CN113541487A - 一种级联稳压正弦谐振的高压电源 - Google Patents

一种级联稳压正弦谐振的高压电源 Download PDF

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高彧博
鲁帆
程立
李群
谢章贵
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Abstract

本发明公开了一种级联稳压正弦谐振的高压电源，包括非隔离预稳压电路、高频正弦谐振电路、高频变压器、高压整流滤波电路和稳压取样反馈部分；非隔离预稳压电路根据稳压取样反馈部分所反馈的电压信号调节输出的电压，并发送至后级高频正弦谐振逆变及升压变换整流电路，高频正弦谐振电路处于开环状态，通过输出电压的取样调节其前级非隔离预稳压电路实现整个高压电源输出电压的稳压闭环反馈。本发明前级预稳压电路采用四开关升降压变换器，可以适应宽输入电源范围，后级级联正弦谐振变换器，实现了主功率变换部分开关晶体管的软开关，提高了高压电源的开关频率和转换效率，具有宽输入电压范围、小型化高频化、高效率、高可靠性等特点。

Description

一种级联稳压正弦谐振的高压电源
技术领域
本发明属于高压电源技术领域，特别是一种级联稳压正弦谐振的高压电源。
背景技术
随着半导体功率器件的迅速发展，工业产品的使用需求逐步提高，高压电源的小型化趋势愈演愈烈。针对小型化的设计需求，高压电源的高频化和软开关技术在不断的发展革新，其中移相全桥拓扑就是高频化软开关高压电源的经典电路结构。
然而在高压电源中，由于高压变压器分布电容、漏感等分布参数以及高压功率器件的寄生参数较大，移相全桥拓扑在高压电源中的工程化往往存在桥臂干扰共同导致的可靠性问题，轻载较难实现软开关以及频率难以大幅提高等问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种级联稳压正弦谐振的高压电源，实现主功率变换部分开关晶体管的软开关，提高高压电源的开关频率和转换效率。
实现本发明目的的技术解决方案是：一种级联稳压正弦谐振的高压电源，包括顺次设置的非隔离预稳压电路、高频正弦谐振电路、高频变压器、高压整流滤波电路和稳压取样反馈部分，其中：
所述非隔离预稳压电路根据稳压取样反馈部分所反馈的电压信号调节输出的电压，并发送至后级高频正弦谐振电路，经过高频正弦谐振电路的高频逆变后产生正弦波发送至高频变压器，高频变压器对正弦波电压升压变换后发送至高压整流滤波电路进行高压整流后完成高压输出。
进一步地，所述高频正弦谐振电路处于开环状态，稳压取样反馈部分与高压整流滤波电路连接，通过稳压取样反馈部分调节前级非隔离预稳压电路实现整个高压电源输出电压的稳压闭环反馈。
进一步地，所述高频正弦谐振电路、高频变压器和高压整流滤波电路中变换的电压电流波形均为正弦波。
进一步地，所述高频正弦谐振电路中的开关变换电路频率固定，导通脉冲宽度固定，处于定频定宽工作模式。
进一步地，所述非隔离预稳压电路中变换拓扑为四开关升降压电路，根据非隔离预稳压电路输入输出的电压高低进行拓扑调节，当非隔离预稳压电路的输出电压高于输入电压时为BOOST升压电路，当非隔离预稳压电路的输出电压低于输入电压时为BUCK升压电路。
进一步地，所述非隔离预稳压电路的输入电压Vin、输出电压Vout相减的绝对值小于阈值时，设定滞回比较，变换器处于BUCK-BOOST工作模式，当Vout偏低时，降低BOOST的占空比即提高BUCK的占空比，当Vout偏高时，降低BUCK的占空比即提高BOOST的占空比，其中BUCK与BOOST的反馈加权系数按照1:1设定。
进一步地，所述非隔离预稳压电路为四开关升降压电路拓扑，包括第一开关晶体管、第二开关晶体管、第三开关晶体管、第四开关晶体管、电感、滤波电容；
所述第一开关晶体管的漏极接输入电源Vin的﹢端，第二开关晶体管的源极接输入电源Vin的-端，第一开关晶体管的源极与第二开关晶体管的漏极相接，第四开关晶体管的源极与第三开关晶体管的漏极相接，电感的一端接第一开关晶体管的源极，另一端接第四开关晶体管的源极，第二开关晶体管的源极与第三开关晶体管的源极相接，第三开关晶体管的源极接滤波电容的一端作为输出直流电源的-端，第四开关晶体管的源极接滤波电容的另一端作为输出直流电源的+端；
当非隔离预稳压电路的输出电压Vout高于输入电压Vin时为BOOST升压电路，第一开关晶体管处于导通状态，第二开关晶体管处于截止状态，第三开关晶体管为开关状态，导通脉宽为BUCK导通脉宽，第四开关晶体管为BUCK电路的同步整流管；非隔离预稳压电路的输出电压Vout低于输入电压Vin时为BUCK降压电路，第四开关晶体管处于导通状态，第三开关晶体管处于截止状态，第一开关晶体管为开关状态，导通脉宽为BUCK导通脉宽，第二开关晶体管为BUCK电路的同步整流管。
进一步地，所述高频正弦谐振电路包括第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管、第四晶体管、谐振电感、谐振电容；所述第一晶体管的漏极与第四晶体管的漏极并联接至非隔离预稳压电路发送过来的1Vout的﹢端，第二晶体管的源极与第三晶体管的源极并联接至非隔离预稳压电路发送过来的1Vout的-端，第一晶体管的源极与第二晶体管的漏极相接后与谐振电感的1端相接，谐振电感的2端与谐振电容的1端相接，第四晶体管的源极与第三晶体管的漏极相接，谐振电容的2端与第三晶体管的漏极作为输出端，送出高频正弦波Vsine；
设定所述高频正弦谐振电路的开关频率与谐振电感、谐振电容的谐振频率相同，此时送出的为正弦波，在全桥开关死区之前完成半个周期的谐振，在导通之前桥臂电流通过谐振回零，即第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管、第四晶体管(25均处于零电流开通，实现软开关。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
(1)宽输入电压范围：本发明的非隔离预稳压电路为四开关升降压电路拓扑，可以实现非隔离升压变换、非隔离降压变换，可以适应宽输入电压范围；
(2)主功率变换部分开关晶体管的软开关：本发明的级联稳压正弦谐振高压电源中主功率变换部分为开环的高频正弦谐振电路，开关晶体管导通期间为谐振变换的半周期，开关状态切换瞬间恰好电压回零，实现了开关晶体管的软开关；
(3)高效率：主功率变换部分电路为正弦谐振拓扑，高频正弦谐振电路、高频变压器和高压整流滤波电路中变换的电压电流波形均为正弦波，提高了变换器效率；
(4)高可靠性：高频正弦谐振电路中的开关变换电路频率固定，导通脉冲宽度固定，处于定频定宽工作模式，为开环工作，避免了闭环超调过程中可能导致的桥臂共通等故障；
(5)高频化，小型化：通过级联的开环谐振软开关技术实现了高压电源的高频化，减小了电感、变压器、滤波电容等无源器件的尺寸，实现了小型化。
附图说明
图1是本发明的级联稳压正弦谐振高压电源的电路框图。
图2是本发明的非隔离预稳压电路的原理图。
图3是本发明的高频正弦谐振电路的原理图。
具体实施方式
本发明一种级联稳压正弦谐振的高压电源，包括顺次设置的非隔离预稳压电路1、高频正弦谐振电路2、高频变压器3、高压整流滤波电路4和稳压取样反馈部分5，其中：
所述非隔离预稳压电路1根据稳压取样反馈部分5所反馈的电压信号调节输出的电压，并发送至后级高频正弦谐振电路2，经过高频正弦谐振电路2的高频逆变后产生正弦波发送至高频变压器3，高频变压器3对正弦波电压升压变换后发送至高压整流滤波电路4进行高压整流后完成高压输出。
进一步地，所述高频正弦谐振电路2处于开环状态，稳压取样反馈部分5与高压整流滤波电路4连接，通过稳压取样反馈部分5调节前级非隔离预稳压电路1实现整个高压电源输出电压的稳压闭环反馈。
进一步地，所述高频正弦谐振电路2、高频变压器3和高压整流滤波电路4中变换的电压电流波形均为正弦波。
进一步地，所述高频正弦谐振电路2中的开关变换电路频率固定，导通脉冲宽度固定，处于定频定宽工作模式。
进一步地，所述非隔离预稳压电路1中变换拓扑为四开关升降压电路，根据非隔离预稳压电路1输入输出的电压高低进行拓扑调节，当非隔离预稳压电路1的输出电压高于输入电压时为BOOST升压电路，当非隔离预稳压电路1的输出电压低于输入电压时为BUCK升压电路。
进一步地，所述非隔离预稳压电路1的输入电压Vin、输出电压Vout相减的绝对值小于阈值时，设定滞回比较，变换器处于BUCK-BOOST工作模式，当Vout偏低时，降低BOOST的占空比即提高BUCK的占空比，当Vout偏高时，降低BUCK的占空比即提高BOOST的占空比，其中BUCK与BOOST的反馈加权系数按照1:1设定。
进一步地，所述非隔离预稳压电路1为四开关升降压电路拓扑，包括第一开关晶体管11、第二开关晶体管12、第三开关晶体管14、第四开关晶体管15、电感13、滤波电容16；
所述第一开关晶体管11的漏极接输入电源Vin的﹢端，第二开关晶体管12的源极接输入电源Vin的-端，第一开关晶体管11的源极与第二开关晶体管12的漏极相接，第四开关晶体管15的源极与第三开关晶体管14的漏极相接，电感13的一端接第一开关晶体管11的源极，另一端接第四开关晶体管15的源极，第二开关晶体管12的源极与第三开关晶体管14的源极相接，第三开关晶体管14的源极接滤波电容16的一端作为输出直流电源的-端，第四开关晶体管15的源极接滤波电容16的另一端作为输出直流电源的+端；
当非隔离预稳压电路1的输出电压Vout高于输入电压Vin时为BOOST升压电路，第一开关晶体管11处于导通状态，第二开关晶体管12处于截止状态，第三开关晶体管14为开关状态，导通脉宽为BUCK导通脉宽，第四开关晶体管15为BUCK电路的同步整流管；非隔离预稳压电路1的输出电压Vout低于输入电压Vin时为BUCK降压电路，第四开关晶体管15处于导通状态，第三开关晶体管14处于截止状态，第一开关晶体管11为开关状态，导通脉宽为BUCK导通脉宽，第二开关晶体管12为BUCK电路的同步整流管。
进一步地，所述高频正弦谐振电路2包括第一晶体管21、第二晶体管22、第三晶体管24、第四晶体管25、谐振电感23、谐振电容26；所述第一晶体管21的漏极与第四晶体管25的漏极并联接至非隔离预稳压电路1发送过来的1Vout的﹢端，第二晶体管22的源极与第三晶体管24的源极并联接至非隔离预稳压电路1发送过来的1Vout的-端，第一晶体管21的源极与第二晶体管22的漏极相接后与谐振电感23的1端相接，谐振电感23的2端与谐振电容26的1端相接，第四晶体管25的源极与第三晶体管24的漏极相接，谐振电容26的2端与第三晶体管24的漏极作为输出端，送出高频正弦波Vsine；
设定所述高频正弦谐振电路2的开关频率与谐振电感23、谐振电容26的谐振频率相同，此时送出的为正弦波，在全桥开关死区之前完成半个周期的谐振，在导通之前桥臂电流通过谐振回零，即第一晶体管21、第二晶体管22、第三晶体管24、第四晶体管25均处于零电流开通，实现软开关。
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例
如图1所示，本发明一种级联稳压正弦谐振的高压电源，包括：
非隔离预稳压电路1、高频正弦谐振电路2、高频变压器3、高压整流滤波电路4和稳压取样反馈部分5以及它们之间特定的连接方式；所述非隔离预稳压电路1根据稳压取样反馈部分5所反馈的电压信号调节输出的电压，并发送至后级高频正弦谐振电路2，经过高频正弦谐振电路2的高频逆变后产生正弦波发送至高频变压器3，高频变压器3对正弦波电压升压变换后发送至高压整流滤波电路4进行高压整流后完成高压输出。
所述高频正弦谐振电路2处于开环状态，整个高压电源输出电压的稳压闭环反馈通过稳压取样反馈部分5调节其前级非隔离预稳压电路1实现。
所述高频正弦谐振电路2、高频变压器3和高压整流滤波电路4中变换的电压电流波形均为正弦波。
如图2所示，本发明的非隔离预稳压电路1为四开关升降压电路拓扑，包括：
第一开关晶体管11、第二开关晶体管12、第三开关晶体管14、第四开关晶体管15，电感13，滤波电容16。所述第一开关晶体管11的漏极接输入电源Vin的﹢端，第二开关晶体管12的源极接输入电源Vin的-端，第一开关晶体管11的源极与第二开关晶体管12的漏极相接，第四开关晶体管15的源极与第三开关晶体管14的漏极相接，电感13的一端接第一开关晶体管11的源极，另一端接第四开关晶体管15的源极，第二开关晶体管12的源极与第三开关晶体管14的源极相接，第三开关晶体管14的源极接滤波电容16的一端作为输出直流电源的-端，第四开关晶体管15的源极接滤波电容16的另一端作为输出直流电源的+端。
所述非隔离预稳压电路1根据稳压取样反馈部分5的反馈信号进行调节稳压。当非隔离预稳压电路1的输出电压Vout高于输入电压Vin时为BOOST升压电路，第一开关晶体管11处于导通状态，第二开关晶体管12处于截止状态，第三开关晶体管14为开关状态，其导通脉宽为BUCK导通脉宽，第四开关晶体管15为BUCK电路的同步整流管；非隔离预稳压电路1的输出电压Vout低于输入电压Vin时为BUCK降压电路，第四开关晶体管15处于导通状态，第三开关晶体管14处于截止状态，第一开关晶体管11为开关状态，其导通脉宽为BUCK导通脉宽，第二开关晶体管12为BUCK电路的同步整流管。
较佳的，当非隔离预稳压电路1的输入电压Vin输出电压Vout接近的时候，设定滞回比较，变换器处于BUCK-BOOST工作模式，当Vout偏低时，降低BOOST的占空比(提高BUCK的占空比)，当Vout偏高时，降低BUCK的占空比(提高BOOST的占空比)，其中BUCK与BOOST的反馈加权系数可以按照1:1设定。
如图3所示，本发明的高频正弦谐振电路2，包括：第一晶体管21、第二晶体管22、第三晶体管24、第四晶体管25，谐振电感23，谐振电容26。所述第一晶体管21的漏极与第四晶体管25的漏极并联接非隔离预稳压电路1送过来的1Vout的﹢端，第二晶体管22的源极与第三晶体管24的源极并联接1Vout的-端，第一晶体管21的源极与第二晶体管22的漏极相接后与谐振电感23的1端相接，谐振电感23的2端与谐振电容26的1端相接，第四晶体管25的源极与第三晶体管24的漏极相接，谐振电容26的2端与第三晶体管24的漏极作为输出端，送出高频正弦波Vsine。
设定所述高频正弦谐振电路2的开关频率与谐振电感23、谐振电容26的谐振频率相同，此时送出的为正弦波，在全桥开关死区之前完成半个周期的谐振，在导通之前桥臂电流通过谐振回零，即第一晶体管21、第二晶体管22、第三晶体管24、第四晶体管25均处于零电流开通，实现了软开关。
所述高频正弦谐振电路2中的开关变换电路频率固定，导通脉冲宽度固定，处于定频定宽工作模式，不随着反馈环路进行变化，可以在不同的负载和输入电压情况下实现软开关。
本发明的级联稳压正弦谐振高压电源，通过前级的非隔离预稳压电路与级联的正弦谐振开环升压电路完成升压变换及闭环稳压，主功率变换部分为开环的定频定宽正弦谐振电路，将复杂的难以工程处理的高压开关电源转换为一个非隔离预稳压电路和一个高频正弦谐振电路等两个级联的较简单电路，前级预稳压电路采用四开关升降压变换器可以满足宽输入电源范围，后级级联了正弦谐振变换器，实现了主功率变换部分开关晶体管的软开关，提高了高压电源的开关频率和转换效率，具有宽输入电压范围小型化高频化高效率高可靠性等特点。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种级联稳压正弦谐振的高压电源，其特征在于：包括顺次设置的非隔离预稳压电路(1)、高频正弦谐振电路(2)、高频变压器(3)、高压整流滤波电路(4)和稳压取样反馈部分(5)，其中：
所述非隔离预稳压电路(1)根据稳压取样反馈部分(5)所反馈的电压信号调节输出的电压，并发送至后级高频正弦谐振电路(2)，经过高频正弦谐振电路(2)的高频逆变后产生正弦波发送至高频变压器(3)，高频变压器(3)对正弦波电压升压变换后发送至高压整流滤波电路(4)进行高压整流后完成高压输出。
2.根据权利要求1所述的级联稳压正弦谐振的高压电源，其特征在于：所述高频正弦谐振电路(2)处于开环状态，稳压取样反馈部分(5)与高压整流滤波电路(4)连接，通过稳压取样反馈部分(5)调节前级非隔离预稳压电路(1)实现整个高压电源输出电压的稳压闭环反馈。
3.根据权利要求1所述的级联稳压正弦谐振的高压电源，其特征在于：所述高频正弦谐振电路(2)、高频变压器(3)和高压整流滤波电路(4)中变换的电压电流波形均为正弦波。
4.根据权利要求1所述的级联稳压正弦谐振的高压电源，其特征在于：所述高频正弦谐振电路(2)中的开关变换电路频率固定，导通脉冲宽度固定，处于定频定宽工作模式。
5.根据权利要求1所述的级联稳压正弦谐振的高压电源，其特征在于：所述非隔离预稳压电路(1)中变换拓扑为四开关升降压电路，根据非隔离预稳压电路(1)输入输出的电压高低进行拓扑调节，当非隔离预稳压电路(1)的输出电压高于输入电压时为BOOST升压电路，当非隔离预稳压电路(1)的输出电压低于输入电压时为BUCK升压电路。
6.根据权利要求1所述的级联稳压正弦谐振的高压电源，其特征在于：所述非隔离预稳压电路(1)的输入电压Vin、输出电压Vout相减的绝对值小于阈值时，设定滞回比较，变换器处于BUCK-BOOST工作模式，当Vout偏低时，降低BOOST的占空比即提高BUCK的占空比，当Vout偏高时，降低BUCK的占空比即提高BOOST的占空比，其中BUCK与BOOST的反馈加权系数按照1:1设定。
7.根据权利要求1～6任一项所述的级联稳压正弦谐振的高压电源，其特征在于：所述非隔离预稳压电路(1)为四开关升降压电路拓扑，包括第一开关晶体管(11)、第二开关晶体管(12)、第三开关晶体管(14)、第四开关晶体管(15)、电感(13)、滤波电容(16)；
所述第一开关晶体管(11)的漏极接输入电源Vin的﹢端，第二开关晶体管(12)的源极接输入电源Vin的-端，第一开关晶体管(11)的源极与第二开关晶体管(12)的漏极相接，第四开关晶体管(15)的源极与第三开关晶体管(14)的漏极相接，电感(13)的一端接第一开关晶体管(11)的源极，另一端接第四开关晶体管(15)的源极，第二开关晶体管(12)的源极与第三开关晶体管(14)的源极相接，第三开关晶体管(14)的源极接滤波电容(16)的一端作为输出直流电源的-端，第四开关晶体管(15)的源极接滤波电容(16)的另一端作为输出直流电源的+端；
当非隔离预稳压电路(1)的输出电压Vout高于输入电压Vin时为BOOST升压电路，第一开关晶体管(11)处于导通状态，第二开关晶体管(12)处于截止状态，第三开关晶体管(14)为开关状态，导通脉宽为BUCK导通脉宽，第四开关晶体管(15)为BUCK电路的同步整流管；非隔离预稳压电路(1)的输出电压Vout低于输入电压Vin时为BUCK降压电路，第四开关晶体管(15)处于导通状态，第三开关晶体管(14)处于截止状态，第一开关晶体管(11)为开关状态，导通脉宽为BUCK导通脉宽，第二开关晶体管(12)为BUCK电路的同步整流管。
8.根据权利要求7所述的级联稳压正弦谐振的高压电源，其特征在于：所述高频正弦谐振电路(2)包括第一晶体管(21)、第二晶体管(22)、第三晶体管(24)、第四晶体管(25)、谐振电感(23)、谐振电容(26)；所述第一晶体管(21)的漏极与第四晶体管(25)的漏极并联接至非隔离预稳压电路(1)发送过来的1Vout的﹢端，第二晶体管(22)的源极与第三晶体管(24)的源极并联接至非隔离预稳压电路(1)发送过来的1Vout的-端，第一晶体管(21)的源极与第二晶体管(22)的漏极相接后与谐振电感(23)的1端相接，谐振电感(23)的2端与谐振电容(26)的1端相接，第四晶体管(25)的源极与第三晶体管(24)的漏极相接，谐振电容(26)的2端与第三晶体管(24)的漏极作为输出端，送出高频正弦波Vsine；
设定所述高频正弦谐振电路(2)的开关频率与谐振电感(23)、谐振电容(26)的谐振频率相同，此时送出的为正弦波，在全桥开关死区之前完成半个周期的谐振，在导通之前桥臂电流通过谐振回零，即第一晶体管(21)、第二晶体管(22)、第三晶体管(24)、第四晶体管(25均处于零电流开通，实现软开关。
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