CN2096775U - 采用mosfet的高效大功率开关电源 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于一种采用MOSFET作为功率 开关元件的大功率PWM型直流开关稳压电源。由 电网噪声滤波器、工频整流滤波、功率变换器、高频整 流滤波、PWM控制器、过流过压保护、风冷系统、控 制电源、软启动、输出整定、检测网络等单元组成。当 输出电压大于或小于整定值变化时，误差信号经 PWM控制器转变为宽度减小或增大变化的脉冲。 该脉宽可变的控制信号经功率变换器后输出幅度随 之减小或增大的直流电压。由此形成一个闭环负反 馈调节系统，实现稳压功能。本装置系统效率高达 85％以上，装置体积小，功率密度大。

Description

本发明是一种采用MOSFET作为功率开关元件的大功率PWM型开关电源。

工农业生产、国防建设、国民经济各部门及人民生活各领域都广泛应用各种类型的电子装备和设备，凡是用电子设备的地方几乎都需要直流稳压电源。尤其在电站、冶金、矿山等各类工业控制系统、电子计算机、通讯设备中得到大量应用。目前，稳压电源大致有以下几种类型：

第一种，晶体管串联线性调整型稳压电源，由于其电路简单，使用元器件少，工作可靠，技术性能优良，成为直流稳压电源的中心。但根本弱点是功率晶体管串联在负载回路里，而且工作在线性区域，输出电压的调节与稳定借助于功率晶体管上的电压降落的调整来实现，对于输出低电压大电流的场合，效率非常低，仅有25％左右。由于功率晶体管的发热和散热问题，导致电源体积较大。随着半导体技术的进步，电子设备从分立元件进入集成电路时代，体积日益减小，装机密度不断提高，规模容量逐渐增大，常规电源由于单台容量小，必须多台使用，可靠性随之下降，占机体积大，已不能适应技术发展需要。

第二种，串联型开关稳压电源。由于功率开关元件工作在开关状态，损耗小，效率高，体积重量较之常规电源有所改善。串联开关调整型电源由于功率晶体管仍串联在负载回路里，并仍使用工频变压器，从而限制了输出电流的增加和体积重量的根本缩减，效率仍不高，一般40％～50％左右。

第三种，脉宽调制（PWM）型稳压电源，也称为“无电源变压器开关稳压电源”。这种新颖电源具有体积小，重量轻，效率高（达70％～80％），可靠性高，输出保持时间长，便于实现计算机信息保护等与集成电路型电子设备要求相适应的优点。已成为当今稳压电源的主流。

我国于70年代末开始PWM型电源的研制，由于元器件性能较差，始终停留在小功率、分立元件电路阶段，未能实用化。直到近年，单片开关电源集成控制器、高电压大功率晶体开关管和大功率肖特基势垒二极管相继问世，才使大功率PWM型电源开始走向实用化。

本发明的目的是设计一种高效率、高功率密度的大功率开关电源，具有高电压稳定度、负载稳定度及完善的保护功能。

本发明是一种采用MOSFET作为功率开关，全桥电路作为功率变换器、PWM型大功率开关电源。由以下部分组成：电网噪声滤波器、工频整流滤波、功率变换器、高频整流滤波、输出整定、PWM控制器、过流过压保护、风冷系统、控制电源、检测网络、输出整定、软启动单元（见图1）。

系统连接方式是：输入220V工频交流电压经电网噪声滤波器后分别接至工频整流滤波、控制电源及风冷系统。工频整流滤波单元输出约300V直流高压加至功率变换器。功率变换的输出经高频整流滤波后，直接输出直流稳定电压。检测网络接受输出电压V6及功率变换器来的信号，处理后送至保护单元及PWM控制器。保护单元输出送至PWM控制器。软启动线路与工频整流滤波及PWM控制器连接。输出整定及控制电源均与PWM控制器连接。

本发明原理如下：

电网噪声滤波器去除外界进入的干扰及噪声，同时也防止开关电源的高频干扰回馈入电网，影响其它设备。

图2为工频整流滤波电路。输出300V直流高压至功率变换器。由于工频滤波电容C1的存在，当输入交流电压接通时会产生很大的合闸浪涌电流，即电容充电电流。随合闸瞬间交流电压相位及输入滤波回路内阻的不同，浪涌电流可能达几百安。为避免由此引起的电源内部元器件受损及对外界的干扰，本电源在主回路中串入限流电阻R1来抑制浪涌电流。为减小系统稳态工作后电阻R1上的功率损耗，在电容C1充满电后，用晶闸管S1短接在电阻R1两端。S1的栅控信号来自主变压器T1的专用绕组。合闸时PWM芯片IC1的软启动电容C19充电，延缓了主变压器T1起振时间，待T1起振后，副边发出栅控信号将晶闸管S1导通，从而短接电阻R1，完成输入电压软启动。

输出电压软启动类似于输入电压软启动。由于大功率稳压电源，尤其是低压大电流输出的电源，其输出滤波电容容量很大，输出电压如突然建立，必然造成非常大的电容充电电流。对输出整流管及高压开关管都会造成巨大冲击，以致于损坏。本发明在IC1的8脚对地加了C19电容，使PWM芯片输出的控制脉冲宽度从零逐渐加大，从而使输出电压缓慢建立。

国内生产的大功率稳压电源，绝大多数采用大功率晶体管作为功率变换元件。由于晶体管是电流控制型元件，难以适应高频、大功率的要求。近年来，电压控制型的功率场控器件因其工作频率高、开关速度快、控制效率高等优点而迅速崛起。本发明采用MOSFET作为功率开关元件，对于提高电源的性能起了关键作用。功率变换器由4只MOSFET接成全桥电路（见图3）。将直流300V高压逆变成25～50KHz的高频高压交变脉冲波，经过变压器T1转换为高频低压交变脉冲波。通过D13、D14整流管全波整流，L电感与C5电容组成LC滤波器，把高频脉动波滤为直流波输出。为保护MOSFET，在源漏极间要并联箝位二极管D5～D8，以便把高频变压器T1漏感的储能，回馈输入电源。同时MOSFET漏极应串联二极管D9～D12，以阻止反向电流流入MOSFET，造成破坏。D13与D14整流管应采用肖特基二极管或超快恢复二极管，以降低功率损耗及减小整流管反向时的瞬时短路造成对功率开关管的冲击电流。

PWM控制器采用3525集成开关控制器，接法如下：输出电压Vo反馈端通过R14、R20、R22网络接PWM片反相输入端1脚。输出电压整定电位器W1通过R21、R15、R23、C13网络接PWM片参考电源16脚与同相输入端2脚。控制电源Vc接至15脚。PWM芯片输出脉宽可调的交变脉冲波。输出端11、14脚接驱动变压器T2，T2副绕组可直接驱动MOSFET。保护单元输出信号Vp接10脚。5脚、6脚通过R16、C16接地，供调节振荡源频率用。5、7脚之间接R17，用于调整脉冲波死区大小。电路见图4。

过流保护电路见图5。主变压器T1原边的电流经互感器T3变换为电压信号，经D22、D23、C23整流滤波后与稳压管D21的电压值比较。电位器W3用来整定过流保护阈值，输出信号经隔离二极管D20直接加至PWM芯片10脚。当负载或变压器T1原边或高压开关管M1～M4发生过流故障时，Vp值超过0.7V后，PWM芯片会立即调整输出脉冲宽度，使脉宽减少，达到限流保护目的。如短路事故发生，Vp立即输出大电压，PWM芯片会在200ns.内迅速关闭，输出电压降为0，实现短路保护。

过压保护电路见图6。输出电压Vo经过压保护整定电位器W2调整后，与MOS管J2的开启电压比较。达到开启电压后，J2导通。J1晶体管截止并输出高电平信号，经过隔离二极管D18，送至PWM芯片关闭脉冲源，使系统输出电压降为0。过压保护阈值由用户调整W2来任意整定。

负载变化时，输出电压Vo随着变化，当其大于或小于整定值时，误差信号经PWM芯片转变为脉冲宽度减小或增大的变化；该脉宽可变的控制信号经功率开关M1～M4转变为脉宽减小或增大变化的高压大功率交变脉冲波；经高频变压器T1转变为脉宽减小或增大变化的低压大功率交变脉冲波；整流滤波后输出的直流电压幅度将减小或增大。由此形成一个闭环负反馈调节系统，实现稳压功能。调整闭环放大倍数，即可实现预定的电压稳定度及负载稳定度。

本发明优点如下：

1.采用新型元器件。电力电子技术的发展趋势是功率场控器件逐步取代双极型器件。MOSFET由于开关速度快、控制效率高、易于并联实现大功率等特点，明显优于大功率晶体管。高频变压器铁芯也是一关键元件，本发明采用了非晶态磁芯，比传统的铁氧体磁芯体积小、效率高、饱和磁密高、高频损耗小，性能优越得多。

2.高性能电路设计，完善的保护功能。

3.由于以上措施，系统效率高达85％以上，节能效果显著。

4.由于省去笨重的工频变压器，电源的体积小、重量轻、功率密度高。本发明功率密度达83瓦／立方分米，电压稳定度≤5‰，负载稳定度≤8‰，效率≥85％。需扩展功率时，可用MOSFET并联运行，系统功率可做到1～2KW以上。

Claims (3)

1、一种采用MOSFET作为功率开关的大功率开关电源，系统由电网噪声滤波器、工频整流滤波、功率变换器、高频整流滤波、PWM控制器、过流过压保护、风冷系统、控制电源、软启动、输出整定、检测网络组成，其特征在于：功率变换器由功率开关元件MOSFET与高频变压器构成逆变电路，将直流电压逆变成脉宽可调的交变脉冲，高频变压器变换此脉冲波的幅度，经整流滤波输出直流电压，输出直流电压经检测网络负反馈加至PWM控制器芯片的反相输入端，与加在同相输入端的整定电压进行比较，误差信号由PWM芯片变换为脉宽变化的控制信号，经功率变换器转变为脉宽可变的大功率交变脉冲电压，整流滤波后变为幅度变化的输出直流电压，形成闭环负反馈调节系统。

2、根据权利要求1所述大功率开关电源，其特征在于功率开关元件采用MOSFET。

3、根据权利要求1所述大功率开关电源，其特征在于PWM控制器采用集成开关控制器。

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