CN205283406U - Dc-dc变换器漏感能量回馈数字控制装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了DC-DC变换器漏感能量回馈数字控制装置，由微控制器根据输出电压电流检测电路提供的数据对两个DC-DC变换电路以及两个漏感能量吸收回馈电路进行控制，第一DC-DC变换电路工作时第二漏感能量吸收回馈电路工作，第二DC-DC变换电路工作时第一漏感能量吸收回馈电路工作，即无论工作在哪种方式下，均有漏感能量吸收回馈电路吸收相应的变压器产生的漏感能量，并在工作方式切换前，将吸收到的漏感能量回馈到输入直流电源中。本实用新型吸收由开关管产生的尖峰电压，吸收变压器产生的漏感能量，并就漏感能量进行回馈，提高了变换效率，减少或消除了开关管的发热，延长了开关管的使用寿命。

Description

DC-DC变换器漏感能量回馈数字控制装置

技术领域

本实用新型涉及开关电源领域，具体涉及DC-DC变换器漏感能量回馈数字控制装置。

背景技术

开关电源应用广泛，高频开关变压器的发展使得开关电源的体积更小、重量更轻、效率更高。高频开关变压器应用在开关电源中，用于传递能量、隔离和变比等。在使用变压器的DC-DC变换器中高频开关变压器对电源的性能影响非常大：DC-DC变换器中高频开关变压器漏感会使得开关管在断开的瞬间产生反电动势，导致开关管过压击穿；开关管在开关转换过程中内阻较大，流过较大漏感电流时发热比较严重、损耗较大且寿命短；漏感还可以与电路中的分布电容以及变压器线圈的分布电容组成振荡回路，使电路产生振荡并向外辐射电磁能量，造成电磁干扰。通常的解决方案是加入吸收回路来抑制开关管的尖峰电压，如RC吸收电路、RCD钳位电路等，RC吸收电路与RCD钳位电路的缺点在于消耗DC-DC变换器的变压器漏感中蓄积的能量以及DC-DC变换器的变压器励磁能量，降低了DC-DC变换器的变换效率，还会因开通损耗较大以及不能回馈漏感电流，导致吸收元器件发热而缩短使用寿命。

实用新型内容

本实用新型提供DC-DC变换器漏感能量回馈数字控制装置，解决现有DC-DC变换器的吸收回路变换效率低、吸收元器件使用寿命短的问题。

本实用新型通过以下技术方案解决上述问题：

DC-DC变换器漏感能量回馈数字控制装置，与现有技术相同，包括输入直流电源、第一DC-DC变换电路、第二DC-DC变换电路，所述第一DC-DC变换电路和第二DC-DC变换电路并联连接，组成交错并联DC-DC变换器，所述输入直流电源的输出端与交错并联DC-DC变换器的输入端相连，所述交错并联DC-DC变换器的输出端与外部负载的输入端相连，与现有技术不同之处在于：

还包括微控制器、输出电压电流检测电路、第一漏感能量吸收回馈电路和第二漏感能量吸收回馈电路；

所述输出电压电流检测电路的输入端与交错并联DC-DC变换器的输出端相连；所述输出电压电流检测电路的输出端与微控制器的输入端相连；所述微控制器的输出端分别与交错并联DC-DC变换器、第一漏感能量吸收回馈电路以及第二漏感能量吸收回馈电路的控制端相连；所述第一漏感能量吸收回馈电路的输入端与第一DC-DC变换电路的输出端相连，所述第一漏感能量吸收回馈电路的输出端与输入直流电源的输入端相连；所述第二漏感能量吸收回馈电路的输入端与第二DC-DC变换电路的输出端相连，所述第二漏感能量吸收回馈电路的输出端与输入直流电源的输入端相连。

上述方案中，进一步还包括前级电路；所述前级电路的输入端与输入直流电源的输出端相连，所述前级电路的输出端与交错并联DC-DC变换器的输入端相连。

上述方案中，进一步还包括输出滤波电路；所述输出滤波电路的输入端与交错并联DC-DC变换器的输出端相连，所述输出滤波电路的输出端与外部负载相连，所述输出滤波电路的输出端经输出电压电流检测电路与微控制器的输入端相连。

上述方案中，进一步还包括开关管驱动电路；所述开关管驱动电路的输入端与微控制器的输出端相连，所述开关管驱动电路的输出端分别与交错并联DC-DC变换器、第一漏感能量吸收回馈电路以及第二漏感能量吸收回馈电路的控制端相连。

上述方案中，进一步还包括辅助电源；所述辅助电源的输出端与微控制器、输出电压电流检测电路以及开关管驱动电路的供电端相连。

上述方案中，所述第一漏感能量吸收回馈电路和第二漏感能量吸收回馈电路的电路结构完全相同；所述第一漏感能量吸收回馈电路由开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3、电容C1、电容C2、二极管D1以及电感L1组成；所述开关管Q3的漏极与第一DC-DC变换电路相连，所述开关管Q3的源极与开关管Q2的漏极相连，所述开关管Q3的源极经电容C2与开关管Q1的源极相连；所述开关管Q2的源极经电感L1与开关管Q1的漏极相连；所述开关管Q1的源极接地，所述开关管Q1的漏极与二极管D1连接后，经电容C1与开关管Q1的源极相连；所述二极管D1的负极与输入直流电源的正极相连；所述开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3的栅极与微控制器相连。

上述方案中，所述第一DC-DC变换电路和第二DC-DC变换电路的电路结构完全相同；

所述第一DC-DC变换电路由开关管Q4、变压器T1以及二极管D3组成；

所述变压器T1初级绕组N1的同名端与输入直流电源的输出端相连，所述变压器T1初级绕组N1的异名端与第一漏感能量吸收回馈电路的开关管Q3的漏极相连，所述变压器T1初级绕组N1的异名端与开关管Q4的漏极相连，所述变压器T1次级绕组N2的同名端经二极管D3与外部负载的一路输入端相连；所述开关管Q4的源极与输入直流电源的负极相连，所述开关管Q4的栅极与微控制器相连；所述第一DC-DC变换电路的变压器T1与第二DC-DC变换电路中变压器初级绕组的同名端相连；所述第一DC-DC变换电路中变压器T1次级绕组的异名端与第二DC-DC变换电路中变压器次级绕组的异名端相连，所述两个异名端均与外部负载的另一路输入端相连；所述第一DC-DC变换电路和第二DC-DC变换电路的两个二极管的阴极相连。

本实用新型的优点与效果是：

1、根据输出电压电流检测电路检测到的数据，控制两个DC-DC变换电路以及两个漏感能量吸收回馈电路，第一DC-DC变换电路为外部负载提供能量时，第二漏感能量吸收回馈电路吸收第二DC-DC变换电路产生的漏感能量，第二DC-DC变换电路为外部负载提供能量时，第一漏感能量吸收回馈电路吸收第一DC-DC变换电路产生的漏感能量，并且在两种工作方式切换之前，将吸收的漏感能量反馈给输入直流电源，既提高了本实用新型的变换效率又解决了元器件使用寿命短的问题；

2、对输入直流电源进行前级滤波和防反接保护，对两个DC-DC变换电路的输出进行后级滤波后，再输入至外部负载，为外部负载提供稳定的信号，提高了电路的稳定性。

附图说明

图1为本实用新型的结构原理框图。

图2为本实用新型交错并联DC-DC变换器和两个漏感能量吸收回馈的电路原理图。

具体实施方式

以下结合实施例对本实用新型作进一步说明，但本实用新型并不局限于这些实施例。

本实用新型公开了一种DC-DC变换器漏感能量回馈数字控制装置，与现有技术相同，包括输入直流电源和交错并联DC-DC变换器，其中，交错并联DC-DC变换器由第一DC-DC变换电路和第二DC-DC变换电路并联连接而成，输入直流电源的输出端与交错并联DC-DC变换器的输入端相连，交错并联DC-DC变换器的输出端与外部负载的输入端相连，与现有技术不同之处在于：

还包括微控制器、输出电压电流检测电路、第一漏感能量吸收回馈电路、第二漏感能量吸收回馈电路和开关管驱动电路；输出电压电流检测电路的输入端与交错并联DC-DC变换器的输出端相连；输出电压电流检测电路的输出端与微控制器的输入端相连；微控制器的输出端分别与交错并联DC-DC变换器、第一漏感能量吸收回馈电路以及第二漏感能量吸收回馈电路的控制端相连；第一漏感能量吸收回馈电路的输入端与第一DC-DC变换电路的输出端相连，第一漏感能量吸收回馈电路的输出端与输入直流电源的输入端相连；第二漏感能量吸收回馈电路的输入端与第二DC-DC变换电路的输出端相连，第二漏感能量吸收回馈电路的输出端与输入直流电源的输入端相连；开关管驱动电路的输入端与微控制器的输出端相连，开关管驱动电路的输出端分别与两个DC-DC变换电路以及两个漏感能量吸收回馈电路的控制端相连。

微控制器将输出电压电流检测电路检测到的电压和电流进行A/D转换，运用现有的卡尔曼算法进行卡尔曼滤波，再运用现有的PID算法处理，进行漏感能量回馈及PID控制，通过内置的PWM信号发生器发出PWM信号，即通过改变脉冲宽度调节占空比，控制交错并联DC-DC变换器和两个漏感能量吸收回馈电路的工作，进而控制整个DC-DC变换器漏感能量回馈数字控制装置向外部负载提供稳定的直流信号，实现闭环控制。微控制器对本装置进行实时监控，具有智能化、效率高、宽范围输入等优点。本实用新型的微控制器采用STM32F407，具有高性能、低成本、低功耗的特点。PWM信号发生器发出PWM信号，通过改变脉冲宽度调节占空比，以驱动交错并联DC-DC变换器和两个漏感能量吸收回馈电路。本实用新型中，PWM信号发生器发出8路PWM信号，即PWM1-PWM8，用于控制交错并联DC-DC变换器和两个漏感能量吸收回馈电路的开关管。

第一漏感能量吸收回馈电路由开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3、电容C1、电容C2、二极管D1以及电感L1组成；第二漏感能量吸收回馈电路由开关管Q5、开关管Q6、开关管Q7、电容C3、电容C4、二极管D2以及电感L2组成；第一漏感能量吸收回馈电路和第二漏感能量吸收回馈电路的电路结构完全相同。开关管Q3的漏极与第一DC-DC变换电路中变压器T1初级绕组的异名端相连，开关管Q3的源极与开关管Q2的漏极相连，开关管Q3的源极经电容C2与开关管Q1的源极相连；开关管Q2的源极经电感L1与开关管Q1的漏极相连；开关管Q1的源极接地，开关管Q1的漏极与二极管D1连接后，经电容C1与开关管Q1的源极相连；二极管D1的负极与输入直流电源的正极相连；开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3的栅极通过开关管驱动电路与微控制器相连，即微控制器的PWM信号发生器输出的PWM1、PWM2、PWM3通过开关管驱动电路后分别输入至开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3的栅极，同理，开关管Q5、开关管Q6、开关管Q7的栅极通过开关管驱动电路与微控制器相连，即微控制器的PWM信号发生器输出的PWM5、PWM6、PWM7通过开关管驱动电路后分别输入至开关管Q5、开关管Q6、开关管Q7的栅极。

在第一漏感能量吸收回馈电路中，电容C2为储能电容，电感L1为储能电感，二极管D1为续流二极管，电容C1为滤波电容。电容C2用于在开关管Q4断开时，存储变压器T1产生的漏感能量；开关管Q1、二极管D1、电容C1以及电感L1组成开关直流升压电路1，用于升高电容C2提供的电压值。电容阻碍电压变化，通高频、阻低频，通交流、阻直流；电感阻碍电流变化，通低频、阻高频，通直流、阻交流。理想状态下，储能电容C2的电压值与变压器T1的漏感提供的电压。开关管Q4关闭时，变压器T1存在漏感能量，开关管Q2关闭，开关管Q3打开，变压器T1通过开关管Q3向储能电容C2充电，将变压器T1的漏感能量吸收至储能电容C2中；开关管Q3关闭，开关管Q2打开，储能电容C2的能量经开关直流升压电路1升压后回馈到输入直流电源中。同理，在第二漏感能量吸收回馈电路中，储能电容C4用于在开关管Q8断开时，存储变压器T2产生的漏感能量；开关管Q5、续流二极管D2、滤波电容C1以及储能电感L2组成开关直流升压电路2，用于升高储能电容C4提供的电压值。开关管Q8关闭时，变压器T2存在漏感能量，开关管Q6关闭，开关管Q7打开，变压器T2通过开关管Q7向储能电容C4充电，将变压器T2的漏感能量吸收至储能电容C4中；开关管Q7关闭，开关管Q6打开，储能电容C4的能量经开关直流升压电路2升压后回馈到输入直流电源中。两个漏感能量吸收回馈电路分别消除由于开关管Q4、开关管Q8的断开引起的尖峰电压，并将由变压器T1、T2产生的励磁电流漏感能量进行吸收和回馈到输入直流电源中，提高了本实用新型的变换效率，减少或消除开关管Q4、开关管Q8发热，延长了各器件的使用寿命，提高了电路可靠性，能够适应复杂的干扰环境。

第一DC-DC变换电路由开关管Q4、变压器T1以及二极管D3组成；第二DC-DC变换电路由开关管Q8、变压器T2以及二极管D4组成；第一DC-DC变换电路和第二DC-DC变换电路的电路结构完全相同。在第一DC-DC变换电路中，变压器T1初级绕组N1的同名端与输入直流电源的输出端相连，变压器T1初级绕组N1的异名端与第一漏感能量吸收回馈电路的开关管Q3的漏极相连，变压器T1初级绕组N1的异名端与开关管Q4的漏极相连，变压器T1次级绕组N2的同名端经二极管D3与外部负载的一路输入端相连；开关管Q4的源极与输入直流电源的负极相连，开关管Q4的栅极与微控制器相连，即微控制器的PWM信号发生器输出的PWM4信号输入至开关管Q4的栅极；第一DC-DC变换电路的变压器T1和第二DC-DC变换电路的变压器T2的初级绕组的同名端相连；第一DC-DC变换电路中变压器T1次级绕组的异名端和第二DC-DC变换电路中变压器T2次级绕组的异名端相连，两个异名端与外部负载的另一路输入端相连；二极管D3和二极管D4的阴极相连。第一DC-DC变换电路和第二DC-DC变换电路将输入直流电源进行隔离变换之后，将能量传输至外部负载。变压器T1的初级绕组和次级绕组方向一致起绕点是同名端，同名端在同一交变磁通的作用下任一时刻两个绕组都具有相同电势极性；变压器T2的绕线方式与变压器T1相同。第二DC-DC变换电路中开关管Q8的栅极与微控制器相连，即微控制器的PWM信号发生器输出的PWM8信号输入至开关管Q8的栅极。

微控制器控制第一DC-DC变换电路开关管Q4打开，控制第二DC-DC变换电路开关管Q8关闭，控制第一漏感能量吸收回馈电路的开关管Q3关闭，控制开关管Q2打开，控制第二漏感能量吸收回馈电路的开关管Q7打开，开关管Q6关闭，第一DC-DC变换电路导通并向外部负载提供能量，第二DC-DC变换电路断开并停止向外部负载提供能量；微控制器控制第二DC-DC变换电路开关管Q8打开，控制第一DC-DC变换电路开关管Q4关闭，控制第二漏感能量吸收回馈电路的开关管Q7关闭，控制开关管Q6打开，控制第一漏感能量吸收回馈电路的开关管Q3打开，开关管Q2关闭，第二DC-DC变换电路导通并向外部负载提供能量，第一DC-DC变换电路断开并停止向外部负载提供能量。上述两个工作过程交错进行。

在输入直流电源和交错并联DC-DC变换器之间设置了前级电路，前级电路的输入端与输入直流电源的输出端相连，前级电路的输出端Vin与交错并联DC-DC变换器的输入端相连，即与变压器T1、变压器T2的初级绕组的同名端相连。前级电路用于对输入直流电源输出的信号进行滤波和防反接保护。

在交错并联DC-DC变换器与外部负载之间设置了输出滤波电路，输出滤波电路的输入端与交错并联DC-DC变换器的输出端Vo相连，输出滤波电路的输出端与外部负载相连，输出滤波电路的输出端经输出电压电流检测电路与微控制器的输入端相连。输出滤波电路用于将交错并联DC-DC变换器输出的信号进行滤波后，输入至外部负载。

在微控制器和两个DC-DC变换电路以及两个漏感能量吸收回馈电路中各开关管的栅极之间，设置了开关管驱动电路，开关管驱动电路的输出端分别与两个DC-DC变换电路以及两个漏感能量吸收回馈电路中各开关管的栅极相连。开关管驱动电路用于放大微控制器内置中PWM信号发生器产生的微弱信号之后，驱动各开关管的打开。

本实用新型还设置了辅助电源，辅助电源的输出端与微控制器、输出电压电流检测电路以及开关管驱动电路的供电端相连，用于为上述三个电路供电。

本实用新型的工作过程为：

微控制器根据输出电压电流检测电路检测到的信号产生不同的PWM信号，通过控制各开关管的打开和断开，交错进行下述两种工作方式：

1、微控制器发出PWM信号，通过开关管驱动电路打开开关管Q4，断开开关管Q8，进而控制第一DC-DC变换电路向外部负载提供能量；断开开关管Q3，打开开关管Q2，将储能电容C2的能量回馈至输入直流电源中；同时第二漏感能量吸收回馈电路中打开开关管Q7和断开开关管Q6，由储能电容C4吸收开关管Q8断开时变压器T2产生的漏感能量；切换至另一个工作方式时，微控制器控制第二漏感能量吸收回馈电路的开关管，将储能电容C4的能量回馈至输入直流电源中；

2、微控制器发出PWM信号，通过开关管驱动电路打开开关管Q8，断开开关管Q4，进而控制第二DC-DC变换电路向外部负载提供能量，断开开关管Q7，打开开关管Q6，将储能电容C4的能量回馈至输入直流电源中；同时第一漏感能量吸收回馈电路中打开开关管Q3，断开开关管Q2，由储能电容C2吸收开关管Q4断开时变压器T1产生的漏感能量；切换至另一个工作方式时，微控制器控制第一漏感能量吸收回馈电路的开关管，将储能电容C2的能量回馈至输入直流电源中。

Claims (7)

1.DC-DC变换器漏感能量回馈数字控制装置，包括输入直流电源、第一DC-DC变换电路、第二DC-DC变换电路，所述第一DC-DC变换电路和第二DC-DC变换电路并联连接，组成交错并联DC-DC变换器，所述输入直流电源的输出端与交错并联DC-DC变换器的输入端相连，所述交错并联DC-DC变换器的输出端与外部负载的输入端相连，其特征在于：

还包括微控制器、输出电压电流检测电路、第一漏感能量吸收回馈电路和第二漏感能量吸收回馈电路；

所述输出电压电流检测电路的输入端与交错并联DC-DC变换器的输出端相连；所述输出电压电流检测电路的输出端与微控制器的输入端相连；所述微控制器的输出端分别与交错并联DC-DC变换器、第一漏感能量吸收回馈电路以及第二漏感能量吸收回馈电路的控制端相连；所述第一漏感能量吸收回馈电路的输入端与第一DC-DC变换电路的输出端相连，所述第一漏感能量吸收回馈电路的输出端与输入直流电源的输入端相连；所述第二漏感能量吸收回馈电路的输入端与第二DC-DC变换电路的输出端相连，所述第二漏感能量吸收回馈电路的输出端与输入直流电源的输入端相连。

2.根据权利要求1所述的DC-DC变换器漏感能量回馈数字控制装置，其特征在于：

进一步还包括前级电路；所述前级电路的输入端与输入直流电源的输出端相连，所述前级电路的输出端与交错并联DC-DC变换器的输入端相连。

3.根据权利要求1所述的DC-DC变换器漏感能量回馈数字控制装置，其特征在于：

进一步还包括输出滤波电路；所述输出滤波电路的输入端与交错并联DC-DC变换器的输出端相连，所述输出滤波电路的输出端与外部负载相连，所述输出滤波电路的输出端经输出电压电流检测电路与微控制器的输入端相连。

4.根据权利要求1所述的DC-DC变换器漏感能量回馈数字控制装置，其特征在于：

进一步还包括开关管驱动电路；所述开关管驱动电路的输入端与微控制器的输出端相连，所述开关管驱动电路的输出端分别与交错并联DC-DC变换器、第一漏感能量吸收回馈电路以及第二漏感能量吸收回馈电路的控制端相连。

5.根据权利要求4所述的DC-DC变换器漏感能量回馈数字控制装置，其特征在于：

进一步还包括辅助电源；所述辅助电源的输出端与微控制器、输出电压电流检测电路以及开关管驱动电路的供电端相连。

6.根据权利要求1-5中任意一项所述的DC-DC变换器漏感能量回馈数字控制装置，其特征在于：

所述第一漏感能量吸收回馈电路和第二漏感能量吸收回馈电路的电路结构完全相同；

所述第一漏感能量吸收回馈电路由开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3、电容C1、电容C2、二极管D1以及电感L1组成；

所述开关管Q3的漏极与第一DC-DC变换电路相连，所述开关管Q3的源极与开关管Q2的漏极相连，所述开关管Q3的源极经电容C2与开关管Q1的源极相连；所述开关管Q2的源极经电感L1与开关管Q1的漏极相连；所述开关管Q1的源极接地，所述开关管Q1的漏极与二极管D1连接后，经电容C1与开关管Q1的源极相连；所述二极管D1的负极与输入直流电源的正极相连；所述开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3的栅极与微控制器相连。

7.根据权利要求6所述的DC-DC变换器漏感能量回馈数字控制装置，其特征在于：

所述第一DC-DC变换电路和第二DC-DC变换电路的电路结构完全相同；

所述第一DC-DC变换电路由开关管Q4、变压器T1以及二极管D3组成；

所述变压器T1初级绕组N1的同名端与输入直流电源的输出端相连，所述变压器T1初级绕组N1的异名端与第一漏感能量吸收回馈电路的开关管Q3的漏极相连，所述变压器T1初级绕组N1的异名端与开关管Q4的漏极相连，所述变压器T1次级绕组N2的同名端经二极管D3与外部负载的一路输入端相连；所述开关管Q4的源极与输入直流电源的负极相连，所述开关管Q4的栅极与微控制器相连；所述第一DC-DC变换电路的变压器T1与第二DC-DC变换电路中变压器初级绕组的同名端相连；所述第一DC-DC变换电路中变压器T1次级绕组的异名端与第二DC-DC变换电路中变压器次级绕组的异名端相连，所述两个异名端均与外部负载的另一路输入端相连；所述第一DC-DC变换电路和第二DC-DC变换电路的两个二极管的阴极相连。