CN201805362U - 一种用于航空航天交流直流变换的分级限流电路 - Google Patents

一种用于航空航天交流直流变换的分级限流电路 Download PDF

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Abstract

一种用于航空航天交流直流变换的分级限流电路，其特征在于：包括功率部分和控制部分，所述功率部分包括输入滤波单元、PFC变换电路单元、高频隔离DC/DC变换电路单元、辅助电源单元；控制部分包括PFC变换控制器单元、输入电源电压检测电路单元、DC/DC限流点设置电路单元、DC/DC控制单元。本实用新型在第一级设置输入滤波单元，输入交流电源经过输入滤波后，减少电源的干扰。滤波处理后的交流电源经PFC变换电路单元变成410V直流输出，并使输入电流波形与供电电源的电压波形相位保持一致，从而使输入功率因素接近1。高频隔离DC/DC变换电路单元将410V的直流电压变换为负载所需的供电电压(28V或57V)。

Description

一种用于航空航天交流直流变换的分级限流电路
技术领域
本实用新型涉及一种可用于两种高压交流输入的交流/直流的变换装置，特别是一种用于航空航天领域的高压交流/直流变换装置。
背景技术
交流/直流变换装置在航空航天领域中已得到广泛的应用。航空航天电源常用的供电电源为交流220V/50Hz和115V/400Hz，需要变换成输出电压为直流28V或直流57V(功率为3KW的)，在实际运用中存在两种输入电源的切换。该电源的特点是输入输出电气隔离且输出直流电压远低于输入交流电压。通常的电路设计结构有：1、通过工频/中频变压器降压后进行整流稳压，2、整流电路和直流/直流高频隔离电压变换电路。存在的主要缺陷是：方案1为适应不同的输入电源电压，需要设计专门的电路与之匹配，并通过切换电路控制，电路复杂、品种多，体积大、成本高、可靠性低。方案2为减小整流电路产生的谐波电流，当输出功率大于整流电源的输出功率时，如在第一级限流则会产生电流谐波，对供电电源不利，电路设计难度大，且易产生谐波干扰。方案2采用传统的设计方式，在整流电源输出功率相同条件下，输入电压为115V/400Hz的输入电流约为输入电压为220V/50Hz的二倍。按输入电压为115V/400Hz所能输出的功率进行输出限流，该策略没有充分利用输入电压为220V/50Hz的输出潜力。在较大功率需求的情况下，需要更多的电源并联来解决。
若交流/直流变换器能同时适用以上两种电源，可以实现整流电源能在输入电压分别为220V/50Hz和115V/400Hz情况下正常运行，同时保证在不同输入电压时，能够达到最大功率输出，扩大交流/直流变换器的适用范围，可以减少电源变换器品种，降低成本，简化维修保障要求。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题在于克服上述现有技术之不足，提供一种用于解决交流/直流变换装置对两种交流供电电源的兼容问题，既能保证整流电源在两种不同输入电压下可正常运行，又能使变换器在两种电源输入时输出其最大可输出功率的用于航空航天交流直流变换的分级限流电路。
按照本实用新型提供的用于航空航天交流直流变换的分级限流电路，包括功率部分和控制部分，所述功率部分包括输入滤波单元、PFC变换电路单元、高频隔离DC/DC变换电路单元、辅助电源单元；控制部分包括PFC变换控制器单元、输入电源电压检测电路单元、DC/DC限流点设置电路单元、DC/DC控制单元，输入交流电源的输出端接所述输入滤波单元的输入端，所述输入滤波单元的输出端接所述PFC变换电路单元和所述输入电源电压检测电路单元的输入端，所述PFC变换电路单元的输出端接所述高频隔离DC/DC变换电路单元和辅助电源单元的输入端，所述辅助电源单元的输出端接所述PFC变换控制器单元、DC/DC控制单元、输入电源电压检测电路单元和DC/DC限流点设置电路单元的输入端，所述PFC变换控制器单元的输出端接所述PFC变换电路单元的另一输入端，所述输入电源电压检测电路单元的输出端接所述DC/DC限流点设置电路单元的另一个输入端，所述DC/DC限流点设置电路单元的输出端接所述DC/DC控制单元的另一输入端，所述DC/DC控制单元的输出端接所述高频隔离DC/DC变换电路单元的另一个输入端，所述高频隔离DC/DC变换电路单元的输出为直流电源的输出。
按照本实用新型提供的一种用于航空航天交流直流变换的分级限流电路还具有如下附属技术特征：
所述输入滤波部分采用差模电感滤波电路，所述输入滤波部分对输入交流电源进行滤波处理。
所述PFC变换电路单元包括整流桥和boost升压电路，所述整流桥把交流电源电压进行半波整流，所述boost升压电路通过高频PWM控制再把整流后的电压变换为直流母线电压，同时控制电感电流的波形与整流后的电压波形一致，所述boost升压电路中的开关管采用无损软开关控制其通断电压。
所述boost升压电路由开关管VT7和电感L3的主边构成，所述电感L3的副边与电感L4、电容C17、电容C18构成谐振电路，所述谐振电路使所述开关管的开通或关断在软开关条件下完成。
还包括由二极管VD33、电容C45、电阻R54组成的MOSFET电压箝位电路，所述MOSFET电压箝位电路连接在所述boost升压电路的输出端。
所述PFC变换控制器单元由UC3854及其外围电路构成，所述PFC变换控制器单元采用电压外环、电流内环的双环控制方式控制所述PFC变换电路单元工作。
所述高频隔离DC/DC变换电路单元采用磁集成的移相全桥电路，其包括四象限全桥、高频隔离变压器T2、半波整流、滤波电感、滤波电容C34和谐振电感L5组成，所述滤波电感与所述高频隔离变压器T2集成在一个磁体上。
所述DC/DC控制电路由芯片UC3895及其外围电路组成，所述DC/DC控制电路采用峰值电流内环和电压外环的双环控制对所述高频隔离DC/DC变换电路单元的输出电压进行控制。
所述输入电源电压检测电路单元对输入的交流电源进行检测，所述DC/DC限流点设置电路单元根据输入所述电源电压检测电路单元的检测输出对限流点进行设置，所述DC/DC控制单元根据所述DC/DC限流点设置电路单元的限流点设置情况，对所述高频隔离DC/DC变换电路单元进行控制，所述高频隔离DC/DC变换电路单元在所述DC/DC控制单元的控制下，将输入的直流电压转换为负载所需的直流电源。
按照本实用新型提供的一种用于航空航天交流直流变换的分级限流电路与现有技术相比具有如下优点：
1、本实用新型在第一级设置输入滤波单元，输入交流电源经过输入滤波后，减少电源的干扰。
2、滤波处理后的交流电源经PFC变换电路单元变成410V直流输出，并使输入电流波形与供电电源的电压波形相位保持一致，从而使输入功率因素接近1。高频隔离DC/DC变换电路单元将410V的直流电压变换为负载所需的供电电压(28V或57V)。
3、辅助电源单元将410V的直流电压转换为多路电源，分别为控制电路(DC/DC限流点设置电路单元、DC/DC控制单元、输入电源电压检测电路单元)提供电源。
4、输入电源电压检测电路单元对输入电源进行电压检测，检测输出作为DC/DC限流点设置电路单元的输入，DC/DC限流点设置电路单元根据输入的不同情况对电源设置不同的限流点，DC/DC控制单元根据不同的限流点对电源的输出功率进行限制。
5、本实用新型适用于两种交流电源的输入，同时减少对输入电源的谐波干扰，并能保证在每种交流电源输入情况下，电源能够满功率输出。
6、在PFC主电路中，采用了无损软开关技术，减小了开关频率高而引起的开关损耗较大的问题。
7、在移相全桥拓扑结构中，采用了磁集成技术，将主变压器和直流输出滤波电感两个磁性器件集成到同一磁体中，并保证控制特性与传统两个磁性元件的特性一致。
8、采用电压电流双闭环，分别实现了对PFC母线电压控制和输出电压控制。
附图说明
图1是本实用新型的原理框图。
图2是本实用新型的滤波电路原理图。
图3是本实用新型的PFC变换电路单元电路原理图。
图4是本实用新型的PFC变换控制器单元电路原理图。
图5是本实用新型的辅助电源单元电路原理图。
图6是本实用新型的输入电源电压检测电路单元电路原理图。
图7是本实用新型的DC/DC限流点设置电路单元电路原理图。
图8是本实用新型的DC/DC控制单元电路原理图。
图9是本实用新型的高频隔离DC/DC变换电路单元电路原理图。
具体实施方式
参见图1，按照本实用新型提供的一种用于航空航天交流直流变换的分级限流电路，包括功率部分和控制部分，所述功率部分包括输入滤波单元1、PFC变换电路单元2、高频隔离DC/DC变换电路单元3、辅助电源单元5；控制部分包括PFC变换控制器单元4、输入电源电压检测电路单元7、DC/DC限流点设置电路单元8、DC/DC控制单元6，输入交流电源的输出端接所述输入滤波单元1的输入端，所述输入滤波单元1的输出端接所述PFC变换电路单元2和所述输入电源电压检测电路单元7的输入端，所述PFC变换电路单元2的输出端接所述高频隔离DC/DC变换电路单元3和辅助电源单元5的输入端，所述辅助电源单元5的输出端接所述PFC变换控制器单元4、DC/DC控制单元6、输入电源电压检测电路单元7和DC/DC限流点设置电路单元8的输入端，所述PFC变换控制器单元4的输出端接所述PFC变换电路单元2的另一输入端，所述输入电源电压检测电路单元7的输出端接所述DC/DC限流点设置电路单元8的另一个输入端，所述DC/DC限流点设置电路单元8的输出端接所述DC/DC控制单元6的另一输入端，所述DC/DC控制单元6的输出端接所述高频隔离DC/DC变换电路单元3的另一个输入端，所述高频隔离DC/DC变换电路单元3的输出为直流电源的输出。
输入交流电源通过输入滤波单元1进行滤波处理，PFC变换电路单元2将输入滤波单元1输出的交流电压在PFC变换控制器单元4的控制下，变换为直流410V电压，并使输入电流波形与供电电源的电压波形保持一致，从而使输入功率因素接近1。所述输入电源电压检测电路单元7对输入的交流电源进行检测，所述DC/DC限流点设置电路单元8根据输入所述电源电压检测电路单元7的检测输出对限流点进行设置，所述DC/DC控制单元6根据所述DC/DC限流点设置电路单元8的限流点设置情况，对所述高频隔离DC/DC变换电路单元3进行控制，所述高频隔离DC/DC变换电路单元3在所述DC/DC控制单元6的控制下，将输入的直流电压转换为负载所需的直流电源。
参见图2，在本实用新型给出的上述实施例中，所述输入滤波部分1采用差模电感滤波电路，所述输入滤波部分对输入交流电源进行滤波处理。具体构成参见图2给出的电路原理图。本实用新型采用第一级进行滤波，从而克服高次谐波对于电源的影响。
参见图3，在本实用新型给出的上述实施例中，所述PFC变换电路单元包括整流桥和boost升压电路，所述整流桥VD27为GBPC35-10。所述boost升压电路是一种开关直流升压电路。所述整流桥把交流电源电压进行半波整流，所述boost升压电路通过高频PWM控制再把整流后的电压变换为直流母线电压，同时控制电感电流的波形与整流后的电压波形一致，所述boost升压电路中的开关管采用无损软开关控制其通断电压。所述boost升压电路由开关管VT7和电感L3的主边构成，所述电感L3的副边与电感L4、电容C17、电容C18构成谐振电路，该谐振电路控制开关管VT7在通断时的电压值趋近于零，并将多余电能输送给负载，从而实现无损软开关电路的功能。Boost电路是工作在高频开关状态，为减小体积(主要减小图中电感L2的体积)，主电路的开关频率越高越好。由于开关管和续流二极管并非理想的开关器件，特别是续流二极管的反向恢复时间较长。为减小电感的体积和输入电流谐波，PFC的开关频率达到100kHz以上，采用传统硬开关主电路，开关损耗较大，导致转换效率降低，需要较大的散热面积而增加设备体积。软开关技术能够减小高开关频率带来的高开关损耗。采用无损软开关技术用于减小续开关管和续流二极管的开关损耗。
本实用新型的无损软开关电路的组成和工作原理如下：
本实用新型的图3是PFC变换电路单元2的电路原理图，其中由二极管VD33、电容C45、电阻R54组成的是MOSFET电压箝位电路，所述MOSFET电压箝位电路连接在所述boost升压电路的输出端。仅当开关管电压大于直流母线电压才起作用。在正常运行时，开关管压降不大于直流母线电压。
参见图3，在开关管VT7导通稳态时，主电路通路为整流桥-电感L3-开关管-整流桥。
当开关管VT7关断时，由于二极管VD12、电容C18的作用(此时电容C18的电压近似为零)，开关管VT7关断时的电压箝位到零附近，因而实现关断时开关管的电流减小过程中开关管电压保持在零附近。由于电感L3的作用，电感对电容C18持续放电，其电流通路为整流桥-电感L3-二极管VD12-电容C18-整流桥。
随着电容C18持续充电，其电压逐渐增加，直到电感L3副边电压、C17电压和C18电压之和超过母线电压，其电流通路为整流桥-电感L3-电感L3副边-电感L4-电容C17-二极管VD10-电容C38-整流桥为一路，整流桥-电感L3-VD12-电容C18-整流桥为另一路。此时电感L4的电流逐渐增大，电容C18的电压继续上升、电容C17的电压继续下将。
当电容C18的电压达到母线电压时，二极管VD14导通，将开关管VT7电压箝位到母线电压，其电流通路整流桥-电感L3-电感L3副边-电感L4-电容C17-二极管VD10-电容C39-整流桥为一路，整流桥-电感L3-二极管VD14-电容C39-整流桥为另一路。
由于电感L3的作用，使得电感L4的电压为正，电感L4的电流继续逐渐增大，直到二极管VD14截至。随着电容C17的电压继续下降，当电容电压为0时，二极管VD24导通。整个主电路的电流通路为整流桥-电感L3-电感L3副边-电感L4-二极管VD24-电容C39-整流桥。次为开关管关断时的稳态工作方式。
当开关管VT7由关断转为开通时，由于电感L4的存在，开关管VT7可实现准零电压开通。此时电感L4上的电流逐渐转移到开关管VT7上。其电流通路为整流桥-电感L3-电感L3副边-电感L4-二极管VD24-电容C39-整流桥为一路，整流桥-电感L3-开关管VT7-整流桥为另一路。
当电感L4的电流减小到零时，由于在开关管关断时刻，电容C18存储的电能，通过二极管VD17、电容C17、开关管VT7、电感L3的副边和电感L4形成的回路，电感L4的电流反向增大，其电流通路为整流桥-电感L3-开关管VT7-整流桥为一路，电容C18-二极管VD11-电容C17-电感L4-电感L3副边-电感L3为另一路，该路连接于开关管VT7的两端。在此阶段，由于电感L4与两电容C18、C17的谐振和电感L3副边的负电压，使得电容C18上的电压将为零，同时把其存储的电荷转移的电容C17上。
电容C18的电压为零，则为下次开关管关断实现软开关打下基础。电容C17存储的能量在上述通路中传输到负载中。
由上述分析可知：在开关管开通、关断期间，开关管的开关损耗非常小，实现了软开关，并且软开关辅助网络把开关吸收的能量完全转移到负载中，并不是消耗在软开关网络中，因而实现了无损软开关的作用。
参见图4，在本实用新型给出的上述实施例中，所述PFC变换控制器单元由UC3854及其外围电路构成，所述PFC变换控制器单元采用电压外环、电流内环的双环控制方式控制所述PFC变换电路单元工作。电流内环的作用是控制输入电流(电感L3电流)使之为给定参考电流。采用准PI控制器作为电流内环的电流控制器，PI控制实现方便，可以实现对直流信号的无静差跟踪，具有较好的动态特性。电压外环控制输出为电流内环的参考电流有效值。所述PFC变换控制器单元的组成由图4所示电路原理图构成，其输出与PFC变换电路单元2中的开关管VT7相连接，控制开关管VT7的通断。
参见图5，在本实用新型给出的上述实施例中，图5给出辅助电源单元5的组成，该电路为上述各电路提供工作电源。通过变压器可以提供多种电压。
参见图6，在本实用新型给出的上述实施例中，图6给出输入电源电压检测电路单元7的组成，该电路主要是用于检测输入交流电源，作为限流点设置判断的依据。该电路主要是采样处理电路。图7给出的是DC/DC限流点设置电路单元8的组成，该电路根据输入电压电源检测电路单元7检测到的输入电源设置相应的限流点，从而能够适用不同的输入交流电源。
参见图9，在本实用新型给出的上述实施例中，所述高频隔离DC/DC变换电路单元采用磁集成的移相全桥电路，其包括四象限全桥、、高频隔离变压器T2、半波整流VD26、VD34、滤波电感、滤波电容C34和谐振电感L5组成，所述滤波电感与所述高频隔离变压器T2集成在一个磁体上。所述四象限全桥由VT1、VT2、VT3、VT4组成。本实用新型中的滤波电感为直流电感，用以减小电流谐波。滤波电感为尽量减小电流谐波，则需要较大的电感量，同时流经电感的电流为单向直流，电流大小为负载电流，以上因素导致电感的磁体体积大，而本实用新型将电感与变压器集成为一个磁体，则大大的减小了体积。
参见图8，在本实用新型给出的上述实施例中，图8给出的是DC/DC控制电路的组成，所述DC/DC控制电路由芯片UC3895及其外围电路组成，所述DC/DC控制电路采用峰值电流内环和电压外环的双环控制对所述高频隔离DC/DC变换电路单元的输出电压进行控制。峰值电流内环采用移相全桥的瞬时电流为反馈参量。当瞬时电流小于电压外环输出的给定参考电流时，移相全桥输出‘1’，此时输出电流一直增大，直到瞬时电流大于参考给定电流时，移相全桥输出‘0’，此时输出电流将减小。因而，电流内环保证了移相全桥的瞬时电流峰值实时跟踪电压外环调节输出的参考电流。电流内环可以在开关周期内达到峰值电流的实时跟踪，因而电流内环可近似等效为比例系数K＝1的比例环节。电压外环与PFC电压外环控制类似。

Claims (9)

1.一种用于航空航天交流直流变换的分级限流电路，其特征在于：包括功率部分和控制部分，所述功率部分包括输入滤波单元、PFC变换电路单元、高频隔离DC/DC变换电路单元、辅助电源单元；控制部分包括PFC变换控制器单元、输入电源电压检测电路单元、DC/DC限流点设置电路单元、DC/DC控制单元，输入交流电源的输出端接所述输入滤波单元的输入端，所述输入滤波单元的输出端接所述PFC变换电路单元和所述输入电源电压检测电路单元的输入端，所述PFC变换电路单元的输出端接所述高频隔离DC/DC变换电路单元和辅助电源单元的输入端，所述辅助电源单元的输出端接所述PFC变换控制器单元、DC/DC控制单元、输入电源电压检测电路单元和DC/DC限流点设置电路单元的输入端，所述PFC变换控制器单元的输出端接所述PFC变换电路单元的另一输入端，所述输入电源电压检测电路单元的输出端接所述DC/DC限流点设置电路单元的另一个输入端，所述DC/DC限流点设置电路单元的输出端接所述DC/DC控制单元的另一输入端，所述DC/DC控制单元的输出端接所述高频隔离DC/DC变换电路单元的另一个输入端，所述高频隔离DC/DC变换电路单元的输出为直流电源的输出。
2.如权利要求1所述的一种用于航空航天交流直流变换的分级限流电路，其特征在于：所述输入滤波部分采用差模电感滤波电路，所述输入滤波部分对输入交流电源进行滤波处理。
3.如权利要求1所述的一种用于航空航天交流直流变换的分级限流电路，其特征在于：所述PFC变换电路单元包括整流桥和boost升压电路，所述整流桥把交流电源电压进行半波整流，所述boost升压电路通过高频PWM控制再把整流后的电压变换为直流母线电压，同时控制电感电流的波形与整流后的电压波形一致，所述boost升压电路中的开关管采用无损软开关控制其通断电压。
4.如权利要求3所述的一种用于航空航天交流直流变换的分级限流电路，其特征在于：所述boost升压电路由开关管VT7和电感L3的主边构成，所述电感L3的副边与电感L4、电容C17、电容C18构成构成谐振电路，所述谐振电路使所述开关管的开通或关断在无损软开关条件下完成。
5.如权利要求4所述的一种用于航空航天交流直流变换的分级限流电路，其特征在于：还包括由二极管VD33、电容C45、电阻R54组成的MOSFET电压箝位电路，所述MOSFET电压箝位电路连接在所述boost升压电路的输出端。
6.如权利要求4所述的一种用于航空航天交流直流变换的分级限流电路，其特征在于：所述PFC变换控制器单元由UC3854及其外围电路构成，所述PFC变换控制器单元采用电压外环、电流内环的双环控制方式控制所述PFC变换电路单元工作。
7.如权利要求4所述的一种用于航空航天交流直流变换的分级限流电路，其特征在于：所述高频隔离DC/DC变换电路单元采用磁集成的移相全桥电路，其包括四象限全桥、高频隔离变压器T2、半波整流、滤波电感、滤波电容C34和谐振电感L5组成，所述滤波电感与所述高频隔离变压器T2集成在一个磁体上。
8.如权利要求7所述的一种用于航空航天交流直流变换的分级限流电路，其特征在于：所述DC/DC控制电路由芯片UC3895及其外围电路组成，所述DC/DC控制电路采用峰值电流内环和电压外环的双环控制对所述高频隔离DC/DC变换电路单元的输出电压进行控制。
9.如权利要求1所述的一种用于航空航天交流直流变换的分级限流电路，其特征在于：所述输入电源电压检测电路单元对输入的交流电源进行检测，所述DC/DC限流点设置电路单元根据输入所述电源电压检测电路单元的检测输出对限流点进行设置，所述DC/DC控制单元根据所述DC/DC限流点设置电路单元的限流点设置情况，对所述高频隔离DC/DC变换电路单元进行控制，所述高频隔离DC/DC变换电路单元在所述DC/DC控制单元的控制下，将输入的直流电压转换为负载所需的直流电源。
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