号En，启动控制器15。
为了支持直流电流源输入的单级隔离式变换器更好的启动，作为优选的实施例，预先设置了使能电压，当输出电压信号En到达使能电压时，控制器15开始工作，因此避免了控制器15过早工作消耗额外的启动功率，导致控制器不能正常启动。
在支持直流电流源输入的单级隔离式变换器向负载17提供稳定的电压时，变压器130(T1)的第二线圈通过第六二极管D6、第七二极管D7、第八二极管D8、第九二极管D9，在通过第五电容C5后产生一个平稳的电压波形，再通过稳压器稳定该电压波形后，向第四电容C4提供稳定的工作电压，为控制器15工作持续供电。
可以理解的是，为了提高变压器130(T1)的第二线圈提供的工作电压的稳定性，作为优选的实施例，稳压器具体为低压差线性稳压器(Low Dropout Regulator，LDO)。
本实施例所提供的一种支持直流电流源输入的单级隔离式变换器，辅助供电电路包括：第一整流桥、稳压器、第四电容、第五电容、第二稳压管及第四电阻，由于设置了辅助供电电路，只有在支持直流电流源输入的单级隔离式变换器启动时，接收预充电电路提供的启动电压，在支持直流电流源输入的单级隔离式变换器稳定工作时，接收变压器提供的工作电压，因此预充电电路中的第一稳压管无需一直维持被击穿的状态向辅助供电电路供电，所以第一稳压管不会一直消耗额外的功率，只是在支持电流源输入的单级隔离式变换器启动时短暂的消耗功率，因此提高了支持电流源输入的单级隔离式变换器的转换效率。
如图2所示，在上述实施例的基础上，控制器15包括：误差放大器、PI控制器、基准电压源、比较器、锯齿波产生器、RS触发器、固定频率方波产生器、D触发器、第一或非门、第二或非门、第一非门及第二非门。其中，误差放大器的反相端与电压变换电路13的输出端(第六电容C6的第一端)连接，误差放大器的同相端与基准电压源的正极连接，基准电压源的负极接地，PI控制器的第一端与误差放大器的输出端连接，PI控制器的第二端与误差放大器的反相端连接，比较器的反相端与误差放大器的输出端连接，比较器的同相端与锯齿波产生器连接，RS触发器的复位端与比较器的输出端连接，RS触发器的置位端与固定频率方波产生器连接，RS触发器的第一输出端与D触发器的时钟端、第一或非门的第二端以及第二或非门的第二端连接，D触发器的输入端与第二或非门的第一端连接，D触发器的第一输出端与第一或非门的第一端连接，D触发器的第二输出端与第二或非门的第一端连接，第一或非门的第三端与第一非门的第二端连接，第二或非门的第三端与第二非门的第二端连接，第一非门的第一端与第一开关管S1的栅极连接，第二非门的第一端与第二开关管S2的栅极连接，第一非门和第二非门的控制器启动引脚分别与第二稳压管ZD2的阳极连接。
当预充电电路工作时，在使能电压信号En到达使能电压后，第一非门和第二非门开始工作，即控制器15开始工作，控制器15在采集输出电压变化后，与基准电压Vref通过误差放大器EA比较后经过PI控制器补偿得到误差信号Vre，误差信号Vre在经过比较器comp和锯齿波产生器产生的锯齿波Vsaw比较后产生方波信号，该方波信号与固定频率方波产生器产生的固定频率方波，经过RS触发器、D触发器、第一或非门和第二或非门后，产生两路互补的占空比小于0.5的第一驱动波，再通过第一非门和第二非门取反后，产生两路互补的占空比大于0.5的第二驱动波，由于第一非门的第一端与第一开关管S1的栅极连接，第二非门的第一端与第二开关管S2的栅极连接，因此第二驱动波可通过驱动开关管的开闭控制输出电压。当输出电压增大时，误差信号Vre降低，第一驱动波的占空比减少，第二驱动波的占空比增加，输出电压将降低回到稳定状态；当输出电压降低时，误差信号Vre升高，第一驱动波的占空比增加，第二驱动波的占空比减少，输出电压将升高回到稳定状态。
本实施例所提供的一种支持直流电流源输入的单级隔离式变换器，控制器包括误差放大器、PI控制器、基准电压源、比较器、锯齿波产生器、RS触发器、固定频率方波产生器、D触发器、第一或非门、第二或非门、第一非门及第二非门。由于设置了控制器，因此当电压变换电路的输出电压波动时，可以通过控制器输出控制开关管的占空比，以便于控制输出电压的大小，使输出电压快速稳定，提高输出电压的稳定性。
如图2所示，在上述实施例的基础上，支持直流电流源输入的单级隔离式变换器还包括：输出电压采样电路19，其中，输出电压采样电路19包括第五电阻R5和第六电阻R6，第五电阻R5的第一端与第六电容C6的第一端连接，第五电阻R5的第二端与第六电阻R6的第一端连接，第六电阻R6的第二端接地。
误差放大器EA的反相端与电压变换电路13的输出端(第六电容C6的第一端)连接具体为：误差放大器EA的反相端与输出电压采样电路19的第五电阻R5和第六电阻R6的公共端连接。
本实施例所提供的一种支持直流电流源输入的单级隔离式变换器，控制器中误差放大器的反相端与第五电阻和第六电阻的公共端连接，由于控制器采集输出电压通过第五电阻和第六电阻分压后的电压，因此防止因控制器采集的电压过大，导致控制器中各元器件被烧毁。
为了让本领域技术人员更加清楚本发明提供的技术方案，本文还给出一种支持直流电流源输入的单级隔离式变换器运行时的几种波形图。图3为本申请实施例提供的一种连续模式下支持电流源输入的单级隔离式变换器运行的波形图。如图3所述，纵坐标从上至下分别为第一开关管S1的驱动波、第二开关管S2的驱动波，第一电感L1的电流、第二电感L2的电流、第一电感L1的电压、第二电感L2的电压、第一线圈的输入电压、第一线圈的输入电流以及经过第二整流桥的电流。
图4为本申请实施例提供的断续模式下一种支持直流电流源输入的单级隔离式变换器运行的波形图。如图4所示，横坐标为时间，纵坐标从上至下分别为第一开关管S1的驱动波、第二开关管S2的驱动波，第一电感L1的电流、第二电感L2的电流、第一电感L1的电压、第二电感L2的电压、第一线圈的输入电压、第一线圈的输入电流以及经过第二整流桥的电流。
由图3和图4可知，在连续模块和断续模式下，第一开关管S1的驱动波与第二开关管S2的驱动波重叠且占空比大于0.5，第一电感L1的电流与第二电感L2的电流互补，第一电感L1的电压与第二电感L2的电压互补，连续模块与断续模式之间明显的区别为：在连续模块下经过第二整流桥的电流突变至0，在断续模式经过第二整流桥的电流下降至0，其中第二整流桥包括第十二极管D10、第十一二极管D11、第十二二极管D12、第十三二极管D13。
图5为本申请实施例提供的一种支持直流电流源输入的单级隔离式变换器运行的输入电流、输入电压、输出电流、输出电压波形图，如图5所示，从上至下为输入电流、输入电压、输出电流和输出电压的波形图，该波形图的横坐标为时间，纵坐标从上至下为安培、伏特、安培、伏特。输入电流具体为直流电流源10的输出电流，图5中可知直流电流源10的输出电流为恒定直流电流，输入电压为转换电路12的输入电压，输出电流和输出电压分别为电压变换电路13的输出电流和电压，即为支持直流电流源输入的单级隔离式变换器的输出电流和输出电压，由图5可知，支持直流电流源输入的单级隔离式变换器输出电流和输出电压稳定。
图6为本申请实施例提供的一种支持直流电流源输入的单级隔离式变换器运行的第一电感和第二电感的电流、第一开关管和第二开关管的驱动波形图。如图6所示，横坐标为时间，纵坐标从上至下分别为第一电感L1的电流、第二电感L2的电流、第一开关管S1的驱动波、第二开关管S2的驱动波，由图6可知，第一电感L1的电流与第二电感L2的电流为相反的交流电流，第一开关管S1的驱动波第二开关管S2的驱动波重叠且占空比大于0.5，因此在支持直流电流源输入的单级隔离式变换器工作工程中，第一开关管S1与第二开关管S2至少有一个开启，保证了直流电流源的通路，进而保证了支持直流电流源输入的单级隔离式变换器的稳定运行。
图7为本申请实施例提供的一种支持直流电流源输入的单级隔离式变换器运行的变压器第一线圈和副边电流、第一开关管和第二开关管的驱动波形图。如图7所示，横坐标为时间，纵坐标从上至下分别为第一线圈的电流、副边线圈的电流、第一开关管S1的驱动波以及第二开关管S2的驱动波，其中，第一线圈的电流为转换电路12输出的电流，副边线圈的电流为整流电路131的输入电流。
图8为本申请实施例提供的一种支持直流电流源输入的单级隔离式变换器运行的第一电感和第二电感电压、第一线圈电压、第一开关管和第二开关管的漏源极电压波形图。如图8所述，横坐标为时间，纵坐标从上至下分别为第一电感L1的电压、第二电感L2的电压、第一线圈的电压以及第一开关管S1和第二开关管S2的漏源极电压，其中，第一线圈的电压为转换电路12输出的第二交流电压。
以上对本申请所提供的一种支持直流电流源输入的单级隔离式变换器进行了详细介绍。说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。
还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

Claims (10)

1.一种支持直流电流源输入的单级隔离式变换器，其特征在于，包括：
与直流电流源连接的转换电路，用于将所述直流电流源输出的第一直流电流源转换为第一交流电，所述转换电路中包括用于控制所述转换电路的输出电压的开关管；
与所述转换电路连接的电压变换电路，用于将所述第一交流电进行电压变换以为负载供电；
与所述电压变换电路的输出端连接的控制器，用于获取所述电压变换电路的输出电压，与预先设置的标准信号进行比较，并根据比较结果控制所述开关管的占空比；
与所述控制器连接的辅助供电电路，用于在所述变换器启动时和所述变换器稳定工作时，为所述控制器提供启动电压和工作电压；
与所述转换电路并联的预充电电路，用于在所述支持直流电流源输入的单级隔离式变换器启动的情况下，通过所述预充电电路的第一稳压管被击穿后产生的电压，向所述辅助供电电路提供所述启动电压，在所述支持直流电流源输入的单级隔离式变换器向所述负载稳定供电的情况下，所述预充电电路停止工作；
其中，所述预充电电路停止工作时，所述电压变换电路向所述辅助供电电路提供所述工作电压。
2.根据权利要求1所述的支持直流电流源输入的单级隔离式变换器，其特征在于，所述电压变换电路包括：变压器及整流电路；
所述变压器，用于对所述第一交流电经过变压处理后，转化为第二交流电；
所述整流电路，用于将所述第二交流电转化为所述输出电压后，向所述负载供电。
3.根据权利要求1所述的支持直流电流源输入的单级隔离式变换器，其特征在于，所述预充电电路还包括：第一电容、第一二极管、第一电阻；其中，所述第一电容与所述第一稳压管并联，所述第一电容的第一端与所述第一二极管的阳极连接，所述第一电容的第二端接地，所述第一电阻的第一端与所述第一二极管的阴极连接，所述第一电阻的第二端与所述辅助供电电路连接。
4.根据权利要求2或3所述的支持直流电流源输入的单级隔离式变换器，其特征在于，所述变压器的原边包含两组线圈，所述变压器的副边包含一组线圈；其中，所述原边的第一线圈与所述转换电路的输出端连接，所述原边的第二线圈与所述辅助供电电路连接，所述副边的线圈与所述整流电路连接。
5.根据权利要求4所述的支持直流电流源输入的单级隔离式变换器，其特征在于，所述转换电路包括：滤波电感、第一电感、第二电感、第一开关管、第二开关管以及吸收电路；其中，所述吸收电路包括第三二极管、第四二极管、第二电容、第三电容、第二电阻及第三电阻，所述滤波电感的第一端与所述第一电容的第一端连接，所述滤波电感的第二端与所述第一电感的第一端及所述第二电感的第一端连接，所述第一电感的第二端与所述第一开关管的漏极、所述第一线圈的同名端、所述第三二极管的阳极连接，所述第一开关管的源极与所述第二电容的第二端、所述第二电阻的第二端以及地电位连接，所述第三二极管的阴极与所述第二电容的第一端以及所述第二电阻的第一端连接，所述第二电感的第二端与所述第一线圈的异名端、所述第二开关管的漏极、所述第四二极管的阳极连接，所述第二开关管的源极与所述第三电容的第二端、所述第三电阻的第二端以及地电位连接，所述第四二极管的阴极与所述第三电容的第一端及所述第三电阻的第一端连接。
6.根据权利要求4所述的支持直流电流源输入的单级隔离式变换器，其特征在于，所述辅助供电电路包括：第一整流桥、稳压器、第四电容、第五电容、第二稳压管及第四电阻；其中，所述第一整流桥的第一端与所述稳压器的第二端以及所述第五电容的第一端连接，所述第一整流桥的第二端与所述第五电容第二端以及地电位连接，所述第一整流桥的第三端与所述第二线圈的同名端连接，所述第一整流桥的第四端与所述第二线圈的异名端连接，所述稳压器的第一端与所述第四电容的第一端连接，所述稳压器的第三端接地，所述第四电容的第二端接地，所述第二稳压管的阴极与所述第一电阻的第二端连接，所述第二稳压管的阳极与所述第四电阻的第一端以及所述控制器中的控制器启动引脚连接，所述第四电阻的第二端接地；
所述第一整流桥，用于在所述支持直流电流源输入的单级隔离式变换器向所述负载稳定供电的情况下，将所述电压变换电路提供的第三交流电转化为第二直流电；
所述稳压器，用于将所述第二直流电进行稳压处理后，向所述控制器提供稳定的所述工作电压。
7.根据权利要求6所述的支持直流电流源输入的单级隔离式变换器，其特征在于，所述控制器包括：误差放大器、PI控制器、基准电压源、比较器、锯齿波产生器、RS触发器、固定频率方波产生器、D触发器、第一或非门、第二或非门、第一非门及第二非门；其中，所述误差放大器的反相端与所述电压变换电路的输出端连接，所述误差放大器的同相端与所述基准电压源的正极连接，所述基准电压源的负极接副边地，所述PI控制器的第一端与所述误差放大器的输出端连接，所述PI控制器的第二端与所述误差放大器的反相端连接，所述比较器的反相端与所述误差放大器的输出端连接，所述比较器的同相端与所述锯齿波产生器连接，所述RS触发器的复位端与所述比较器的输出端连接，所述RS触发器的置位端与所述固定频率方波产生器连接，所述RS触发器的第一输出端与所述D触发器的时钟端、所述第一或非门的第二端以及所述第二或非门的第二端连接，所述D触发器的输入端与所述第二或非门的第一端连接，所述D触发器的第一输出端与所述第一或非门的第一端连接，所述D触发器的第二输出端与所述第二或非门的第一端连接，所述第一或非门的第三端与所述第一非门的第二端连接，所述第二或非门的第三端与所述第二非门的第二端连接，所述第一非门的第一端与所述第一开关管的栅极连接，所述第二非门的第一端与所述第二开关管的栅极连接，所述第一非门和所述第二非门的控制器启动引脚分别与第二稳压管的阳极连接。
8.根据权利要求7所述的支持直流电流源输入的单级隔离式变换器，其特征在于，还包括：输出电压采样电路；其中，所述输出电压采样电路包括第五电阻和第六电阻，所述第五电阻的第一端与所述电压变换电路的输出端正极连接，所述第五电阻的第二端与所述第六电阻的第一端连接，所述第六电阻的第二端与输出端负极和副边地连接；
所述误差放大器的反相端与所述电压变换电路的输出端连接具体为：所述误差放大器的反相端与所述第五电阻和所述第六电阻的公共端连接。
9.根据权利要求4所述的支持直流电流源输入的单级隔离式变换器，其特征在于，所述变压器具体为隔离式变压器。
10.根据权利要求5所述的支持直流电流源输入的单级隔离式变换器，其特征在于，所述稳压器具体为线性稳压器。
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阎铁生 等: "DCM-CRM Boost-Flyback单级PFC变换器", 《电力自动化设备》 *

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN112782448A (zh) * 2020-12-30 2021-05-11 西华大学 一种电流源输入的变换装置

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