CN114268216B - 超高压输入型开关电源辅助供电起机控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超高压输入型开关电源辅助供电起机控制系统及方法，其中，所述系统包括高压控制中心、高压辅助电源、两组以上分压电容、起机充电电路以及后级隔离反馈充电电路；分压电容串联于输入母线，两组以上分压电容中的第一组分压电容与高压辅助电源连接，两组以上分压电容中的第二组分压电容通过起机充电电路与高压控制中心连接，后级隔离反馈充电电路与高压辅助电源以及高压控制中心连接，后级隔离反馈充电电路用于向高压辅助电源充电，高压控制在隔离反馈电压达到设定范围时控制起机充电电路停止对第一组分压电容充电。本发明仅需要数只常用的低压贴片小开关管，就可以完成超高压输入的辅助供电，价格低廉且应用简单。

Description

超高压输入型开关电源辅助供电起机控制系统及方法

技术领域

本发明属于电力电子领域，特别涉及一种超高压输入型开关电源辅助供电起机控制系统及方法。

背景技术

在高压输入型开关电源应用中，例如输入电压超过3kV时，器件选型为一大难题，超高压开关器件种类少、体积大、损耗大且价格昂贵，直接利用高压直流母线做反激辅助电源的输入时，设计难度较大。在常用超高压输入型开关管电源电路中，辅助供电有串联反激或者三电平电路可供选择，但是器件较多，拓扑复杂，设计难度大，且研发时间较长。辅助供电的功率小，选用较复杂的拓扑或者器件经济性较差。

发明内容

针对上述问题，本发明采用的技术方案是：一种超高压输入型开关电源辅助供电起机控制系统，所述系统包括高压控制中心、高压辅助电源、两组以上分压电容、起机充电电路以及后级隔离反馈充电电路；

所述分压电容串联于输入母线，所述两组以上分压电容中的第一组分压电容与所述高压辅助电源连接，用于起机供电，所述两组以上分压电容中的第二组分压电容通过所述起机充电电路与所述高压控制中心连接，所述高压控制中心控制所述起机充电电路对所述第一组分压电容充电；

所述后级隔离反馈充电电路与所述高压辅助电源以及所述高压控制中心连接，所述后级隔离反馈充电电路用于向所述高压辅助电源充电，所述高压控制中心采集所述后级隔离反馈充电电路的隔离反馈电压，并在所述隔离反馈电压达到设定范围时控制所述起机充电电路停止对所述第一组分压电容充电。

可选地，所述分压电容为三组，其中，三组分压电容分别为所述第一组分压电容、所述第二组分压电容和第三组分压电容，所述起机充电电路为两组，所述第二组分压电容和所述第三组分压电容分别与两组所述起机充电电路一一对应连接。

可选地，所述后级隔离反馈充电电路包括依次连接的高压DC-DC变换主电路、后级输出电路以及后级辅助电源，所述高压DC-DC变换主电路连接于输入母线；

所述高压DC-DC变换主电路通过所述后级输出电路向所述后级辅助电源供电，所述后级辅助电源用于向所述高压辅助电源隔离反馈充电。

可选地，所述系统还包括后级控制中心，所述后级辅助电源与所述后级控制中心连接并向所述后级控制中心供电。

可选地，所述高压辅助电源与所述高压控制中心连接，并向所述高压控制中心供电。

可选地，所述后级控制中心与所述高压控制中心隔离通信连接。

可选地，所述高压DC-DC变换主电路和所述后级输出电路为三电平半桥拓扑电路，所述高压控制中心产生脉宽调制信号驱动所述高压DC-DC变换主电路和所述后级输出电路工作。

可选地，所述分压电容中的电容分别连接有瞬态二极管和电阻，用于防止电容电压过充。

可选地，所述起机充电电路包括光耦和开关管，在所述隔离反馈电压达到设定范围时，高压控制中心产生使所述光耦导通的高电平驱动信号，拉低所述开关管的GS电压，使所述开关管关断，以停止为所述第一组分压电容充电。

以及，一种超高压输入型开关电源辅助供电起机控制系统的控制方法，包括以下步骤：

正常均压时，分压电容均进行充电；

输入供电开启后，所述起机充电电路为所述第一组分压电容充电，使所述第一组分压电容为所述高压辅助电源进行起机供电；

所述高压控制中心驱动所述后级隔离反馈充电电路工作，所述后级隔离反馈充电电路向所述高压辅助电源供电，同时所述高压控制中心采集所述后级隔离反馈充电电路的隔离反馈电压，并在所述隔离反馈电压达到设定范围时控制所述起机充电电路停止对所述第一组分压电容充电。

本发明由于采用上述技术方案，使其具有以下有益效果：首先在高压输入开关电源中，不需要外界的额外辅助供电，仅仅利用高压输入供电，即可以完成对高压开关电源的控制电路部分供电，且开机速度快，工作状态稳定，使用更加安全。其次为高压输入电路中的控制电路供电提供了一种更简单的解决方案，仅需要数只常用的低压贴片小开关管，就可以完成超高压输入的辅助供电，选型容易，价格低廉且应用简单。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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示出了根据本发明实施例的超高压输入型开关电源辅助供电起机控制系统框图；

图2示出了根据本发明实施例的超高压输入型开关电源辅助供电起机控制系统电路图；

图3示出了根据本发明实施例的后级辅助电源的电路设计图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

如图1所示的超高压输入型开关电源辅助供电起机控制系统框图，本发明实施例的超高压输入型开关电源辅助供电起机控制系统包括高压控制中心、高压辅助电源、两组以上分压电容、起机充电电路以及后级隔离反馈充电电路。

其中，所述分压电容串联于输入母线，所述两组以上分压电容中的第一组分压电容与所述高压辅助电源连接，用于起机供电，所述两组以上分压电容中的第二组分压电容通过所述起机充电电路与所述高压控制中心连接，所述高压控制中心控制所述起机充电电路对所述第一组分压电容充电。在本实施例中，如图1所示，该系统包括三组分压电容、两组起机充电电路，其中，三组分压电容分别为第一组分压电容、第二组分压电容和第三组分压电容，且图1中的中间组所述分压电容为所述第一组分压电容，第二组分压电容和第三组分压电容与两组起机充电电路一一对应连接，第二组分压电容和第三组分压电容通过起机充电电路与所述高压控制中心连接，为位于中间的第一组分压电容充电。

所述后级隔离反馈充电电路与所述高压辅助电源以及所述高压控制中心连接，所述后级隔离反馈充电电路用于在后级输出电压建立之后向所述高压辅助电源充电。所述高压控制中心采集所述后级隔离反馈充电电路的隔离反馈电压，并在所述隔离反馈电压达到设定范围时控制所述起机充电电路停止对中间组所述分压电容充电。所述高压辅助电源还与所述高压控制中心连接，并向所述高压控制中心供电。

进一步的，所述后级隔离反馈充电电路包括依次连接的高压DC-DC变换主电路、后级输出电路以及后级辅助电源，所述高压DC-DC变换主电路连接于输入母线。所述高压DC-DC变换主电路通过所述后级输出电路向所述后级辅助电源供电，所述后级辅助电源有两路输出，一路用于向所述高压辅助电源隔离反馈充电，连接高压辅助电源的输入端，为高压辅助电源输入端供电，所述系统还包括后级控制中心，所述后级辅助电源的另一路与所述后级控制中心连接并向所述后级控制中心供电，为低压输出。此外，所述后级控制中心还与所述高压控制中心隔离通信连接，保持和高压控制中心的通讯，同时后级控制中心连接外部，例如与外部的电脑、上位机和显示屏等保持通讯。

在本实施例中，采用如图2所示的超高压输入型开关电源辅助供电起机控制系统电路图实现上述功能，其中，三组分压电容中的每组分压电容均包括两个电容，对应图2中的依次串联连接的C1、C2、C3、C4、C5、C6，定义C1-C6的上端为第一端，下端为第二端，C1的第一端连接高压输入正母线，C6的第二端连接高压输入负母线。

如图2所示，所述起机充电电路包括N沟道开关管Q5、Q6、Q7、Q8、瞬态二极管D8~D19和电阻R1、R2、R4、R5、R7-R22，还包括光耦N1、N2、N3、N4。其中瞬态二极管和电阻一方面用于导通开关管Q5~Q8，另一方面用于防止电容电压过充。具体连接方式如下：

N1的阳极接5V电源，N1的集电极与D9的阳极连接，D9的阴极与D8的阳极连接，D8的阴极依次连接R1和R11后与C1的第一端连接，N1的发射极与C1的第二端连接，Q5的漏极依次连接R2和R12后与C1的第一端连接，Q5的源极与C1的第二端以及N1的发射极连接，Q5的栅极与N1的集电极连接，且D10和R19并联，D10的阴极与D9的阳极连接，D10的阳极与C1的第二端连接。N2的阳极接5V电源，N2的集电极与D12的阳极连接，D12的阴极与D11的阳极连接，D11的阴极依次连接R4和R13后与C2的第一端连接，N2的发射极与C2的第二端连接，Q6的漏极依次连接R14和R5后与C2的第一端连接，Q6的源极与C2的第二端以及N2的发射极连接，Q6的栅极与N2的集电极连接，且D13和R20并联，D13的阴极与D12的阳极连接，D13的阳极与C2的第二端连接。N3的阳极接5V电源，N3的集电极与D15的阳极连接，D15的阴极与D14的阳极连接，D14的阴极依次连接R7和R15后与C5的第一端连接，N3的发射极与C5的第二端连接，Q7的漏极依次连接R8和R16后与C5的第一端连接，Q7的源极与C5的第二端以及N3的发射极连接，Q7的栅极与N3的集电极连接，且D16和R21并联，D16的阴极与D15的阳极连接，D16的阳极与C5的第二端连接。N4的阳极接5V电源，N4的集电极与D18的阳极连接，D18的阴极与D17的阳极连接，D17的阴极依次连接R9和R17后与C6的第一端连接，N4的发射极与C6的第二端连接，Q8的漏极依次连接R10和R18后与C6的第一端连接，Q8的源极与C6的第二端以及N4的发射极连接，Q8的栅极与N4的集电极连接，且D19和R22并联，D19的阴极与D18的阳极连接，D19的阳极与C6的第二端连接。

所述高压控制中心和所述起机充电电路之间连接有三极管D1以及电阻R3、R6。具体的，R3的一端与起机充电电路的光耦N1-N4的阴极连接、另一端与D1的集电极连接，R6的一端与D1的基极连接、另一端与高压控制中心连接，D1的发射极接地。图中R3和R6电阻为限流电阻，防止三极管D1过流损坏，在所述隔离反馈电压达到设定范围时，高压控制中心产生一个高电平驱动信号（即图中DR为高电平），高压控制中心产生的高电平驱动信号使光耦N1~N4导通，拉低所述开关管Q5~Q8的GS电压，从而使所述开关管Q5~Q8关断，以停止为中间的C3和C4充电，减少损耗。

此外，电容C3、C4并联有瞬态二极管D20、D21，用于防止电容电压过充。具体的，D20的阴极与C3的第一端和高压辅助电源连接，D20的阳极与C3的第二端（C4的第一端）连接，D21的阳极与C4的第二端以及高压辅助电源连接，D21的阴极与D20的阳极连接。

输入供电开启之后，瞬态二极管和电阻为开关管Q5~Q8的GS充电，Q5~Q8导通，Q5~Q8流过足够量的电流，为中间组分压电容的C3和C4充电，使得C3和C4电压迅速抬高，使用C3和C4的串联电压做为高压辅助电源的输入母线电压，高压辅助电源迅速起机，为整个开关电源控制系统供电，主电路开始工作。

高压DC-DC变换主电路跨接高压输入正母线和负母线之间，高压DC-DC变换主电路通过变压器T1连接后级输出电路，所述高压DC-DC变换主电路和所述后级输出电路为三电平半桥拓扑电路，具体电路结构如图2所示。其中，Q1、Q2、Q3、Q4为主控功率MOSFET，D2、D3为钳位二极管，L2为谐振电感，D4、D6为整流二极管，L1为续流电感，C7整流电容。具体连接如下：

Q1的漏极与正母线连接，Q4的源极与负母线连接，Q1的源极、Q2的漏极、Q2的源极、Q3的漏极、Q3的源极以及Q4的漏极依次连接，Q1-Q4的栅极依次连接高压控制中心的脉宽调制输出，D2的阴极与Q1的源极（Q2的漏极）连接，D3的阴极与D2的阳极连接，D3的阴极（D2的阳极）与C3的第二端（C4的第一端）连接，D3的阳极与Q3的源极（Q4的漏极）连接。T1初级线圈的第一端与C3的第二端（C4的第一端）连接，T1初级线圈的第二端通过L2与Q2的源极（Q3的漏极）连接。T1第一次级线圈的第一端与D4的阳极连接，D4的阴极与D6的阴极连接，D6的阳极与T1第二次级线圈的第二端连接，T1第一次级线圈的第二端与T1第二次级线圈的第一端连接，L1的一端与D4的阴极连接，L1的另一端与T1第一次级线圈的第二端（T1第二次级线圈的第一端）之间连接有C7，C7的两端构成后级输出电路的供电输出端。

所述高压控制中心产生脉宽调制信号驱动所述高压DC-DC变换主电路和所述后级输出电路工作，后级输出电压迅速建立，后级输出电路为后级辅助电源供电，从而通过后级辅助电源为前级的高压反激辅助电源输入端反馈充电。

还包括防反二极管D5和D7，D5的正负极连接于D20和高压辅助电源的连接线路之间，D7的正负极连接于后级辅助电源和高压辅助电源的连接线路之间。

经过计算可知，当输入电压为4800V时，即输入母线电压Vin+为4800V，C1、C2、C5、C6的电压约为1000V，中间组电容C3和C4的电压约为400V，C3和C4串联电压为800V，所以Q5、Q6、Q7、Q8选用1200V贴片开关管即可，高压辅助电源所需电压约为800V左右，选用1200V开关管即可，1200V开关管常用且廉价，因此5只常用的低压开关管（Q5、Q6、Q7、Q8及高压辅助电源内的开关管，其中高压辅助电源内的开关管未在图中示出）既可以完成4800V的输入母线辅助电源的工作，极大的降低了开关管选型难度，降低了超高压输入型开关电源的辅助供电的设计难度和成本。

具体的，假设输入电压为3200~4800VDC，当输入电压在这个范围内，起机充电电路开始工作，流过起机充电电路的电流大于10mA，中间组分压电容电压迅速抬高，当中间组分压电容≥300V左右时，高压辅助电源开始工作，并产生一个12V输出电压为高压控制中心供电，高压控制中心产生PWM波，通过调制解调器驱动高压DC-DC变换主电路进行工作，高压DC-DC变换主电路工作后，后级输出电路电压迅速建立（270V±270*1%），后级输出电路为后级辅助电源输入供电，后级辅助电源产生两路输出，低压输出12V为后级控制中心供电，高压输出约为600~800V，为高压辅助电源反馈充电，当反馈充电点电压正常时，即在600~800V范围内，即代表隔离反馈充电电压正常，此时高压控制中心产生一个高电平的驱动信号，关断两路起机充电电路，减少起机充电电路的损耗，之后电源处于正常工作状态，经过实践验证，从输入电压建立（3200~4800V）到关闭起机充电电路，总时间小于3S。

在本实施例中，采用如图3示出的后级辅助电源的电路设计图，主电路选用普通反激拓扑。图中Q9为反激主控功率MOSFET，T2为反激主变压器，R23、R24、C8、D22和D23组成前级RCD吸收电路，R28为反激电源前级限流电阻，D29和C9为12V的整流滤波电路，R25为假负载。反馈充电电路是一个三倍压整流电路，产生一个800V左右的反馈充电输出，电路中D24、D25和D26为反馈充电电路的整流二极管，R26为限流电阻， C10、C11、C12和C13反馈充电电路的整流电容，D27和D28为钳位稳压二极管，R27为限流电阻。图中FBH为正端，FBL为负端。具体连接方式如下：

在后级辅助电源为后级控制中心供电的一路中，连接于T2的第一次级线圈的第一端和第二端，C9与R25并联，C9的一端与D29的负极连接，D29的正极与T2第一次级线圈的第一端连接，C9的另一端直接与T2第一次级线圈的第二端连接，从而C9的两端形成12V的输出供电电路。

在后级辅助电源为高压辅助电源隔离反馈充电的反馈充电电路中，连接于T2的第二次级线圈的第一端和第二端，R26的一端与T2第二次级线圈的第一端连接，R26的另一端与D24的阳极连接，D24的阴极与D25的阳极连接，D24的阳极与D25的阴极之间还连接有C10，D25的阴极与D26的阳极连接，D26的阴极与R27的一端连接，R27的另一端与D27的阴极连接，D27的阳极与D28阳极连接，D28的阴极与T2第二次级线圈的第二端连接，D24的阴极与D28的阴极之间连接有并联的C11和C12，D26的阴极与D28的阴极之间连接有C13，C13的两端形成充电输出端FBH和FBL。

在T2的初级线圈一侧，Q9的漏极与T2初级线圈的第二端连接，Q9的栅极与集成控制芯片连接，Q9的源极通过R28与后级输出电路的供电输出端的负极连接，后级输出电路的供电输出端的正极与T2初级线圈的第一端连接，Q9的漏极与D23的阳极连接，D23的阴极与串联的R24、R23连接，R23的另一端与后级输出电路的供电输出端的正极连接，D22与C8并联，D22的阴极与D23的阴极连接，D22的阳极与T2初级线圈的第一端连接。

三倍压整流电路有效较少了输出整流二极管的反向应力，经过计算和实践测试，D24、D25、D26反向应力在800V以下，选用普通的1000V贴片整流二极管即可。

以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种超高压输入型开关电源辅助供电起机控制系统，其特征在于，所述系统包括高压控制中心、高压辅助电源、两组以上分压电容、起机充电电路以及后级隔离反馈充电电路；

所述分压电容串联于输入母线，所述两组以上分压电容中的第一组分压电容与所述高压辅助电源连接，用于起机供电，所述两组以上分压电容中的第二组分压电容通过所述起机充电电路与所述高压控制中心连接，所述高压控制中心控制所述起机充电电路对所述第一组分压电容充电；

所述后级隔离反馈充电电路与所述高压辅助电源以及所述高压控制中心连接，所述后级隔离反馈充电电路用于向所述高压辅助电源充电，所述高压控制中心采集所述后级隔离反馈充电电路的隔离反馈电压，并在所述隔离反馈电压达到设定范围时控制所述起机充电电路停止对所述第一组分压电容充电。

2.如权利要求1所述的超高压输入型开关电源辅助供电起机控制系统，其特征在于，所述分压电容为三组，其中，三组分压电容分别为所述第一组分压电容、所述第二组分压电容和第三组分压电容，所述起机充电电路为两组，所述第二组分压电容和所述第三组分压电容分别与两组所述起机充电电路一一对应连接。

3.如权利要求1所述的超高压输入型开关电源辅助供电起机控制系统，其特征在于，所述后级隔离反馈充电电路包括依次连接的高压DC-DC变换主电路、后级输出电路以及后级辅助电源，所述高压DC-DC变换主电路连接于输入母线；

所述高压DC-DC变换主电路通过所述后级输出电路向所述后级辅助电源供电，所述后级辅助电源用于向所述高压辅助电源隔离反馈充电。

4.如权利要求3所述的超高压输入型开关电源辅助供电起机控制系统，其特征在于，所述系统还包括后级控制中心，所述后级辅助电源与所述后级控制中心连接并向所述后级控制中心供电。

5.如权利要求1所述的超高压输入型开关电源辅助供电起机控制系统，其特征在于，所述高压辅助电源与所述高压控制中心连接，并向所述高压控制中心供电。

6.如权利要求4所述的超高压输入型开关电源辅助供电起机控制系统，其特征在于，所述后级控制中心与所述高压控制中心隔离通信连接。

7.如权利要求3所述的超高压输入型开关电源辅助供电起机控制系统，其特征在于，所述高压DC-DC变换主电路和所述后级输出电路为三电平半桥拓扑电路，所述高压控制中心产生脉宽调制信号驱动所述高压DC-DC变换主电路和所述后级输出电路工作。

8.如权利要求1所述的超高压输入型开关电源辅助供电起机控制系统，其特征在于，所述分压电容中的电容分别连接有瞬态二极管和电阻，用于防止电容电压过充。

9.如权利要求1所述的超高压输入型开关电源辅助供电起机控制系统，其特征在于，所述起机充电电路包括光耦和开关管，在所述隔离反馈电压达到设定范围时，高压控制中心产生使所述光耦导通的高电平驱动信号，拉低所述开关管的GS电压，使所述开关管关断，以停止为所述第一组分压电容充电。

10.一种如权利要求1至9任一项所述的超高压输入型开关电源辅助供电起机控制系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

正常均压时，分压电容均进行充电；

输入供电开启后，所述起机充电电路为所述第一组分压电容充电，使所述第一组分压电容为所述高压辅助电源进行起机供电；

所述高压控制中心驱动所述后级隔离反馈充电电路工作，所述后级隔离反馈充电电路向所述高压辅助电源供电，同时所述高压控制中心采集所述后级隔离反馈充电电路的隔离反馈电压，并在所述隔离反馈电压达到设定范围时控制所述起机充电电路停止对所述第一组分压电容充电。

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