CN220254349U - 一种高频开关电源及燃料电池发电系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高频开关电源及燃料电池发电系统，所述高频开关电源的移相全桥电路分别与变压器、驱动模块、辅助网络、母线连接，变压器、控制芯片分别与逆变电路连接；辅助网络包括辅助网络回路信号采集模块、逻辑电路、辅助电感、隔离驱动变压器、以及分别与辅助电感连接的第一谐振辅助开关、第一辅助电容、第二谐振辅助开关、第二辅助电容；逻辑电路与隔离驱动变压器的原边绕组连接，第一谐振辅助开关连接隔离驱动变压器的第一副边绕组，第二谐振辅助开关连接隔离驱动变压器的第二副边绕组。本实用新型实施例通过电路结构的改进，实现了在任何负载工况下，只要辅助电感的储能量达标，就可以使谐振辅助开关断开。

Description

一种高频开关电源及燃料电池发电系统

技术领域

本实用新型涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种高频开关电源及燃料电池发电系统。

背景技术

随着科技发展进步，电子电力设备在各行各业的作用越来越重要，而电子设备正常运行往往需要一个长期稳定可靠的高频开关电源来将外界的电能转换成符合电子设备用电要求的电能，例如在燃料电池发电系统内部，电机作为用电器，其电能来源于母线，电机用电通常为交流电(例如AC-230V)，而母线为直流电(例如DC-400～800V)，且一般情况下两者的电压也不同，因此需要通过高频开关电源将电能从母线的较高电压的直流电转成较低电压的交流电。对于高频开关电源期望要求具备高输入电压、低输入端纹波电流、高电能转换效率以及高电流采集精度。然而，目前市面上传统的高频开关电源大多基于常规移相全桥电路结构，变压器原边占空比丢失的优化方面与滞后臂实现软开关方面存在相互矛盾，无法进一步提高电能转换效率。

实用新型内容

本实用新型提供一种高频开关电源及燃料电池发电系统，以解决现有的高频开关电源变压器原边占空比丢失的优化方面与滞后臂实现软开关方面存在相互矛盾的问题，本实用新型通过电路结构的改进，实现了在任何负载工况下，只要辅助电感的储能量达标，就可以使谐振辅助开关断开。

为了实现上述目的，本实用新型实施例提供了一种高频开关电源，包括：移相全桥电路、变压器、逆变电路、控制芯片、驱动模块和辅助网络；

所述移相全桥电路分别与所述变压器、所述驱动模块、所述辅助网络、母线连接，所述变压器、所述控制芯片分别与所述逆变电路连接，所述驱动模块分别与所述控制芯片、所述辅助网络连接；

所述辅助网络包括辅助网络回路信号采集模块、逻辑电路、辅助电感、隔离驱动变压器、以及分别与所述辅助电感连接的第一谐振辅助开关、第一辅助电容、第二谐振辅助开关、第二辅助电容；其中，所述信号采集模块的输入端与所述辅助电感连接，所述信号采集模块的输出端分别与所述驱动模块、所述逻辑电路连接，所述逻辑电路与所述隔离驱动变压器的原边绕组连接，所述第一谐振辅助开关连接所述隔离驱动变压器的第一副边绕组，所述第二谐振辅助开关连接所述隔离驱动变压器的第二副边绕组。

作为上述方案的改进，所述移相全桥电路包括：

第一开关管、与所述第一开关管连接的第一谐振电容和第一二极管；

第二开关管、与所述第二开关管连接的第二谐振电容和第二二极管；

第三开关管、与所述第三开关管连接的第三谐振电容和第三二极管；

第四开关管、与所述第四开关管连接的第四谐振电容和第四二极管；

移相全桥谐振电容、与所述移相全桥谐振电容串联连接的移相全桥谐振电感；

其中，所述母线的正极分别连接所述第一开关管的漏极、所述第二开关管的漏极、所述第一谐振辅助开关的漏极，所述母线的负极分别连接所述第三开关管的源极、所述第四开关管的源极、所述第二谐振辅助开关的源极；

所述驱动模块分别连接所述第一开关管的栅极、所述第二开关管的栅极、所述第三开关管的栅极、所述第四开关管的栅极；

所述辅助电感与所述移相全桥谐振电感串联连接。

作为上述方案的改进，所述移相全桥谐振电感由所述变压器的漏感形成。

作为上述方案的改进，所述辅助网络回路信号采集模块包括信号采集器和用于采集所述辅助网络回路电流信息的电流互感器，所述电流互感器串联在所述移相全桥谐振电感和所述辅助电感之间，所述信号采集器的输入端与所述电流互感器的输出端连接，所述信号采集器的输出端分别与所述逻辑电路的输入端和所述驱动模块的输出端连接。

作为上述方案的改进，所述高频开关电源还包括桥式整流电路；

所述变压器的副边绕组通过所述桥式整流电路与所述逆变电路连接，所述变压器的原边绕组与所述移相全桥电路的输出端连接。

作为上述方案的改进，所述桥式整流电路由整流桥和箝位电路组成。

本实用新型实施例还提供了一种燃料电池发电系统，包括：燃料电池、输出电能调节模块、系统管控模块、电机和上述任一项所述的高频开关电源。

相对于现有技术，本实用新型实施例提供的高频开关电源及燃料电池发电系统的有益效果在于：通过增加辅助网络，优化了变压器原边占空比丢失的问题，实现了滞后臂的软开关，扩大了开关器件的软开关范围，提高了电能转换效率；降低了开关器件的尖峰电压，有助于提高电源输入电压；降低了输入端的纹波电流。

附图说明

图1是本实用新型提供的一种高频开关电源的一个优选实施例的结构示意图；

图2是本实用新型提供的一种高频开关电源的一个优选实施例的电路图；

图3是本实用新型提供的一种高频开关电源的一个优选实施例的工作流程示意图；

图4是本实用新型提供的一种高频开关电源的另一个优选实施例的电路图；

其中，1、移相全桥电路；2、变压器；3、逆变电路；4、控制芯片；5、驱动模块；6、辅助网络。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图1，图1是本实用新型提供的一种高频开关电源的一个优选实施例的结构示意图。所述高频开关电源，包括：移相全桥电路1、变压器2、逆变电路3、控制芯片4、驱动模块5和辅助网络6；

所述移相全桥电路1分别与所述变压器2、所述驱动模块5、所述辅助网络6、母线连接，所述变压器2、所述控制芯片4分别与所述逆变电路3连接，所述驱动模块5分别与所述控制芯片4、所述辅助网络6连接；

请参阅图2，图2是本实用新型提供的一种高频开关电源的一个优选实施例的电路图。

所述辅助网络6包括辅助网络回路信号采集模块、逻辑电路、辅助电感L1、隔离驱动变压器T3、以及分别与所述辅助电感L1连接的第一谐振辅助开关Q5、第一辅助电容C5、第二谐振辅助开关Q6、第二辅助电容C6；其中，所述信号采集模块的输入端与所述辅助电感L1连接，所述信号采集模块的输出端分别与所述驱动模块5、所述逻辑电路连接，所述逻辑电路与所述隔离驱动变压器T3的原边绕组连接，所述第一谐振辅助开关Q5连接所述隔离驱动变压器T3的第一副边绕组，所述第二谐振辅助开关Q6连接所述隔离驱动变压器T3的第二副边绕组。

需要说明的是，所述辅助电容可以是所述谐振辅助开关的寄生电容，也可以是在所述谐振辅助开关上额外并联电容器一起作为辅助电容。

具体的，移相全桥电路分别与变压器、驱动模块、辅助网络、输入端母线连接，变压器、控制芯片分别与逆变电路连接，驱动模块分别与控制芯片、辅助网络连接，逆变电路与输出端连接。移相全桥网络用于将直流电压进行高频斩波，变压器用于对母线电压进行降压，逆变电路用于将直流母线电压逆变为交流电压。控制芯片可以采集电源的输入/输出的电流电压信息并供外部读取；同时，控制芯片还可以采集功率开关器件的电流信息。当电源的输入/输出过压或者过流、或者功率开关器件过流时，控制芯片立即切断驱动信号。对于过流或过压情况的响应的实现手段包括硬件保护电路和软件控制程序，硬件保护速度极快，软件实现的是当硬件保护电路失效后，进行第二道保护，从而使电源在极限环境中的自动保护表现极为灵敏。驱动模块用于提供驱动较大的驱动能力。示例性的，电能从直流母线出来，经过移相全桥电路进行斩波，变为400～800V高频直流，400～800V高频直流经过变压器变换，把电能传递到变压器另外一边，再经过整流滤波成360V直流电，最后经过逆变电路，转换为交流230V。

为了使电源输出稳定，避免输出电压偏置，本实施例的开关电源采用负反馈(即电源输出电压升高，则降低占空比)。其中，反馈环以多阶函数存在，并通过补偿电路对其进行补偿(如超前补偿、滞后补偿、超前滞后补偿和比例积分补偿)。本实施例的电源通过电压环控制输出电压保持稳定，通过电流环实现过流情况下触发保护电路来切断驱动信号。具体参见下表对移相全桥控制的仿真数据：

开环设计中，不引入反馈，输出电压不受控；闭环设计中，引入反馈，输出电压受控，电路稳定性更好。

本实施例提供的高频开关电源不仅适用于燃料电池领域，还可以用于其它电器用电场景。通过增加辅助网络，优化了变压器原边占空比丢失的问题，实现了滞后臂的软开关，扩大了开关器件的软开关范围，提高了电能转换效率，降低了开关器件的尖峰电压，有助于提高电源输入电压，降低了输入端的纹波电流。

在另一个优选实施例中，所述移相全桥电路包括：

第一开关管Q1、与所述第一开关管Q1连接的第一谐振电容C1和第一二极管D1；第二开关管Q2、与所述第二开关管Q2连接的第二谐振电容C2和第二二极管D2；第三开关管Q3、与所述第三开关管Q3连接的第三谐振电容C3和第三二极管D3；第四开关管Q4、与所述第四开关管Q4连接的第四谐振电容C4和第四二极管D4；移相全桥谐振电容C7、与所述移相全桥谐振电容C7串联连接的移相全桥谐振电感L0；其中，所述母线的正极分别连接所述第一开关管Q1的漏极、所述第二开关管Q2的漏极、所述第一谐振辅助开关Q5的漏极，所述母线的负极分别连接所述第三开关管Q3的源极、所述第四开关管Q4的源极、所述第二谐振辅助开关Q6的源极；所述驱动模块分别连接所述第一开关管Q1的栅极、所述第二开关管Q2的栅极、所述第三开关管Q3的栅极、所述第四开关管Q4的栅极；所述辅助电感L1与所述移相全桥谐振电感L0串联连接。第一开关管Q1的源极与第三开关管Q3的漏极连接，第二开关管Q2的源极与第四开关管Q4的漏极连接。移相全桥谐振电容C7的一端与第一开关管Q1的源极连接，移相全桥谐振电容C7的另一端与移相全桥谐振电感L0的一端连接，移相全桥谐振电感L0的另一端与第二开关管Q2的源极连接。第一谐振辅助开关Q5的栅极和漏极连接隔离驱动变压器T3的第一副边绕组，第一谐振辅助开关Q5的源极与第二开关管的漏极连接。第一谐振辅助开关Q5的源极和漏极之间并联有第一辅助电容C5，第一谐振辅助开关Q5的漏极还与辅助电感L1连接。第二谐振辅助开关Q6的栅极和漏极连接隔离驱动变压器T3的第二副边绕组，第二谐振辅助开关Q6的源极与第一谐振辅助开关Q5的漏极连接。第二谐振辅助开关Q6的源极和漏极之间并联有第二辅助电容C6，第二谐振辅助开关Q6的源极还与辅助电感L1连接。

需要说明的是，正常情况下，所述第一谐振电容C1～第四谐振电容C4可分别由所述第一开关管Q1～第四开关Q4的寄生电容来充当；此外，如果寄生电容的容量不够，也可以在开关管上额外并联电容器一起作为谐振电容。

本实施例在工作过程中，由于辅助网络中辅助电感L1的加入，能对第二谐振电容C2和第四谐振电容C4进行快速的充放电，从而解决了占空比优化与该滞后臂软开关实现之间的矛盾。同时，由于低电流时，在一个开关周期内，移相全桥谐振电感L0储存的能量较少，无法快速对第一谐振电容C1、第二谐振电容C2、第三谐振电容C3或第四谐振电容C4进行充放电，导致低负载时无法较好地实现软开关，辅助网络的加入，通过辅助电感L1促进了第一谐振电容C1、第二谐振电容C2、第三谐振电容C3或第四谐振电容C4的充放电，从而在低负载时也可以实现软开关，扩大了软开关范围。第一开关管Q1～第四开关管Q4在导通跟断开时会产生尖峰电压，产生的尖峰电压由谐振电路中的第一谐振电容C1、第二谐振电容C2、第三谐振电容C3或第四谐振电容C4所吸收，本实施例由于辅助网络的存在，使得总谐振电感L(L＝L0+L1)增加，从而能够吸收更多的尖峰电压，进而降低开关器件的尖峰电压。传统移相全桥电路中，由于没有辅助网络，Q1、Q2、Q3、Q4的打开和关断配合产生的电流回路只有两种情况；在加入辅助网络后，由于存在Q5和Q6，在Q5或Q6打开时，其电流回路可以分别多出一种情况，即辅助网络的存在，使得本实施例的移相全桥电路的电流回路多了两种。辅助网络中的L1在Q5或Q6打开时可以等效到回路中，增加了谐振网络的电感值，从而进一步降低了输入端的纹波电流。

具体的，请参阅图3，图3是本实用新型提供的一种高频开关电源的一个优选实施例的工作流程示意图。本实施例当输出端连接负载工作时，各主要元器件的状态如下：

需要说明的是，辅助网络中Q5和Q6的控制逻辑为：Q5和Q3同时打开，Q5由T2电流控制关闭，Q5的断开时间≤t3，且随着负载变化而变化；进一步的，Q6和Q1同时打开，Q6由T2电流控制关闭，Q6的断开时间≤t7，且随着负载变化而变化。

在另一个优选实施例中，所述移相全桥谐振电感由所述变压器的漏感形成。

需要说明的是，本实施例中变压器的原边匝数优选为60匝，能够有效降低变压器的损耗，并有效减小输入端(原边)的纹波电流至1.2％；变压器在磁芯间开气隙，利用漏感作为谐振电感L0，在不额外增加器件的条件下，使漏感(即移相全桥谐振电感L0)与第一开关管Q1～第四开关管Q4的寄生电容(即第一谐振电容C1～第四谐振电容C4)形成谐振，实现移相。具体参见下表对变压器优化的测试数据：

从上述表格可以看出，变压器原边匝数为60时，能量转换效率最高，纹波电流最低，且尖峰电压也最低。

在另一个优选实施例中，所述辅助网络回路信号采集模块包括信号采集器和用于采集所述辅助网络回路电流信息的电流互感器T2，所述电流互感器T2串联在所述移相全桥谐振电感L0和所述辅助电感L1之间，所述信号采集器的输入端与所述电流互感器T2的输出端连接，所述信号采集器的输出端分别与所述逻辑电路的输入端和所述驱动模块的输出端连接。

具体的，本实施例设定L1储能量达标时流经L1的电流值为A，电流互感器T2采集辅助网络回路的电流信息，并发送至信号采集器(信号采集器将电流信号转换成电压信号)；当L1完成储存能量时，此时L1和T2电流达到A值，触发信号采集器输出高电平至逻辑电路，从而控制Q5的断开。其中，Q5断开时间t3'与Q4断开时间t3的关系要求：t3'≤t3。如果t3'＞t3，则辅助网络回路电流方向改变，L1由储存能量变为释放能量，将会导致辅助网络在该周期中失效。

传统方案中，Q5断开时间t3'是固定值。由于相比低负载，高负载时，Q4的断开时间t_3-高负载会变小(即t3随负载大小而变、且在负载最高时有最小值t_{3-最高负载})，又因为要求全部负载范围内Q5断开时间t3’≤Q4断开时间t3，因此，要求t3’≤t_{3-最高负载}即可保证在全部负载范围内满足t3’≤t3。同时，将实现L1达标储能量的时间设为t3”，则t3”也会随着负载减小而变大、并在负载最低时有最大值t_{3”-最低负载}；由于Q5断开时间t3’为固定值且Q5断开后L1储能结束，因此为了保证在t3’固定情况下，全部负载范围内L1储能都达标，需要将固定值t3’＝t_{3”-最低负载}，从而可以实现Q5断开后L1的储能量都达标。综合上述两方面，Q5断开时间t3’设定为t_{3”-最低负载}、且t_{3”-最低负载}≤t_3-高负载。

然而，在高于最低负载的其它工况下，由于L1达标储能量的时间t3”＜Q5断开时间t3’，因此在t3”至t3’这段时间内需要L1器件对多余的电流进行消耗；如果按最低负载工况下选择L1器件，则无法满足其它工况下对多余电流的消耗要求，因此需要选择功率配置参数更大的L1器件，L1器件的体积也更大，另一方面由于消耗多余电流，开关电源的损耗也增加。

与传统方案设定Q5断开时间为固定值不同，本实用新型实施例中，根据L1的达标储能量设定了L1电流预定值A，并采用基于辅助网络的电流来调控Q5的断开时间，实现在任何负载工况下L1只要储能达标便可以使Q5断开，避免了因Q5断开时间t3’固定而导致对L1器件的功率配置参数要求高、L1器件体积大、开关电源的损耗高的问题。

请参阅图4，图4是本实用新型提供的一种高频开关电源的另一个优选实施例的电路图。

在又一个优选实施例中，所述高频开关电源还包括桥式整流电路；

所述变压器的副边绕组通过所述桥式整流电路与所述逆变电路连接，所述变压器的原边绕组与所述移相全桥电路的输出端连接。

作为优选方案，所述桥式整流电路由整流桥和箝位电路组成。

具体的，本实施例中的桥式整流电路由整流桥和箝位电路组成，当振荡值超过箝位值时，箝位电路会把超出的能量释放到主电路中，从而使整流桥的振荡得到改善。另外，原边的第一开关管Q1～第四开关管Q4得到了尖峰电压的抑制，也不会再反射(变压器原边/副边会相互耦合影响)过来影响整流器。

本实用新型还提供一种燃料电池发电系统，包括：燃料电池、输出电能调节模块、系统管控模块、电机和上述任一项所述的高频开关电源。

具体的，输出电能调节模块包括第一输出电能调节模块和第二输出电能调节模块，第一输出电能调节模块可进行燃料电池输出电能调节，并将电能输出至母线，第二输出电能调节模块(例如逆变模块)用于对发电系统产生的电能进行调节，并将调节后的电能输出至用电设备；系统管控模块，用于发电系统的监管和控制；电机作为发电系统内的用电器，其电能来自于母线，电机用电为AC-230V电压，而母线为DC-400～800V电压，因此，通过本实施例的高频开关电源将电能从母线的DC-400～800V电压转成AC-230V电压，并输送至电机。

本实用新型实施例提供了高频开关电源及燃料电池发电系统，通过移相全桥电路分别与所述变压器、所述驱动模块、所述辅助网络、母线连接，所述变压器、所述控制芯片分别与所述逆变电路连接，所述驱动模块分别与所述控制芯片、所述辅助网络连接；所述辅助网络包括辅助网络回路信号采集模块、逻辑电路、辅助电感、隔离驱动变压器、以及分别与所述辅助电感连接的第一谐振辅助开关、第一辅助电容、第二谐振辅助开关、第二辅助电容；其中，所述信号采集模块的输入端与所述辅助电感连接，所述信号采集模块的输出端分别与所述驱动模块、所述逻辑电路连接，所述逻辑电路与所述隔离驱动变压器的原边绕组连接，所述第一谐振辅助开关连接所述隔离驱动变压器的第一副边绕组，所述第二谐振辅助开关连接所述隔离驱动变压器的第二副边绕组。本实用新型实施例能够解决现有的高频开关电源难以满足燃料电池发电系统的使用需求，通过电路结构和控制逻辑的改进，实现了在任何负载工况下，只要辅助电感的储能量达标，就可以使谐振辅助开关断开。

需说明的是，以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。另外，本实用新型提供的系统实施例附图中，模块之间的连接关系表示它们之间具有通信连接，具体可以实现为一条或多条通信总线或信号线。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本实用新型的保护范围。

Claims (7)

1.一种高频开关电源，其特征在于，包括：移相全桥电路、变压器、逆变电路、控制芯片、驱动模块和辅助网络；

所述移相全桥电路分别与所述变压器、所述驱动模块、所述辅助网络、母线连接，所述变压器、所述控制芯片分别与所述逆变电路连接，所述驱动模块分别与所述控制芯片、所述辅助网络连接；

所述辅助网络包括辅助网络回路信号采集模块、逻辑电路、辅助电感、隔离驱动变压器、以及分别与所述辅助电感连接的第一谐振辅助开关、第一辅助电容、第二谐振辅助开关、第二辅助电容；其中，所述信号采集模块的输入端与所述辅助电感连接，所述信号采集模块的输出端分别与所述驱动模块、所述逻辑电路连接，所述逻辑电路与所述隔离驱动变压器的原边绕组连接，所述第一谐振辅助开关连接所述隔离驱动变压器的第一副边绕组，所述第二谐振辅助开关连接所述隔离驱动变压器的第二副边绕组。

2.如权利要求1所述的高频开关电源，其特征在于，所述移相全桥电路包括：

第一开关管、与所述第一开关管连接的第一谐振电容和第一二极管；

第二开关管、与所述第二开关管连接的第二谐振电容和第二二极管；

第三开关管、与所述第三开关管连接的第三谐振电容和第三二极管；

第四开关管、与所述第四开关管连接的第四谐振电容和第四二极管；

移相全桥谐振电容、与所述移相全桥谐振电容串联连接的移相全桥谐振电感；

其中，所述母线的正极分别连接所述第一开关管的漏极、所述第二开关管的漏极、所述第一谐振辅助开关的漏极，所述母线的负极分别连接所述第三开关管的源极、所述第四开关管的源极、所述第二谐振辅助开关的源极；

所述驱动模块分别连接所述第一开关管的栅极、所述第二开关管的栅极、所述第三开关管的栅极、所述第四开关管的栅极；

所述辅助电感与所述移相全桥谐振电感串联连接。

3.如权利要求2所述的高频开关电源，其特征在于，所述移相全桥谐振电感由所述变压器的漏感形成。

4.如权利要求3所述的高频开关电源，其特征在于，所述辅助网络回路信号采集模块包括信号采集器和用于采集所述辅助网络回路电流信息的电流互感器，所述电流互感器串联在所述移相全桥谐振电感和所述辅助电感之间，所述信号采集器的输入端与所述电流互感器的输出端连接，所述信号采集器的输出端分别与所述逻辑电路的输入端和所述驱动模块的输出端连接。

5.如权利要求1所述的高频开关电源，其特征在于，所述高频开关电源还包括桥式整流电路；

所述变压器的副边绕组通过所述桥式整流电路与所述逆变电路连接，所述变压器的原边绕组与所述移相全桥电路的输出端连接。

6.如权利要求5所述的高频开关电源，其特征在于，所述桥式整流电路由整流桥和箝位电路组成。

7.一种燃料电池发电系统，其特征在于，包括燃料电池、输出电能调节模块、系统管控模块、电机和如权利要求1至6任一项所述的高频开关电源。