CN117220501B - 一种义齿加工设备的电源系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种义齿加工设备的电源系统，其特征在于，包括直流输入电源、第一开关管S₁、第二开关管S₂、第一电感L₁、第二电感L₂、第三电感L₃、第一二极管D₁、第二二极管D₂、第三二极管D₃、第一电容C₁、第二电容C₂、第三电容C₃、输出电容C_o、负载R。其中，第一开关管S₁、第二开关管S₂的栅极接收PWM信号，驱动电源系统产生高压输出。本发明采用三个耦合电感，仅通过调整耦合电感间的匝比，就能够大幅提高电源增益，满足义齿加工设备的需求。

Description

一种义齿加工设备的电源系统

技术领域

本发明涉及一种电源系统，特别涉及一种义齿加工设备的电源系统。

背景技术

义齿加工设备是数字化义齿修复系统中的重要组成部分，义齿修复体的精度与质量均与加工设备有关。高质量的加工设备可以提升牙医的诊疗效率，缩短患者的疼痛期。电源系统作为义齿加工设备的核心装备，主要为义齿加工设备提供稳定的高压电源，用于驱动义齿加工设备。

现有的义齿加工设备的电源系统采用传统的硬开关技术，由于开关管不是理想器件，在开关开通时会产生开关损耗，关断时会产生关断损耗。义齿加工设备的电源系统的频率越高，产生的开关损耗与关断损耗也相应越高。这极大的限制了义齿加工设备的电源系统的开关频率和输出功率的提高，同时也不利于义齿加工设备的电源系统向小型化和轻量化发展。

发明内容

鉴于上述问题，提出了本发明，以便提供一种义齿加工设备的电源系统，采用三个耦合电感，仅通过调整耦合电感间的匝比，就能够大幅提高电源增益，满足义齿加工设备的需求。同时，充分利用漏感能量，实现所有开关管和二极管的软开关，提高了电源转换效率。

本发明公开了一种义齿加工设备的电源系统，其特征在于，包括直流输入电源、第一开关管S₁、第二开关管S₂、第一电感L₁、第二电感L₂、第三电感L₃、第一二极管D₁、第二二极管D₂、第三二极管D₃、第一电容C₁、第二电容C₂、第三电容C₃、输出电容C_o、负载R；

直流输入电源的第一端连接第二开关管S₂的漏极、第一电感L₁的第二端和第三电容C₃的第一端，第二开关管S₂的源极连接第一电容C₁的第一端和第二电容C₂的第一端，第一电容C₁的第二端连接第二电感L₂的第一端、第一电感L₁的第一端、第一开关管S₁的漏极，第二电感L₂的第二端连接第一二极管D₁的阳极，第一二极管D₁的阴极连接第三电容C₃的第二端和第二二极管D₂的阳极，第二电容C₂的第二端连接第三电感L₃的第一端，第三电感L₃的第二端连接第二二极管D₂的阴极和第三二极管D₃的阳极，第三二极管D₃的阴极连接输出电容C_o的第一端和负载R的第一端，输出电容C_o的另一端、负载R的另一端、第一开关管S₁的源极连接直流输入电源的第二端；第一电感L₁、第二电感L₂、第三电感L₃相互耦合，第一电感L₁的第一端、第二电感L₂的第二端、第三电感L₃第二端互为同名端；

第一开关管S₁、第二开关管S₂的栅极接收PWM信号，驱动电源系统产生高压输出，其中该义齿加工设备的电源系统的升压转换过程依次分为五个阶段：第一阶段、第二阶段、第三阶段、第四阶段、第五阶段。

进一步的，第一阶段：第一开关管S₁和第二二极管D₂导通，第二开关管S₂、第一二极管D₁、第三二极管D₃关断，流过漏感L_k的电流I_Lk开始增加，流过第二二极管D₂的电流I_D2也从零开始线性增加，第三电容C₃、第一电容C₁、直流输入电源通过第二二极管D₂、第三电感L₃对第二电容C₂充电，流过漏感L_k的电流I_Lk具体表示为：

其中，I_Lm为励磁电感电流，V_C1为第一电容C₁两端电压，V_C3为第三电容C₃两端电压，V_C2为第一电容C₂两端电压，t为实时时刻，t₀为第一阶段初始时刻，m为第三电感L₃与第一电感L₁的匝数比，V_in为直流输入电源电压。

进一步的，第二阶段：第一开关管S₁零电压关断，其两端电压V_S1开始上升直到第二开关管S₂的体二极管导通，此时第二开关管S₂零电压导通；然后，第一开关管S₁两端电压V_S1被钳位至V_C1+V_in，第一电容C₁被漏感能量充电，流过第二二极管D₂的电流也迅速降低至零，在t₂时刻，流过漏感L_k的电流I_Lk降低至励磁电感电流I_Lm，具体表示为：

其中，I_Lk(t₁)为第二阶段初始时刻的流过漏感L_k的电流，t₁为第二阶段初始时刻。

进一步的，第三阶段：第二二极管D₂零电流关断，第一二极管D₁、第三二极管D₃零电流导通；流过漏感L_k的电流I_Lk以小斜率缓慢降低，同时第三电容C₃通过第二电感L₂、第一二极管D₁被充电，流过第一二极管D₁的电流I_D1开始增加，负载通过第二开关管S₂、第二电容C₂、第三电感L₃、第三二极管D₃被传输电能；流过漏感L_k的电流I_Lk继续降低，表示为：

其中，t₂为第三阶段初始时刻，n为第三电感L₂与第一电感L₁的匝数比。

进一步的，第四阶段：流过漏感L_k的电流I_Lk降低到与流过第一二极管D₁的电流I_D1相等，流过第一电容C₁的充电电流降低到零，第一电容C₁开始放电；流过漏感L_k的电流I_Lk继续降低，流过第一二极管D₁和第三二极管D₃的电流继续增大。

进一步的，第五阶段：第二开关管S₂零电压关断，第二开关管S₂两端电压增大直至第一开关管S₁的体二极管导通，第一开关管S₁零电压导通，进而正电压作用于漏感L_k，流过漏感L_k的电流I_Lk迅速增加，相应地流过第一二极管D₁、第三二极管D₃的电流降低；当流过漏感L_k的电流I_Lk增加到励磁电感电流I_Lm时，第一二极管D₁、第三二极管D₃零电流关断，第五阶段结束，流过漏感L_k的电流I_Lk具体表示为：

其中，t₄为第五阶段初始时刻。

进一步的，电源增益为：

其中，V_o为输出电压，D为占空比。

本发明的有益技术效果是：

(1)本发明采用三个耦合电感，仅通过调整耦合电感间的匝比，就能够大幅提高电源增益，满足义齿加工设备的需求。

(2)本发明充分利用漏感能量，实现所有开关管和二极管的软开关，提高了电源转换效率。

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为电源系统的电路原理图；

图2为电源系统的等效电路图；

图3为第一阶段的电路原理图；

图4为第二阶段的电路原理图；

图5为第三阶段的电路原理图；

图6为第五阶段的电路原理图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。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，都属于本申请保护的范围。

本发明提供了一种义齿加工设备的电源系统，采用三个耦合电感，仅通过调整耦合电感间的匝比，就能够大幅提高电源增益，满足义齿加工设备的需求。同时，充分利用漏感能量，实现所有开关管和二极管的软开关，提高了电源转换效率。

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

图1为本发明提供的一种义齿加工设备的电源系统。该义齿加工设备的电源系统包括直流输入电源、第一开关管S₁、第二开关管S₂、第一电感L₁、第二电感L₂、第三电感L₃、第一二极管D₁、第二二极管D₂、第三二极管D₃、第一电容C₁、第二电容C₂、第三电容C₃、输出电容C_o、负载R。

直流输入电源的第一端连接第二开关管S₂的漏极、第一电感L₁的第二端和第三电容C₃的第一端，第二开关管S₂的源极连接第一电容C₁的第一端和第二电容C₂的第一端，第一电容C₁的第二端连接第二电感L₂的第一端、第一电感L₁的第一端、第一开关管S₁的漏极，第二电感L₂的第二端连接第一二极管D₁的阳极，第一二极管D₁的阴极连接第三电容C₃的第二端和第二二极管D₂的阳极，第二电容C₂的第二端连接第三电感L₃的第一端，第三电感L₃的第二端连接第二二极管D₂的阴极和第三二极管D₃的阳极，第三二极管D₃的阴极连接输出电容C_o的第一端和负载R的第一端，输出电容C_o的另一端、负载R的另一端、第一开关管S₁的源极连接直流输入电源的第二端；第一电感L₁、第二电感L₂、第三电感L₃相互耦合，第一电感L₁的第一端、第二电感L₂的第二端、第三电感L₃第二端互为同名端。

第一开关管S₁、第二开关管S₂的栅极接收PWM信号，驱动电源系统产生高压输出。

如图2所示，第一电感L₁、第二电感L₂、第三电感L₃相互耦合，可将其等效为具有励磁电感L_m和漏感L_k的理想变压器，第一电感L₁、第二电感L₂、第三电感L₃的线圈匝数定义为N₁、N₂、N₃，进而对应的匝比可定义为n＝N₂/N₁、m＝N₃/N₁。

在本申请中，该义齿加工设备的电源系统的升压转换过程依次分为五个阶段：第一阶段、第二阶段、第三阶段、第四阶段、第五阶段。

第一阶段(t₀-t₁)：如图3所示，第一开关管S₁和第二二极管D₂导通，第二开关管S₂、第一二极管D₁、第三二极管D₃关断，流过漏感L_k的电流I_Lk开始增加，流过第二二极管D₂的电流I_D2也从零开始线性增加，第三电容C₃、第一电容C₁、直流输入电源通过第二二极管D₂、第三电感L₃对第二电容C₂充电，流过漏感L_k的电流I_Lk具体表示为：

其中，I_Lm为励磁电感电流，V_C1为第一电容C₁两端电压，V_C3为第三电容C₃两端电压，V_C2为第一电容C₂两端电压，t为实时时刻，t₀为第一阶段初始时刻，V_in为直流输入电源电压。

第二阶段(t₁-t₂)：如图4所示，第一开关管S₁零电压关断，其两端电压V_S1开始上升直到第二开关管S₂的体二极管导通，此时第二开关管S₂零电压导通。然后，第一开关管S₁两端电压V_S1被钳位至V_C1+V_in，第一电容C₁被漏感能量充电，流过第二二极管D₂的电流也迅速降低至零，在t₂时刻，流过漏感L_k的电流I_Lk降低至励磁电感电流I_Lm，具体表示为：

其中，I_Lk(t₁)为第二阶段初始时刻的流过漏感L_k的电流，t₁为第二阶段初始时刻。

第三阶段(t₂-t₃)：如图5所示，第二二极管D₂零电流关断，第一二极管D₁、第三二极管D₃零电流导通。流过漏感L_k的电流I_Lk以小斜率缓慢降低，同时第三电容C₃通过第二电感L₂、第一二极管D₁被充电，流过第一二极管D₁的电流I_D1开始增加，负载通过第二开关管S₂、第二电容C₂、第三电感L₃、第三二极管D₃被传输电能。流过漏感L_k的电流I_Lk继续降低，表示为：

其中，t₂为第三阶段初始时刻。

第四阶段(t₃-t₄)：流过漏感L_k的电流I_Lk降低到与流过第一二极管D₁的电流I_D1相等，流过第一电容C₁的充电电流降低到零，第一电容C₁开始放电。与第三阶段相似，流过漏感L_k的电流I_Lk继续降低，流过第一二极管D₁和第三二极管D₃的电流继续增大。

第五阶段(t₄-t₅)：如图6所示，基于第一电容C₁环路，第二开关管S₂零电压关断，第二开关管S₂两端电压增大直至第一开关管S₁的体二极管导通，第一开关管S₁零电压导通，进而正电压作用于漏感L_k，流过漏感Lk的电流I_Lk迅速增加，相应地流过第一二极管D₁、第三二极管D₃的电流降低。当流过漏感L_k的电流I_Lk增加到励磁电感电流I_Lm时，第一二极管D₁、第三二极管D₃零电流关断，第五阶段结束，流过漏感L_k的电流I_Lk具体表示为：

其中，t₄为第五阶段初始时刻。

在本申请中，忽略漏感效应，根据第一电感的伏秒平衡原理可知：

其中，D为电源系统第一开关管S₁的占空比。

同时在第一阶段，可得到第二电容C₂的电压V_C2为：

V_C2＝(1+m)V_in+V_C1+V_C3

在第三阶段，可得到第三电容C₃的电压V_C3和输出电压V_o为：

V_C3＝(1+n)V_C1

V_o＝V_in+V_C2+mV_C1

联立上述公式，可得电源增益为：

本申请中义齿加工设备的电源系统采用三个耦合电感，仅通过调整耦合电感间的匝比，就能够大幅提高电源增益，满足义齿加工设备的需求。同时，充分利用漏感能量，实现所有开关管和二极管的软开关，提高了电源转换效率。

还需要说明的是，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商品或者系统不仅包括那些要素，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商品或者系统所固有的要素。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商品或者系统中还存在另外的相同要素。

上述说明示出并描述了本发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种义齿加工设备的电源系统，其特征在于，包括直流输入电源、第一开关管S₁、第二开关管S₂、第一电感L₁、第二电感L₂、第三电感L₃、第一二极管D₁、第二二极管D₂、第三二极管D₃、第一电容C₁、第二电容C₂、第三电容C₃、输出电容C_o、负载R；

直流输入电源的第一端连接第二开关管S₂的漏极、第一电感L₁的第二端和第三电容C₃的第一端，第二开关管S₂的源极连接第一电容C₁的第一端和第二电容C₂的第一端，第一电容C₁的第二端连接第二电感L₂的第一端、第一电感L₁的第一端、第一开关管S₁的漏极，第二电感L₂的第二端连接第一二极管D₁的阳极，第一二极管D₁的阴极连接第三电容C₃的第二端和第二二极管D₂的阳极，第二电容C₂的第二端连接第三电感L₃的第一端，第三电感L₃的第二端连接第二二极管D₂的阴极和第三二极管D₃的阳极，第三二极管D₃的阴极连接输出电容C_o的第一端和负载R的第一端，输出电容C_o的另一端、负载R的另一端、第一开关管S₁的源极连接直流输入电源的第二端；第一电感L₁、第二电感L₂、第三电感L₃相互耦合，第一电感L₁的第一端、第二电感L₂的第二端、第三电感L₃第二端互为同名端；

第一开关管S₁、第二开关管S₂的栅极接收PWM信号，驱动电源系统产生高压输出，其中该义齿加工设备的电源系统的升压转换过程依次分为五个阶段：第一阶段、第二阶段、第三阶段、第四阶段、第五阶段；

第一电感L₁、第二电感L₂、第三电感L₃相互耦合，等效为具有励磁电感L_m和漏感L_k的理想变压器。

2.根据权利要求1所述的电源系统，其特征在于，第一阶段(t₀-t₁)：第一开关管S₁和第二二极管D₂导通，第二开关管S₂、第一二极管D₁、第三二极管D₃关断，流过漏感L_k的电流I_Lk开始增加，流过第二二极管D₂的电流I_D2也从零开始线性增加，第三电容C₃、第一电容C₁、直流输入电源通过第二二极管D₂、第三电感L₃对第二电容C₂充电，流过漏感L_k的电流I_Lk具体表示为：

其中，I_Lm为励磁电感电流，V_C1为第一电容C₁两端电压，V_C3为第三电容C₃两端电压，V_C2为第二电容C₂两端电压，t为实时时刻，t₀为第一阶段初始时刻，m为第三电感L₃与第一电感L₁的匝数比，V_in为直流输入电源电压。

3.根据权利要求2所述的电源系统，其特征在于，第二阶段(t₁-t₂)：第一开关管S₁零电压关断，其两端电压V_S1开始上升直到第二开关管S₂的体二极管导通，此时第二开关管S₂零电压导通；然后，第一开关管S₁两端电压V_S1被钳位至V_C1+V_in，第一电容C₁被漏感能量充电，流过第二二极管D₂的电流也迅速降低至零，在t₂时刻，流过漏感L_k的电流I_Lk降低至励磁电感电流I_Lm，具体表示为：

其中，I_Lk(t₁)为第二阶段初始时刻的流过漏感L_k的电流，t₁为第二阶段初始时刻。

4.根据权利要求3所述的电源系统，其特征在于，第三阶段(t₂-t₃)：第二二极管D₂零电流关断，第一二极管D₁、第三二极管D₃零电流导通；流过漏感L_k的电流I_Lk以小斜率缓慢降低，同时第三电容C₃通过第二电感L₂、第一二极管D₁被充电，流过第一二极管D₁的电流I_D1开始增加，负载通过第二开关管S₂、第二电容C₂、第三电感L₃、第三二极管D₃被传输电能；流过漏感L_k的电流I_Lk继续降低，表示为：

其中，t₂为第三阶段初始时刻，n为第二电感L₂与第一电感L₁的匝数比。

5.根据权利要求4所述的电源系统，其特征在于，第四阶段(t₃-t₄)：流过漏感L_k的电流I_Lk降低到与流过第一二极管D₁的电流I_D1相等，流过第一电容C₁的充电电流降低到零，第一电容C₁开始放电；流过漏感L_k的电流I_Lk继续降低，流过第一二极管D₁和第三二极管D₃的电流继续增大。

6.根据权利要求5所述的电源系统，其特征在于，第五阶段(t₄-t₅)：第二开关管S₂零电压关断，第二开关管S₂两端电压增大直至第一开关管S₁的体二极管导通，第一开关管S₁零电压导通，进而正电压作用于漏感L_k，流过漏感L_k的电流I_Lk迅速增加，相应地流过第一二极管D₁、第三二极管D₃的电流降低；当流过漏感L_k的电流I_Lk增加到励磁电感电流I_Lm时，第一二极管D₁、第三二极管D₃零电流关断，第五阶段结束，流过漏感L_k的电流I_Lk具体表示为：

其中，t₄为第五阶段初始时刻。

7.根据权利要求6所述的电源系统，其特征在于，电源增益为：

其中，V_o为输出电压，D为占空比。