CN217335420U - 均压电路及开关电源 - Google Patents

均压电路及开关电源 Download PDF

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宋波
李金洁
张逾良
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Abstract

本实用新型提供了一种均压电路及开关电源，均压电路包括：第一绕组的输入端连接上路电解电容模块的高压正电源输入端，第一绕组的输出端串联第一均压模块后连接上路电解电容模块的高压负电源输入端；第二绕组的输入端连接下路电解电容模块的低压正电源输入端，第二绕组的输出端串联第二均压模块后连接下路电解电容模块的低压负电源输入端；第三绕组的输入端连接下路电解电容模块的低压正电源输出端；第四绕组的输入端连接上路电解电容模块的高压正电源输出端，第四绕组的输出端连接上路电解电容模块的高压负电源输出端，从而通过调节第一均压模块和第二均压模块实现上路电解电容模块和下路电解电容模块中电容的电压的均压。

Description

均压电路及开关电源
技术领域
本实用新型属于开关电源均压处理技术领域，尤其涉及一种均压电路及开关电源。
背景技术
随着新能源电力电子技术的不断发展，市场需求愈演愈烈，一些大功率、宽范围输入输出的开关电源出现，这些开关电源采用三电平或主功率变压器输出绕组的串并联切换方式实现大功率、宽范围的输出电压。
目前，当采用三电平或主功率变压器输出绕组输出高压时，也就是变压器输出绕组串联输出时，上下两路电解电容串联，此时上下两路电解电容上电压容易出现偏压情况，严重时电解电容出现爆裂，或主功率变压器初级侧MOS管出现爆裂，危及整个开关电源。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型实施例提供了一种均压电路及开关电源，以解决现有技术中出现的具有上下路电解电容串联使用的三电平拓扑电路的偏压问题。
本实用新型实施例第一方面提供了一种均压电路，包括：开关电源的三电平拓扑电路输出端或变压器输出绕组连接上路电解电容模块和下路电解电容模块，所述均压电路包括：耦合电感、第一均压模块和第二均压模块；所述耦合电感的初级端包括第一绕组和第二绕组，所述耦合电感的次级端包括第三绕组和第四绕组；
所述第一绕组的输入端连接所述上路电解电容模块的高压正电源输入端，所述第一绕组的输出端串联所述第一均压模块后连接所述上路电解电容模块的高压负电源输入端；
所述第二绕组的输入端连接所述下路电解电容模块的低压正电源输入端，所述第二绕组的输出端串联所述第二均压模块后连接所述下路电解电容模块的低压负电源输入端；
所述第三绕组的输入端连接所述下路电解电容模块的低压正电源输出端，所述第三绕组的输出端接地；
所述第四绕组的输入端连接所述上路电解电容模块的高压正电源输出端，所述第四绕组的输出端连接所述上路电解电容模块的高压负电源输出端。
在一种可能的实现方式中，所述第一均压模块包括第一开关管，所述第一开关管的漏极分别连接所述第一绕组的输出端和二极管D1的阴极，所述第一开关管的源极分别连接所述上路电解电容模块的高压负电源输入端和所述二极管D1的阳极，所述第一开关管的栅极用于输入第一驱动信号；
所述第二均压模块包括第二开关管，所述第二开关管的漏极分别连接所述第二绕组的输出端和二极管D2的阴极，所述第二开关管的源极分别连接所述下路电解电容模块的低压负电源输入端和所述二极管D2的阳极，所述第二开关管的栅极用于输入第二驱动信号；
所述第一驱动信号和所述第二驱动信号为同频同相位同占空比的信号。
在一种可能的实现方式中，所述第一均压模块还包括电阻RH1，所述电阻RH1的一端连接所述第一开关管的源极，另一端连接所述高压负电源输入端；
所述第二均压模块还包括电阻RL1，所述电阻RL1的一端连接所述第二开关管的源极，另一端连接所述低压负电源输入端后接地。
在一种可能的实现方式中，还包括：二极管D3；
所述二极管D3的阳极连接所述第三绕组的输入端，所述二级管D3的阴极连接所述下路电解电容模块的低压正电源输出端。
在一种可能的实现方式中，还包括：二极管D4；
所述二极管D4的阳极连接所述第四绕组的输入端，所述二级管D4的阴极连接所述上路电解电容模块的高压正电源输出端。
在一种可能的实现方式中，所述上路电解电容模块包括至少一个电解电容C1和电阻RH2；
所述至少一个电解电容C1的一端和所述电阻RH2的一端分别连接在所述高压正电源输入端和所述高压正电源输出端之间，所述至少一个电解电容C1的另一端和所述电阻RH2的另一端分别连接在所述高压负电源输入端和所述高压负电源输出端之间。
在一种可能的实现方式中，所述下路电解电容模块包括至少一个电解电容C2和电阻RL2；
所述至少一个电解电容C2的一端和所述电阻RL2的一端分别连接在所述低压正电源输入端和所述低压正电源输出端之间，所述至少一个电解电容C2的另一端和所述电阻RL2的另一端分别连接在所述低压负电源输入端和所述低压负电源输出端之间。
在一种可能的实现方式中，在所述上路电解电容模块和所述下路电解电容模块的输出端还包括：相互耦合的电感L1和电感L2，电容C0和电阻R0；
所述电感L1的一端连接所述高压正电源输出端，所述电感L1的另一端分别连接所述电容C0的一端和所述电阻R0的一端；
所述电感L2的一端分别连接所述低压负电压输出端和所述第三绕组的输出端后接地。
在一种可能的实现方式中，在所述上路电解电容模块和所述下路电解电容模块的输出端还包括：开关；
所述开关的固定端连接所述高压正电源输出端，所述开关的活动端连接所述低压正电源输出端。
本实用新型实施例第二方面提供了一种开关电源，包括上述任一种可能的实施方式种提供的均压电路。
本实用新型实施例与现有技术相比存在的有益效果是：本实用新型实施例，通过耦合电感、第一均压模块和第二均压模块构成均压电路，连接到上路电解电容模块和下路电解电容模块上，调节第一均压模块和第二均压模块，实现耦合电感的第一绕组和第二绕组的能量输入基本相同，第三绕组和第四绕组的能量输出基本相同，从而实现上路电解电容模块和下路电解电容模块中电容的电压的均压。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本实用新型实施例提供的均压电路的结构示意图；
图2是本实用新型实施例提供的开关电源的三电平拓扑电路输出端或变压器输出绕组示意图；
图3是本实用新型另一实施例提供的均压电路的结构示意图。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本实用新型实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本实用新型。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本实用新型的描述。
为了说明本实用新型所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
实施例一
如图1所示为本实用新型提供的一种均压电路，其中，均压电路连接到开关电源的主电路上，主电路为开关电源的三电平拓扑电路输出端或变压器输出绕组上连接的上路电解电容模块和下路电解电容模块，均压电路对上路电解电容模块和下路电解电容模块串联时产生的偏压进行矫正。
参见图2，开关电源的三电平拓扑电路输出端或变压器输出绕组示意图，其中，上路电解电容模块21包括至少一个电解电容C1和电阻RH2，还包括高压正电源输入端、高压正电源输出端、高压负电源输入端和高压负电源输出端；
至少一个电解电容C1的一端和电阻RH2的一端分别连接在高压正电源输入端和高压正电源输出端之间，至少一个电解电容C1的另一端和电阻RH2的另一端分别连接在高压负电源输入端和高压负电源输出端之间。即至少一个电解电容C1和电阻RH2并联在高压正负电源之间。
图2中设置的电解电容C1为四个，可以根据需求设置电解电容的数量。
参见图2，下路电解电容模块22包括至少一个电解电容C2和电阻RL2，还包括低压正电源输入端、低压正电源输出端、低压负电源输入端和低压负电源输出端；
至少一个电解电容C2的一端和电阻RL2的一端分别连接在低压正电源输入端和低压正电源输出端之间，至少一个电解电容C2的另一端和电阻RL2的另一端分别连接在低压负电源输入端和低压负电源输出端之间。即至少一个电解电容C2和电阻RL2并联在低压正负电源之间。
图2中设置的电解电容C2为四个，可以根据需求设置电解电容的数量。
参见图2，在开关电源的三电平拓扑电路输出端或变压器输出绕组还包括：相互耦合的电感L1和电感L2，电容C0和电阻R0；
电感L1的一端连接高压正电源输出端，电感L1的另一端分别连接电容C0的一端和电阻R0的一端；
电感L2的一端分别连接低压负电压输出端和第三绕组的输出端后接地。
另外，在高压正电源输出端和低压正电源输出端之间还包括开关；具体的，参见图2，开关的固定端+BH连接高压正电源输出端，即电阻RL2与高压正电源线连接点以及高压正电源输出端之间；开关的活动端+BL连接低压正电源输出端，即电阻RL2与低压正电源线连接点以及低压正电源输出端之间。
电容C0和电阻R0并联连接位置为开关电源的输出端，可以采用Vout表示，当Vout为高压时，即变压器输出绕组串联输出，此时高压正电源输出端+OVH与-OVL断开，-OVH与+OVL连接到一起，开关断开，即+BH与+BL断开，此时上路电解电容模块和下两路电解电容模块串联即CD1…CD7与CD2…CD8串联，则此时上路电解电容模块和下两路电解电容模块的电容上的电压会出现偏压，通过均压电路来调节这种偏压现象，使上路电解电容模块和下两路电解电容模块的电容上的电压进本相同。
参见图1，均压电路可以包括：耦合电感T、第一均压模块11和第二均压模块12；耦合电感T为一个变压器，做成反激电源的模式，不同的是它是开环的，其初级端包括第一绕组NS1和第二绕组NS2，耦合电感的次级端包括第三绕组NS3和第四绕组NS4，第一绕组NS1和第二绕组NS2双线并绕，第三绕组NS3和第四绕组NS4双线并绕。
第一绕组NS1的输入端连接上路电解电容模块21的高压正电源+OVH输入端，第一绕组NS1的输出端串联第一均压模块11后连接上路电解电容模块21的高压负电源-OVH输入端；
第二绕组NS2的输入端连接下路电解电容模块22的低压正电源+OVL输入端，第二绕组的输出端串联第二均压模块后连接下路电解电容模块22的低压负电源输入端-OVL；
第三绕组NS3的输入端连接下路电解电容模块22的低压正电源+OVL输出端，第三绕组NS3的输出端接地；
第四绕组4的输入端连接上路电解电容模块21的高压正电源+OVH输出端，第四绕组NS4的输出端连接上路电解电容模块21的高压负电源-OVH输出端。
NS1、NS2、NS3、NS4绕组绕制在同一个磁环或磁芯上，NS1、NS2两绕组对于上路电解电容和下路路电解电容连接顺序不分先后，NS3、NS4两绕组对于上路电解电容和下路路电解电容连接顺序不分先后。
通过调节第一均压模块11和第二均压模块12控制耦合电感T能量的输入与输出，从而实现主电路串联工作时均压电路耦合电感T的第一绕组和第二绕组输入能量基本相同，第三绕组和第四绕组输出能量也基本相同，实现上路电解电容模块21和下路电解电容模块22上的电容的均压，实现稳态工作。
参见图3，第一均压模块11包括第一开关管Q1，第一开关管Q1的漏极分别连接第一绕组NS1的输出端和二极管D1的阴极，第一开关管Q1的源极分别连接上路电解电容模块21的高压负电源输入端和二极管D1的阳极，第一开关管Q1的栅极用于输入第一驱动信号；
第一开关管Q1的源极和漏极之间并联二极管D1，二极管D1可以保护开关管被击穿，实现续流的作用。
第一驱动信号可以根据需求调节占空比，第一驱动信号的发生端可以采用PWM控制IC，比如TI等的UCC28xx系列，或者CPU发出固定占空比即可。
第二均压模块12包括第二开关管Q2，第二开关管Q2的漏极分别连接第二绕组NS2的输出端和二极管D2的阴极，第二开关管Q2的源极分别连接下路电解电容模块22的低压负电源输入端和二极管D2的阳极，第二开关管Q2的栅极用于输入第二驱动信号；
第二开关管Q2的源极和漏极之间并联二极管D2，二极管D2可以保护开关管被击穿，实现续流的作用。
第二驱动信号可以根据需求调节占空比，第二驱动信号的发生端可以采用PWM控制IC，比如TI等的UCC28xx系列，或者CPU发出固定占空比即可。
需要说明的是，第一驱动信号和第二驱动信号为同频同相位同占空比的信号，通过调整PWM占空比大小、耦合电感初级端绕组的电感量和匝比来控制耦合电感的能量的输入与输出，从而实现控制耦合电感的能量的输入基本相同，输出基本相同，实现上路电解电容模块21和下路电解电容模块22上的电容的均压，实现稳态工作。可选的，可以根据
Figure BDA0003488489780000081
控制耦合电感的能量的输入，其中，Iin表示耦合电感的输入电流，Vbus表示电源电压，Δt表示占空比中控制的充电时间，Lm表示输入电流与耦合电感的初级电感量的比值。
可选的，参见图3，第一均压模块11还包括电阻RH1，电阻RH1的一端连接第一开关管Q1的源极，另一端连接高压负电源输入端；
第二均压模块12还包括电阻RL1，电阻RL1的一端连接第二开关管Q2的源极，另一端连接低压负电源输入端后接地。
电阻RH1和电阻RL1用于电流采样，可以在主电路中上路电解电容模块和下路电解电容模块的输出电流突变大时，限制对应电路中的开关管的PWM占空比输出，保护整个均压电路。
参见图3所示，还包括：二极管D3和二极管D4；
二极管D3的阳极连接第三绕组NS3的输入端，二级管D3的阴极连接下路电解电容模块22的低压正电源输出端。
二极管D4的阳极连接第四绕组NS4的输入端，二级管D4的阴极连接上路电解电容模块21的高压正电源输出端。
二极管D3和二极管D4用于整流，但其实现的是开环整流。
参见图3，实现均压方案的原理为：上路电解电容之间的电压+UH偏高，下路电解电容之间的电压+UL偏低，此时耦合电感T的能量输入主要由上路电解电容模块输入，也即耦合电感的能量主要由NS1绕组供给，NS2绕组电位偏低被钳位输入。钳位是指将某点的电位限制在规定电位的措施，此处用于将周期性变化的波形的底部保持在一个确定的直流点评上。此时耦合电感T的能量输出主要由输出绕组NS3输出到下路电解电容，输出绕组NS4由于上路电解电容的电压偏高被钳位输出，这样电压偏高的一路，通过耦合电感T输入绕组多输入能量，降低电压，电压偏低的一路，通过耦合电感T输出绕组多输出能量，提升电压，即可实现上下甚至多路多电平均压。
反之，若上路电解电容的电压+UH偏低，下路电解电容的电压+UL偏高，则耦合电感的能量主要由NS2绕组供给，NS1绕组电位偏低被钳位输入，耦合电感T的能量输出主要由输出绕组NS4输出到上路电解电容，输出绕组NS3由于下路电解电容的电压偏高被钳位输出，通过PWM的几个开关周期即可实现均压。
上述均压电路，设置耦合电感，通过耦合电感的初级端的第一绕组的输入端连接所述上路电解电容模块的高压正电源输入端，所述第一绕组的输出端串联所述第一均压模块后连接所述上路电解电容模块的高压负电源输入端；所述第二绕组的输入端连接所述下路电解电容模块的低压正电源输入端，所述第二绕组的输出端串联所述第二均压模块后连接所述下路电解电容模块的低压负电源输入端；所述第三绕组的输入端连接所述下路电解电容模块的低压正电源输出端，所述第三绕组的输出端接地；所述第四绕组的输入端连接所述上路电解电容模块的高压正电源输出端，所述第四绕组的输出端连接所述上路电解电容模块的高压负电源输出端。通过调节第一均压模块和第二均压模块，实现耦合电感的第一绕组和第二绕组的能量输入基本相同，第三绕组和第四绕组的能量输出基本相同，从而实现上路电解电容模块和下路电解电容模块中电容的电压的均压，稳定性高，且本实用新型中的均压电路设计简单，成本低。
本实用新型还提供一种开关电源，包括上述任一实施例中提供的均压电路，且具有上述均压电路带来的有益效果。
以上所述实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种均压电路，其特征在于，开关电源的三电平拓扑电路输出端或变压器输出绕组连接上路电解电容模块和下路电解电容模块，所述均压电路包括：耦合电感、第一均压模块和第二均压模块；所述耦合电感的初级端包括第一绕组和第二绕组，所述耦合电感的次级端包括第三绕组和第四绕组；
所述第一绕组的输入端连接所述上路电解电容模块的高压正电源输入端，所述第一绕组的输出端串联所述第一均压模块后连接所述上路电解电容模块的高压负电源输入端；
所述第二绕组的输入端连接所述下路电解电容模块的低压正电源输入端，所述第二绕组的输出端串联所述第二均压模块后连接所述下路电解电容模块的低压负电源输入端；
所述第三绕组的输入端连接所述下路电解电容模块的低压正电源输出端，所述第三绕组的输出端接地；
所述第四绕组的输入端连接所述上路电解电容模块的高压正电源输出端，所述第四绕组的输出端连接所述上路电解电容模块的高压负电源输出端。
2.如权利要求1所述的均压电路，其特征在于，所述第一均压模块包括第一开关管，所述第一开关管的漏极分别连接所述第一绕组的输出端和二极管D1的阴极，所述第一开关管的源极分别连接所述上路电解电容模块的高压负电源输入端和所述二极管D1的阳极，所述第一开关管的栅极用于输入第一驱动信号；
所述第二均压模块包括第二开关管，所述第二开关管的漏极分别连接所述第二绕组的输出端和二极管D2的阴极，所述第二开关管的源极分别连接所述下路电解电容模块的低压负电源输入端和所述二极管D2的阳极，所述第二开关管的栅极用于输入第二驱动信号；
所述第一驱动信号和所述第二驱动信号为同频同相位同占空比的信号。
3.如权利要求2所述的均压电路，其特征在于，所述第一均压模块还包括电阻RH1，所述电阻RH1的一端连接所述第一开关管的源极，另一端连接所述高压负电源输入端；
所述第二均压模块还包括电阻RL1，所述电阻RL1的一端连接所述第二开关管的源极，另一端连接所述低压负电源输入端后接地。
4.如权利要求2所述的均压电路，其特征在于，还包括：二极管D3；
所述二极管D3的阳极连接所述第三绕组的输入端，所述二极管D3的阴极连接所述下路电解电容模块的低压正电源输出端。
5.如权利要求2所述的均压电路，其特征在于，还包括：二极管D4；
所述二极管D4的阳极连接所述第四绕组的输入端，所述二极管D4的阴极连接所述上路电解电容模块的高压正电源输出端。
6.如权利要求1-5中任一项所述的均压电路，其特征在于，所述上路电解电容模块包括至少一个电解电容C1和电阻RH2；
所述至少一个电解电容C1的一端和所述电阻RH2的一端分别连接在所述高压正电源输入端和所述高压正电源输出端之间，所述至少一个电解电容C1的另一端和所述电阻RH2的另一端分别连接在所述高压负电源输入端和所述高压负电源输出端之间。
7.如权利要求1-5中任一项所述的均压电路，其特征在于，所述下路电解电容模块包括至少一个电解电容C2和电阻RL2；
所述至少一个电解电容C2的一端和所述电阻RL2的一端分别连接在所述低压正电源输入端和所述低压正电源输出端之间，所述至少一个电解电容C2的另一端和所述电阻RL2的另一端分别连接在所述低压负电源输入端和所述低压负电源输出端之间。
8.如权利要求1-5中任一项所述的均压电路，其特征在于，在所述上路电解电容模块和所述下路电解电容模块的输出端还包括：相互耦合的电感L1和电感L2，电容C0和电阻R0；
所述电感L1的一端连接所述高压正电源输出端，所述电感L1的另一端分别连接所述电容C0的一端和所述电阻R0的一端；
所述电感L2的一端分别连接所述低压负电压输出端和所述第三绕组的输出端后接地。
9.如权利要求1-5中任一项所述的均压电路，其特征在于，在所述上路电解电容模块和所述下路电解电容模块的输出端还包括：开关；
所述开关的固定端连接所述高压正电源输出端，所述开关的活动端连接所述低压正电源输出端。
10.一种开关电源，其特征在于，包括上述权利要求1-9中任一项所述的均压电路。
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