CN115912910A - Pwm全桥移相集成控制电路 - Google Patents

Abstract

PWM移相全桥集成控制电路适用于高频脉冲开关电源。本发明应用了1个或门电路，4个异或门电路，2个D型触发器，4个施密特触发器，4个或非门电路，10个电压变换电路，对外接的系统时钟信号SYN‑1，脉冲宽度调节电平信号EA，故障保护关断电平信号SD等3个信号，进行相位变换、逻辑变换、脉冲边沿变换；最终输出相位4路可调的PWM全桥驱动信号。本电路使用外部时钟，共用外部时钟信号的电源，输出脉冲严格同步；可实现多个电源设备串联或并联；交流脉冲电源与直流脉冲电源均可并联增加输出功率，且不会增加电源内部环流。本发明采用硬件逻辑与硬件电压变换电路，其逻辑关系、电压转换关系是刚性的，在工作过程中，不会出现全桥开关误触发现象。

Description

PWM全桥移相集成控制电路

技术领域

本发明适用于高频脉冲开关电源，高功率直流开关电源；具体适用于高频脉冲开关电源并联均流以及高频脉冲开关电源串联均压。

背景技术

目前国内不论是数字控制的开关电源还是模拟控制的开关电源，硬件控制电路主要源于国外采购，这些控制芯片既存在供应渠道的限制，也存在非常多的不足，电源设计开发中的集成控制问题上，给电路工程师带来很多不便。对国外全桥脉冲PWM电源控制芯片，设计师只能想尽一切办法进行二次开发。

硬开关全桥PWM集成电路，存在开、关机瞬间，半导体功率开关出现直通现象；移相全桥PWM集成电路，存在零基准不能关断现象；硬开关全桥PWM集成电路与PWM全桥移相集成电路，使用自带的同步并联时，初相位不同步，不可控；严重时相位相差180°。电源输出并联时，电流均衡偏离度最低是8％。只有直流电源可用并联方式增加系统功率，交流脉冲与直流脉冲电源无法直接并联增加系统功率。

发明内容

一种PWM全桥移相集成控制电路，其特征在于：

该电路应用了3个输入信号；7个逻辑转换电路；10个电压变换电路；

第一信号输入端：时钟信号SYN-1；第二信号输入端：脉冲宽度调节电平信号EA；第三信号输入端：保护关断信号电平SD；

第一逻辑转换电路包含：2个电阻器R1、R2，1个或门电路U1；第二逻辑转换电路包含：1个异或门电路U2，1个电阻器R3，1个直流偏置电源15V+；第三逻辑转换电路包含： 2个D型触发器U6、U7；第四逻辑转换电路包含：1个异或门电路U3，2个电阻器R8、R9， 1个直流偏置电源15V+；第五逻辑转换电路包含：2个异或门电路U4、U5；第六逻辑转换电路包含：4个施密特触发器U8、U9、U10、U11；第七逻辑转换电路包含：4个或非门电路U12、U13、U14、U15；

第一电压变换电路包含：1个恒流二极管D3，1个电容C2，第二电压变换电路包含：1个集电极开路的比较器U16，1个N型MOS晶体管Q1，4个电阻器R4、R5、R6、R7；第三电压变换电路包含1个电阻器R10与1个电容器C10；第四电压变换电路包含1个电阻器R11与1个电容器C11；第五电压变换电路包含1个电阻器R12与1个电容器C12；第六电压变换电路包含1个电阻器R13与1个电容器C13；第七电压变换电路包含1个电阻器R14与1个电容器C14；第八电压变换电路包含1个电阻器R15与1个电容器C15；第九电压变换电路包含1个电阻器R16与1个电容器C16；第十电压变换电路包含1个电阻器R17与1个电容器C17；

第一时钟信号SYN-1通过R1与第一逻辑转换电路的或门电路U1的2个输入端相连；第一逻辑转换电路的或门电路U1的输出端分2个支路，第一支路与开关二极管D1的阴极相连，第二个支路与电阻R2串联；电阻R2的另一端与第二逻辑转换电路异或门U2的第一输入端相连；

第二逻辑转换电路中异或门U2的第二输入端连接一个上拉电阻器R3，上拉电阻R3的另一端与直流偏置+15V电源；该异或门U2的输出端分3个支路，第一支路与第三逻辑转换电路D型触发器U6的是终端CP连接，第二支路与第三逻辑转换电路D型触发器U7的复位端端R连接，第三支路与第二电压变换电路电阻器R7连接，R7的另一端与第二电压变换电路中的Q1的栅极连接；

第三逻辑转换电路中D型触发器U6的复位端R与置位端S短路接地，Q输出端分三个支路输出，第一支路与第三电压变换电路R10连接，第二支路与第六逻辑转换电路U8的第二输入端连接，第三支路与第五逻辑转换电路异或门U4的第一输入端连接；第三逻辑转换电路中D型触发器U6的输出端分四个支路输出，第一支路与D型触发器U6的D输入端短路，第二支路与第四电压变换电路R11连接，第三支路第六逻辑转换电路U9的第一输入端连接，第四支路与第五逻辑转换电路异或门U5的第一输入端连接；

第三逻辑转换电路中D型触发器U7的CP端与D端短路接地，U7的输出端与电阻器R8的一端连接，R8的另一端与第四逻辑转换电路异或门U3的第一输入端连接；第四逻辑转换电路异或门U3的第二输入端连接一个上拉电阻R9，R9的另一端接+15V直流偏置电源；

第四逻辑转换电路异或门U3输出端，第五逻辑转换电路异或门U4的第二输入端、第五逻辑转换电路异或门U5的第二输入端，三点短路在一起；

第五逻辑转换电路异或门U4的输出端分两个支路输出，第一支路与第五电压变换电路的电阻器R12连接；第二支路与第六逻辑转换电路U10的第二输入端连接；第五逻辑转换电路异或门U5的输出端分两个支路输出，第一支路与第六电压变换电路的电阻器R13 连接；第二支路与第六逻辑转换电路U11的第二输入端连接；

第六逻辑转换电路施密特触发器U8的输出端第七电压变换电路的电阻器R14连接；第六逻辑转换电路施密特触发器U9的输出端第八电压变换电路的电阻器R15连接；第六逻辑转换电路施密特触发器U10的输出端第九电压变换电路的电阻器R16连接；第六逻辑转换电路施密特触发器U11的输出端第十电压变换电路的电阻器R17连接；

第七逻辑转换电路U12、U13、U14、U15，这四个或非门的第二输入端与电阻器R18的一端短路，R18的另一端接地，保护关断信号电平SD连接到短路点；或非门U12的输出端接前桥臂上管驱动信号DR2B；或非门U13的输出端接前桥臂下管驱动信号DR1A；或非门 U14的输出端接滞后桥臂下管驱动信号DR3C；或非门U15的输出端接滞后桥臂上管驱动信号DR4D；

第一电压变换电路中，恒流二极管D3的阳极接+15V直流偏置电源，阴极分三个支路，第一支路与电容器C2连接，C2的另一端接地，第二支路与开关二极管D2的阳极相连，开关二极管D2的阴极与开关二极管D1的阳极相连；第三支路与第二电压变换电路中的集电极开路的比较器U16的同相输入端相连；

第二输入信号，脉冲宽度调节电平信号EA与第二电压变换电路中电阻R4串联，R4的另一端与U16的反向输入端连接，U16的输出端分三个支路，第一支路连接一个上拉电阻R5，R5的另一端接+15V直流偏置电源，第二支路与N型MOS晶体管Q1的漏极相连，N型 MOS晶体管Q1的栅极与源极之间并联一个下拉电阻R6，Q1的漏极接地；第三支路与第三逻辑转换电路中U7的置位S端相连；

第三电压变换电路中R10与C10串联，C10的另一端接地；第三逻辑转换电路D型触发器U6的Q输出端与R10的输入端连接，电阻器R10与电容器C10串联公共端与第六逻辑转换电路中施密特触发器U8的第一输入端连接；

第四电压变换电路中R11与C11串联，C11的另一端接地；第三逻辑转换电路D型触发器U6的输出端与R11的输入端连接，电阻器R11与电容器C11串联公共端与第六逻辑转换电路中施密特触发器U9的第二输入端连接；

第五电压变换电路中R12与C12串联，C12的另一端接地；第五逻辑转换电路中U4的输出端与R12的输入端连接，电阻器R12与电容器C12串联公共端与第六逻辑转换电路中施密特触发器U10的第一输入端连接；

第六电压变换电路中R13与C13串联，C13的另一端接地；第五逻辑转换电路中U5的输出端与R13的输入端连接，电阻器R13与电容器C13串联公共端与第六逻辑转换电路中施密特触发器U11的第二输入端连接；

第七电压变换电路中R14与C14串联，C14的另一端接地；第六逻辑转换电路中施密特触发器U8的输出端与R14的输入端连接，电阻器R14与电容器C14串联公共端与第七逻辑转换电路中或非门U12的第一输入端连接；

第八电压变换电路中R15与C15串联，C15的另一端接地；第六逻辑转换电路中施密特触发器U9的输出端与R15的输入端连接，电阻器R15与电容器C15串联公共端与第七逻辑转换电路中或非门U13的第一输入端连接；

第九电压变换电路中R16与C16串联，C16的另一端接地；第六逻辑转换电路中施密特触发器U10的输出端与R16的输入端连接，电阻器R16与电容器C16串联公共端与第七逻辑转换电路中或非门U14的第一输入端连接；

第十电压变换电路中R17与C17串联，C17的另一端接地；第六逻辑转换电路中施密特触发器U11的输出端与R17的输入端连接，电阻器R17与电容器C17串联公共端与第七逻辑转换电路中或非门U15的第一输入端连接。

采用本发明的PWM移相全桥控制电路，脉冲电压同频、同相；脉冲电流、脉冲功率同步叠加，总输出效率与单模块输出效率一致，能很好保障系统的稳定性与可靠性。

附图说明

图1是本发明原理图

图2是本发明框图

图3是关键点电压波形1

图4是关键点电压波形4

具体实施方式

在本发明中，时钟信号是使用一个LM555定时器，产生了频率100kHz，占空比90％的方波脉冲，然后使用推挽放大电路，对方波脉冲功率放大，方波脉冲功率放大后的可以同时给多个PWM移相全桥集成控制电路并行提供时钟信号；脉冲宽度调节电平EA信号，是负载反馈的电流信号、电压信号、外部给定基准信号，通过缓冲电路，取绝对值电路，误差放大电路产生的；在本发明中，保护关断信号SD电平，是输入输出电路中出现过流、短路、过压、开路、过温、欠压、缺相、市电拉偏等故障现象时，产生的开关量电平信号；然后采用逻辑或电路，对这些信号汇总起来；4路输出信号，是PWM移相全桥集成控制电路产生的最终输出信号。

在本发明中，SYN-1时钟信号经过U1或门电路之后，产生一个标准的方波脉冲，因为或门逻辑电路的输入阻抗大，一个时钟信号可以给不同设备提供同一时钟，保障设备的时钟同频，同步。或门CD4071输出的脉冲信号与直流偏置电压通过U2异或门CD4070A电路异或处理后，产生一个脉冲方波信号。此脉冲方波的占空比只有10％；这个占空比只有10％脉冲方波通过CD4013A D型触发器U6变换后，Q端输出占空比50％的方波脉冲信号，端输出与Q端输出互补的，相位相差180°，占空比同样是50％的方波脉冲信号。Q端与端输出占空比50％的方波脉冲信号各分两个支路，第一个支路经过电平变换电路后连接到对应的施密特触发器CD4093-A或CD4093-B的其中一个输入端上，第二个支路直接与对应的施密特触发器CD4093-A或CD4093-B的另一个输入端连接，通过施密特触发器时序逻辑变换后，就产生了2个相位相差180°，占空比同样是45％的方波脉冲信号。将这两个方波脉冲信号进行逻辑或非门(CD4001A、CD4001B)电路变换，就产生了PWM移相全桥超前桥臂的DR2A、DR1B驱动信号；PWM移相全桥集成控制电路要实现脉冲宽度可调，电路就要有锯齿波发生电路，脉冲移相电路；在本发明中，采用了1值恒流100mA的二极管D3对电容器C2充电，通过D1、D2串联对C2与SYN-1同步放电，形成基础直流电压为1.2V的锯齿波，频率100kHz；锯齿波连接到高速比较器的同相输入端，来自误差放大器的脉冲宽度调节电平EA信号连接到LM311高速比较器U16的反相输入端，高速比较器的输出脉冲，通过BS170A Q1对高速比较器的输出脉冲宽度进行开关钳位。高速比较器的输出端与 CD4013B D触发器U7的S端连接，D触发器U7端输出移相的时长脉冲信号，通过异或门CD4070B U3后产生滞后开通时长，该时长脉冲信号分别与U6输出的互补脉冲信号在异或门(CD4070C、CD4070D)U4、U5中转换形成相位相差180°，占空比同样是50％的方波脉冲信号；U4、U5输出脉冲滞后于U6输出的脉冲，滞后时长与U7端输出脉冲宽度相等。U4输出端与U5输出端输出占空比50％的方波脉冲信号各分两个支路，第一个支路经过电平变换电路后连接到对应的施密特触发器(CD4093C、CD4093D)的其中一个输入端上，第二个支路直接与对应的施密特触发器的另一个输入端连接，通过施密特触发器时序逻辑变换后，就产生了2个相位相差180°，占空比同样是45％的方波脉冲信号。将这两个方波脉冲信号进行逻辑或非门(CD4001C、CD4001D)电路变换，就产生了PWM移相全桥超前桥臂的DR3C、DR4D驱动信号。

1、空心离子镀膜电源系统中的应用。

空心离子太阳能电池板镀膜电源：需要脉冲频率80kHz，点火电压1200V，预热电压600V,镀膜电压100V；点火电流15A，预热电流100A,镀膜电流2000A；要求3类电源同时工作；脉冲同频、同相，防止在太阳能电池板镀膜时，离子束中断，影响镀膜效果；系统总功率需要280kW。

传统的80kHz脉冲，IGBT全桥的单模块电源功率只有20kW，因此必须采用14个模块并联供电，提高输出功率。但是传统的模块采用PWM集成电路自带的时钟源，相位、频率是无法同步的，所以在并联工作时经常因波峰与波谷对冲，并联时造成电源相互消耗，电源烧毁，电源输出效率低等现象；

采用本发明的PWM移相全桥控制电路，使用相同的外部时钟源，相位、频率一致相等， 14个脉冲模块并连。脉冲电压同频、同相；脉冲电流、脉冲功率同步叠加，总输出效率与单模块输出效率一致，能很好保障系统的稳定性与可靠性。

目前该系统供电功率300kW，实测输出功率280kW，整机效率93.3％。

2、在等离子体陶瓷烧结电源中的应用；

等离子体陶瓷烧结电源：需要脉冲频率100kHz，启辉电压1200V，烧结电压10V；启辉电流100A，烧结电流200000A；要求2类电源同时工作；脉冲同频、同相，防止在真空室气压不稳时，导电回路阻抗突变，烧结电流突变，影响原位烧结效应。系统总功率需要 2120kW。

传统的100kHz脉冲，SIC MOS全桥的单模块电源功率只有60kW，因此必须采用36个模块并联供电，提高输出功率。电源缺陷与实验1相同；

采用本发明的PWM移相全桥控制电路，使用相同的外部时钟源，相位、频率一致相等， 36个脉冲模块并连；该系统供电功率2400kW，实测输出功率2100kW，整机效率87.5％。

Claims (1)

1.一种PWM全桥移相集成控制电路，其特征在于：

该电路应用了3个输入信号；7个逻辑转换电路；10个电压变换电路；

第一信号输入端：时钟信号SYN-1；第二信号输入端：脉冲宽度调节电平信号EA；第三信号输入端：保护关断信号电平SD；

第一逻辑转换电路包含：2个电阻器R1、R2，1个或门电路U1；第二逻辑转换电路包含：1个异或门电路U2，1个电阻器R3，1个直流偏置电源15V+；第三逻辑转换电路包含：2个D型触发器U6、U7；第四逻辑转换电路包含：1个异或门电路U3，2个电阻器R8、R9，1个直流偏置电源15V+；第五逻辑转换电路包含：2个异或门电路U4、U5；第六逻辑转换电路包含：4个施密特触发器U8、U9、U10、U11；第七逻辑转换电路包含：4个或非门电路U12、U13、U14、U15；

第一电压变换电路包含：1个恒流二极管D3，1个电容C2，第二电压变换电路包含：1个集电极开路的比较器U16，1个N型MOS晶体管Q1，4个电阻器R4、R5、R6、R7；第三电压变换电路包含1个电阻器R10与1个电容器C10；第四电压变换电路包含1个电阻器R11与1个电容器C11；第五电压变换电路包含1个电阻器R12与1个电容器C12；第六电压变换电路包含1个电阻器R13与1个电容器C13；第七电压变换电路包含1个电阻器R14与1个电容器C14；第八电压变换电路包含1个电阻器R15与1个电容器C15；第九电压变换电路包含1个电阻器R16与1个电容器C16；第十电压变换电路包含1个电阻器R17与1个电容器C17；

第一时钟信号SYN-1通过R1与第一逻辑转换电路的或门电路U1的2个输入端相连；第一逻辑转换电路的或门电路U1的输出端分2个支路，第一支路与开关二极管D1的阴极相连，第二个支路与电阻R2串联；电阻R2的另一端与第二逻辑转换电路异或门U2的第一输入端相连；

第二逻辑转换电路中异或门U2的第二输入端连接一个上拉电阻器R3，上拉电阻R3的另一端与直流偏置+15V电源；该异或门U2的输出端分3个支路，第一支路与第三逻辑转换电路D型触发器U6的是终端CP连接，第二支路与第三逻辑转换电路D型触发器U7的复位端端R连接，第三支路与第二电压变换电路电阻器R7连接，R7的另一端与第二电压变换电路中的Q1的栅极连接；

第三逻辑转换电路中D型触发器U6的复位端R与置位端S短路接地，Q输出端分三个支路输出，第一支路与第三电压变换电路R10连接，第二支路与第六逻辑转换电路U8的第二输入端连接，第三支路与第五逻辑转换电路异或门U4的第一输入端连接；第三逻辑转换电路中D型触发器U6的

输出端分四个支路输出，第一支路与D型触发器U6的D输入端短路，第二支路与第四电压变换电路R11连接，第三支路第六逻辑转换电路U9的第一输入端连接，第四支路与第五逻辑转换电路异或门U5的第一输入端连接；

第三逻辑转换电路中D型触发器U7的CP端与D端短路接地，U7的

输出端与电阻器R8的一端连接，R8的另一端与第四逻辑转换电路异或门U3的第一输入端连接；第四逻辑转换电路异或门U3的第二输入端连接一个上拉电阻R9，R9的另一端接+15V直流偏置电源；

第四逻辑转换电路异或门U3输出端，第五逻辑转换电路异或门U4的第二输入端、第五逻辑转换电路异或门U5的第二输入端，三点短路在一起；

第五逻辑转换电路异或门U4的输出端分两个支路输出，第一支路与第五电压变换电路的电阻器R12连接；第二支路与第六逻辑转换电路U10的第二输入端连接；第五逻辑转换电路异或门U5的输出端分两个支路输出，第一支路与第六电压变换电路的电阻器R13连接；第二支路与第六逻辑转换电路U11的第二输入端连接；

第六逻辑转换电路施密特触发器U8的输出端第七电压变换电路的电阻器R14连接；第六逻辑转换电路施密特触发器U9的输出端第八电压变换电路的电阻器R15连接；第六逻辑转换电路施密特触发器U10的输出端第九电压变换电路的电阻器R16连接；第六逻辑转换电路施密特触发器U11的输出端第十电压变换电路的电阻器R17连接；

第七逻辑转换电路U12、U13、U14、U15，这四个或非门的第二输入端与电阻器R18的一端短路，R18的另一端接地，保护关断信号电平SD连接到短路点；或非门U12的输出端接前桥臂上管驱动信号DR2B；或非门U13的输出端接前桥臂下管驱动信号DR1A；或非门U14的输出端接滞后桥臂下管驱动信号DR3C；或非门U15的输出端接滞后桥臂上管驱动信号DR4D；

第一电压变换电路中，恒流二极管D3的阳极接+15V直流偏置电源，阴极分三个支路，第一支路与电容器C2连接，C2的另一端接地，第二支路与开关二极管D2的阳极相连，开关二极管D2的阴极与开关二极管D1的阳极相连；第三支路与第二电压变换电路中的集电极开路的比较器U16的同相输入端相连；

第二输入信号，脉冲宽度调节电平信号EA与第二电压变换电路中电阻R4串联，R4的另一端与U16的反向输入端连接，U16的输出端分三个支路，第一支路连接一个上拉电阻R5，R5的另一端接+15V直流偏置电源，第二支路与N型MOS晶体管Q1的漏极相连，N型MOS晶体管Q1的栅极与源极之间并联一个下拉电阻R6，Q1的漏极接地；第三支路与第三逻辑转换电路中U7的置位S端相连；

第三电压变换电路中R10与C10串联，C10的另一端接地；第三逻辑转换电路D型触发器U6的Q输出端与R10的输入端连接，电阻器R10与电容器C10串联公共端与第六逻辑转换电路中施密特触发器U8的第一输入端连接；

第四电压变换电路中R11与C11串联，C11的另一端接地；第三逻辑转换电路D型触发器U6的

输出端与R11的输入端连接，电阻器R11与电容器C11串联公共端与第六逻辑转换电路中施密特触发器U9的第二输入端连接；

第五电压变换电路中R12与C12串联，C12的另一端接地；第五逻辑转换电路中U4的输出端与R12的输入端连接，电阻器R12与电容器C12串联公共端与第六逻辑转换电路中施密特触发器U10的第一输入端连接；

第六电压变换电路中R13与C13串联，C13的另一端接地；第五逻辑转换电路中U5的输出端与R13的输入端连接，电阻器R13与电容器C13串联公共端与第六逻辑转换电路中施密特触发器U11的第二输入端连接；

第七电压变换电路中R14与C14串联，C14的另一端接地；第六逻辑转换电路中施密特触发器U8的输出端与R14的输入端连接，电阻器R14与电容器C14串联公共端与第七逻辑转换电路中或非门U12的第一输入端连接；

第八电压变换电路中R15与C15串联，C15的另一端接地；第六逻辑转换电路中施密特触发器U9的输出端与R15的输入端连接，电阻器R15与电容器C15串联公共端与第七逻辑转换电路中或非门U13的第一输入端连接；

第九电压变换电路中R16与C16串联，C16的另一端接地；第六逻辑转换电路中施密特触发器U10的输出端与R16的输入端连接，电阻器R16与电容器C16串联公共端与第七逻辑转换电路中或非门U14的第一输入端连接；

第十电压变换电路中R17与C17串联，C17的另一端接地；第六逻辑转换电路中施密特触发器U11的输出端与R17的输入端连接，电阻器R17与电容器C17串联公共端与第七逻辑转换电路中或非门U15的第一输入端连接。

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