CN207053397U - 宽输入电压范围的非隔离式直流电压源 - Google Patents

Abstract

本实用新型主要涉及到一种宽输入电压范围的非隔离式直流电压源。具备对输入电压采样一个分压值得分压器。受分压值的驱动的第一开关在分压值低于阈值时被关断而在高于阈值时接通。在第一开关接通时将第二开关的控制端钳制到低电位至第二开关被关断及在第一开关关断时将第二开关的控制端钳制到高电位至第二开关被接通。在第一开关接通时触发第一电压转换器启动而执行对输入电压的电压转换，在第二开关接通时触发第二电压转换器启动而执行对输入电压的电压转换，第一电压转换器的额定电压输入范围与第二电压转换器的额定电压输入范围不同。

Description

宽输入电压范围的非隔离式直流电压源

技术领域

本实用新型主要涉及到电压源技术领域，确切的说是涉及到一种宽输入电压范围的非隔离式直流电压源，提供至少两个电压转换通道的电压源系统。

背景技术

电力电子技术的快速发展使得开关变换器的应用领域越来越广，特别是近年来新能源以及电力系统等领域的大力开发，其大功率变流系统的控制器需要采用一些开关变换器作为其辅助电源，这些辅助电源又需要从变流系统的输入取电。而这些变流系统的输入电压通常很宽，比如从100V到1000V甚至3000V。如此宽的输入电压范围对辅助电源的设计带来了很多难点。难点之一就是作为辅助电源的开关变换器本身的辅助供电问题。既要保证在低压输入时辅助供电能够使得开关变换器正常启动，又要保证在高压输入时的辅助供电电路能够降低损耗，从而提高整个开关变换器的效率和可靠性。

除此之外，近年来燃料电池和光伏电池等可再生能源由于具有清洁、安全、无污染和可再生等优点，在分布式发电系统和电动汽车中得到广泛应用。在分布式发电系统中光伏电池的输出通常是变化范围宽的直流电，且随负载和环境的变化而变化，因此，需要直流变换器具有低的输入电流脉动。而在电动汽车领域中，往往需要将燃料电池或蓄电池提供的宽范围变化的直流电转换为较高电压的直流电，如380V。在宽输入电压范围的场合传统电压源变换器存在输入电流脉动大和输出整流二极管电压应力高的问题，而传统电流源变换器存在开关管电压应力高和输出电流脉动大导致电容寿命短的问题。此外，现有三电平变换器存在输入电流脉动大和输入分压电容的均压问题。因此研究新型适合宽输入的电源变换器有着重要的理论和现实意义。

在新能源以及电力系统等领域，现在光伏发电系统的输入电压范围一般为150V到更高压的1000V，作为配套的电压转换系统，传统的DC-DC电源变换器大部分是利用固定频率模式来控制输入电压比例为1:3，即电压达到120V-385V，这无法满足光伏发电系统的输入电压比例，例如约为150V-1000V的电压。由于输入电压不同导致变压器输入电流的线性变化率不同，因此主功率开关管的导通时间和关断时间也不一样，在高电压输入时功率管的导通时间很短，功率管瞬时流过的峰值电流很大，在功率管关闭时，可能发生饱和状态。结果是可能导致功率管的电流不是线性打开，效率降低和可靠性降低。本申请披露了宽输入电压范围的非隔离式直流电压源，提供至少两个电压转换通道。

实用新型内容

在本实用新型的一个可选实施例中，披露了一种较宽输入电压范围的非隔离式的直流电压源，其中主要包括：分压器，对输入电压采样一个分压值；第一开关，受所述分压值的驱动，在分压值低于阈值时被关断而在高于阈值时接通；第二开关，在第一开关接通时将第二开关的控制端电位钳制到低电位至第二开关被关断以及在第一开关关断时将第二开关的控制端电位钳制到高电位至第二开关被接通；第一电压转换器，在第一开关接通时触发第一电压转换器启动而执行对输入电压的电压转换；第二电压转换器，在第二开关接通时触发第二电压转换器启动而执行对输入电压的电压转换；第一电压转换器的额定电压输入范围与第二电压转换器的额定电压输入范围不同。

上述的宽输入电压范围的非隔离式直流电压源，其特征在于：第一电压转换器是采用反激式开关电源的电压转换器。

上述的宽输入电压范围的非隔离式直流电压源，其特征在于：第二电压转换器是采用直流到直流的DC/DC电压转换器。

上述的宽输入电压范围的非隔离式直流电压源，其特征在于：分压器包括串联在输入电压和参考电位之间的第一和第二电阻。

上述的宽输入电压范围的非隔离式直流电压源，其特征在于：第一开关的控制端耦合到采样分压值的采样节点；第一开关连接在第二开关的控制端和参考电位之间；第二开关连接在输入电压和第二电压转换器的电压输入端之间。

上述的宽输入电压范围的非隔离式直流电压源，其特征在于：第一开关的控制端和参考电位之间连接有第一稳压二极管。

上述的宽输入电压范围的非隔离式直流电压源，其特征在于：第二开关的控制端和参考电位之间连接有第二稳压二极管。

上述的宽输入电压范围的非隔离式直流电压源，其特征在于：第三电阻连接在输入电压和第二开关的控制端之间。

上述的宽输入电压范围的非隔离式直流电压源，其特征在于：第四电阻和第二开关串联连接在输入电压和第二电压转换器的电压输入端之间。

上述的宽输入电压范围的非隔离式直流电压源，其特征在于：第二电压转换器通过一个二极管为第一电压转换器带有的辅助绕组的储能电容供电。

附图说明

阅读以下详细说明并参照以下附图之后，本实用新型的特征和优势将显而易见：

图1是本申请披露的宽输入电压范围的非隔离式直流电压源的架构示意图。

图2是本申请中宽输入电压范围的非隔离式直流电压源的拓扑结构示意图。

具体实施方式

下面将结合各实施例，对本实用新型的技术方案进行清楚完整的阐述，但所描述的实施例仅是本实用新型用作叙述说明所用的实施例而非全部的实施例，本领域的技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的方案都属于本实用新型的保护范围。

参见图1，披露了一种宽输入电压范围的非隔离式直流电压源，直流电压源主要包括有两套供电通道或电压转换通道，其中一个通道的输入电压范围相对较低，而另一个通道的输入电压范围则相对较高，预示着直流电压源无论是输入电压有着较小的范围还是有着较大的范围，都能至少启动直流电压源当中的某一个通道，让直流电压源不必因为输入电压范围的大幅度波动而失去正常的电压转换功能。

参见图1，在一个可选的实施例中，直流电压源包括分压器DIV，分压器的功能是业界的技术人员所熟知的，其主要是对直流输入电压VCC采样一个分压值。直流电压源还包括有第一开关S101模块，其与分压器DIV耦合，第一开关主要是受到该分压值信号的驱动，在具体的实施例中，第一开关S101模块的开关状态受到分压值的影响：在该分压值低于预设的阈值时第一开关S101直接被关断/切断，而与之相反在分压值高于预设的阈值时该第一开关S101被接通/导通。直流电压源还包括有第二开关S102模块，必须注意的是第二开关S102模块的开关状态受到第一开关的影响：在第一开关S101接通时将第二开关S102的控制端电位钳制到低电位（如GND这样的参考电位或第一电位）从而使得第二开关模块S102被关断/切断，与之相反，在第一开关S101关断时将第二开关S102的控制端电位钳制到高电位（或第二电位）至第二开关S102被接通。注意本申请这里所谓的低电位/第一电位和高电位/第二电位实质上是相对第二开关S102的开启电压而言的，如果第二开关S102控制端电位是高于开启电压的高电位或第二电位则该开关是进入接通状态，相反如果第二开关S102控制端电位是低于开启电压的低电位或第一电位则该开关是进入关断状态。，第一开关和第二开关S101-S102有多种选择，常见的场效应晶体管或双极型晶体管、晶闸管、绝缘栅的双极型晶体管等均适合做功率开关。

参见图1，第一开关S101模块的开关状态受到分压值的影响体现在：在该分压值低于预设的阈值时第一开关S101直接被关断/切断，例如NMOS的栅极电压必须高于根据功率MOS开关的阈值电压参数才能被接通，而与之相反在分压值高于预设的阈值时该第一开关S101被接通/导通，这里阈值可以是第一开关S101的开启电压或门槛电压或开关导通电压或阈值电压等替代术语。

参见图1，在一个可选的实施例中，直流电压源还包括第一电压转换器C101和第二电压转换器C102，注意该两个电压转换器作为直流电压源的主要的电压变换通道。在可选的实施例中，启动第一个电压变换通道的机制为：第一开关S101接通时触发第一电压转换器C101启动而执行对输入电压VCC的电压转换，藉由第一电压转换器C101的电压转换功能在输出端OUT获得期望的第一电压值；相反，第一开关S101关断时触发所谓的第一电压转换器C101关闭而不执行对输入电压VCC的电压转换，相当于第一电压转换器C101失去电压转换功能而无法通过它在输出端OUT产生电压值。

参见图1，在一个可选的实施例中，直流电压源还包括第二电压转换器C102，在可选的实施例中，启动第二个电压变换通道的机制为：在第二开关S102接通时触发第二电压转换器C102启动而执行对输入电压VCC的电压转换，藉由第二电压转换器C102的电压转换功能在输出端OUT获得期望的第二电压值；相反，第二开关S102关断时触发所谓的第二电压转换器C102关闭而不执行对输入电压VCC的电压转换，相当于第二电压转换器C102失去电压转换功能而无法通过它在输出端OUT产生电压值。

参见图1，在一个可选的实施例中，第一电压转换器C101的额定电压输入范围与第二电压转换器C102的额定电压输入范围不同。

参见图1，在一个可选的实施例中，第一电压转换器C101是采用反激式FLY-BACKConverter开关电源的电压转换器。

参见图1，在一个可选的实施例中，第二电压转换器C102是采用直流到直流的DC/DC电压转换器，常见的有降压转换器或升压转换器或升降压型的转换器。

在某些电源供应场合，例如需要15V-500V 超宽输入的非隔离式DCDC电源，利用本申请带有的两套转换系统的电压源可以实现这种预期要求。而目前反激开关电源的额定电压输入范围的最低输入电压（下限）大约是50V左右，而低压段的DC-DC 电压转换器额定电压输入范围的最大输入电压（上限）大约在80V左右，并没有一种DCDC芯片或电源模块能实现超宽范围需求，本申请设计了一种低成本DC-DC切换电路，具备两套直流电压源转换系统，可实现15V-500V的超宽范围输入的DC-DC电源。

参见图2，在一个可选的实施例中，分压器DIV包括串联在输入电压VCC和参考电位例如GND之间的第一电阻R1和第二电阻R2。第一电阻R1和第二电阻R2相连在共同的一个采样节点NS或分压节点NS。

参见图2，在一个可选的实施例中，第一开关S101的控制端GATE/BASE耦合到采样分压值的采样节点NS。

参见图2，在一个可选的实施例中，第一开关S101直接连接在第二开关S102的控制端GATE/BASE和参考电位GND之间。或者说第一开关S101具有控制端和第一端及第二端，第一开关S101的控制端的驱动信号决定了它的第一端和第二端之间的导通或关断状态。在可选的实施例中，第一开关S101的第一端耦合到第二开关S102的控制端而第一开关S101的第二端耦合到参考电位GND。

参见图2，在一个可选的实施例中，第二开关S102连接在输入电压VCC和第二电压转换器C102的电压输入端IN1之间。或者说第二开关S102具有控制端和第一端及第二端，同样第二开关S102控制端的驱动信号决定了它的第一端和第二端之间的导通或关断状态。在一个可选的实施例中，第二开关S102的第一端耦合到输入电压VCC而第二开关S102的第二端耦合到第二电压转换器C102的电压输入端IN1，必须注意第二电压转换器C102的相对另一个电压输入端具有地的参考电位GND，所以没有特别标注。相同的道理，第一电压转换器C101的电压输入端IN2耦合到输入电压VCC，第一电压转换器C101的相对另一个电压输入端具有地的参考电位GND，所以没有特别标注。

参见图2，在一个可选的实施例中，第一开关S101的控制端GATE/BASE和该参考电位GND间连有第一稳压二极管D1，注意第一稳压二极管D1的阳极连到参考电位但是阴极则连到第一开关S101的控制端。

参见图2，在一个可选的实施例中，第二开关S102的控制端GATE/BASE和该参考电位GND间连有第二稳压二极管D2，注意第二稳压二极管D2的阳极连到参考电位但是阴极则连到第二开关S102的控制端。

参见图2，在一个可选的实施例中，第三电阻R3连接在或耦合在输入电压VCC和第二开关S102的控制端GATE/BASE之间。或者说，第三电阻R3连接在或耦合在输入电压VCC和第一开关S101的第一端之间。

参见图2，在一个可选的实施例中，第四电阻R4和第二开关S102串联连接在输入电压VCC和第二电压转换器C102的电压输入端之间。或者说，第四电阻R4连接在或耦合在输入电压VCC和第二开关S102的第一端之间。

参见图2，在一个可选的实施例中，由于上文提到了第一电压转换器C101是采用反激式FLY-BACK Converter开关电源的电压转换器，此时第二电压转换器C102可以通过图中的二极管DE为第一电压转换器C101带有的辅助绕组的储能电容供电。因为反激的电压转换器除了初级绕组和次级绕组之外，还有辅助绕组，该实施例中，这里的第二电压转换器C102通过二极管为第一电压转换器C101的储能电容供电，可以较高程度的利用电能和避免电力浪费，节省成本。

参见图2，在一个可选的实施例中，原理如下：当VCC电压源为15-60V的DC直流输入电压源时，电阻R2的分压值较小，也即采样节点NS处的采样电压比较小，导致第一开关的栅极控制端电位较低并且第一开关S101被关断/截止，但第二开关S102的栅极控制端的电位较高并且第二开关S102被导通，此时第二开关S102的栅极电压可以用函数式VG=VCC表示或者是栅极电压等于稳压管VD2的稳压电压，直流电压VCC通过接通的第二开关而直接输入到DC-DC电源模块也即第二电压转换器C102，反激开关电源模块（C101）此时关断或关机或休眠而无法启动工作，执行第一套电源转换系统。

参见图2，在一个可选的实施例中，原理如下：当VCC电压源为60-500V的较高压直流DC输入电压源时，电阻R2的分压值较大，也即采样节点NS处的采样电压比较大而导致第一开关的栅极控制端电位较高并且第一开关S101被接通，第二开关S102在此时的栅极电压被拉低，第一开关S101的栅极电压VG=稳压管VD1的稳压电压，低压电源转换器也即第二电压转换器C102没有输入电源停止工作，反激开关电源也即第二电压转换器C102开始工作，执行第二套电源转换系统。

参见图2，在一个可选的实施例中，器件选型说明：稳压管VZ1也即D2，作用主要是用来稳定该第二开关S102的栅极电压VG，限制该低压段DC-DC模块也即第二电压转换器C102的输入电压，保护低压段DC-DC模块。稳压管VZ1也即D2作用还在于降低上文第一开关S101功率管在VDS漏-源电压参数上的选型要求，从而降低成本，因为稳压管可以适当的调节或限制第一开关的第一端和第二端之间的电压，可以避免第一开关的高耐压要求。另外第二电压转换器C102也即低压段DC-DC模块除了可以直接向输出端节点OUT输出电压外，可以通过一个二极管DE向输出端节点OUT输出电压，也即该二极管是可选的，二极管DE的阳极应该耦合到第二电压转换器C102的电压输出端而阴极耦合到输出端节点OUT。此外，还可以利用第二电压转换器C102给反激开关电源也即第一电压转换器C101的辅助绕组供电，因为反激开关电源除了具备初级绕组和次级绕组之外，还具备辅助绕组，辅助绕组一般带有储能电容，用第二电压转换器C102给反激开关电源供电相当于给辅助绕组的储能电容充电，这样可以较高程度提高电源整体输出能力，此时二极管DE的阴极还耦合到储能电容的一端来实现电容充电。反激开关电源的辅助绕组有时候充当冗余电源使用，给控制芯片供电，这里的控制芯片可以用来产生脉冲宽度调制信号来驱动两套电源转换系统各自的主开关管。

以上通过说明和附图，给出了具体实施方式的特定结构的典型实施例，上述实用新型提出了现有的较佳实施例，但这些内容并不作为局限。对于本领域的技术人员而言，阅读上述说明后，各种变化和修正无疑将显而易见。因此，所附的权利要求书应看作是涵盖本实用新型的真实意图和范围的全部变化和修正。在本申请权利要求书范围内任何和所有等价的范围与内容，都应认为仍属本实用新型的意图和范围内。

Claims (10)

1.一种宽输入电压范围的非隔离式直流电压源，其特征在于，包括：

分压器，对输入电压采样一个分压值；

第一开关，受所述分压值的驱动，在分压值低于阈值时被关断而在高于阈值时接通；

第二开关，在第一开关接通时将第二开关的控制端电位钳制到低电位至第二开关被关断以及在第一开关关断时将第二开关的控制端电位钳制到高电位至第二开关被接通；

第一电压转换器，在第一开关接通时触发第一电压转换器启动而执行对输入电压的电压转换；

第二电压转换器，在第二开关接通时触发第二电压转换器启动而执行对输入电压的电压转换；

第一电压转换器的额定电压输入范围与第二电压转换器的额定电压输入范围不同。

2.根据权利要求1所述的宽输入电压范围的非隔离式直流电压源，其特征在于：

第一电压转换器是采用反激开关电源的电压转换器。

3.根据权利要求1所述的宽输入电压范围的非隔离式直流电压源，其特征在于：

第二电压转换器是采用直流到直流的DC/DC电压转换器。

4.根据权利要求1所述的宽输入电压范围的非隔离式直流电压源，其特征在于：

分压器包括串联在输入电压和参考电位之间的第一和第二电阻。

5.根据权利要求1所述的宽输入电压范围的非隔离式直流电压源，其特征在于：

第一开关的控制端耦合到采样分压值的采样节点；

第一开关连接在第二开关的控制端和参考电位之间；

第二开关连接在输入电压和第二电压转换器的电压输入端之间。

6.根据权利要求5所述的宽输入电压范围的非隔离式直流电压源，其特征在于：

第一开关的控制端和参考电位之间连接有第一稳压二极管。

7.根据权利要求5所述的宽输入电压范围的非隔离式直流电压源，其特征在于：

第二开关的控制端和参考电位之间连接有第二稳压二极管。

8.根据权利要求5所述的宽输入电压范围的非隔离式直流电压源，其特征在于：

第三电阻连接在输入电压和第二开关的控制端之间。

9.根据权利要求5所述的宽输入电压范围的非隔离式直流电压源，其特征在于：

第四电阻和第二开关串联连接在输入电压和第二电压转换器的电压输入端之间。

10.根据权利要求5所述的宽输入电压范围的非隔离式直流电压源，其特征在于：

第二电压转换器通过一个二极管为第一电压转换器带有的辅助绕组的储能电容供电。