CN103904898B - 适于医疗检测用电源的低噪声高效隔离变换器及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适于医疗检测用电源的低噪声高效隔离变换器及控制方法，属于电力电子变换器技术领域。所述适于医疗检测用电源的低噪声高效隔离变换器由原边电路、变压器和副边电路构成，原边电路包括输入源、两个开关管和两个电容，副边电路包括三个电感、四个二极管、两个开关管、输出滤波电容和负载。本发明能够实现所有开关器件的软开关，有效降低变换器的开关噪声并显著改善变换效率；能够有效地降低输出电流纹波，使输出滤波电容容值和体积得到极大降低；能够通过整流电路实现升压，适合隔离升压功率变换；控制简单、可靠性高；特别适合医疗检测用电源等对噪声、可靠性、安全性和效率等有特殊要求的应用场合。
Description
技术领域
本发明属于隔离型直流-直流电能变换技术领域，尤其涉及一种适用于医疗检测用电源如血液分析仪等的低噪声高效隔离变换器及控制方法。
背景技术
相对于其它领域的电源，为现代医疗检测设备（如血液分析仪等）供电的医疗电源对电源的安全性、可靠性、噪声、纹波等都具有更加苛刻的要求，医疗设备电源都必须符合安全、漏电、电磁干扰、辐射和防护等方面的相关规定。为了满足安全性和可靠性的要求，并且为了适应输出电压的需求，通常需要采用隔离型直流变换器。而为了满足电磁和辐射等方面的需求，如何减小电源模块自身的噪声并降低输出电压电流的纹波、向医疗设备提供高品质的供电，一直是该技术领域所研究和关注的重点问题。
传统硬开关隔离变换器工作时将产生严重的高频电磁干扰，采用软开关技术可以有效降低变换器自身所产生的电磁干扰。现有的软开关隔离变换器，例如移相全桥变换器，通常只能实现有源开关管的软开关，而整流二极管仍然工作在硬开关状态。谐振型软开关变换器，例如LLC谐振变换器，可以实现所有开关管和二极管的软开关，但变换器需要采用变频控制，这不仅导致控制复杂，而且给变压器、滤波器等的设计带来了困难。此外，谐振型变换器的输出电流通常是断续的，不利于输出电流纹波的降低。采用交错并联技术可以有效降低输出电压和电流纹波，但这需要同时采用多个变换器模块，使得整个电源***的结构、设计和控制都变得复杂。
发明内容
发明目的：本发明旨在提供一种适于医疗检测用电源的低噪声高效隔离变换器及控制方法。
技术方案：一种适于医疗检测用电源的低噪声高效隔离变换器，包括原边电路、变压器T和副边电路，原边电路包括输入源Uin、第一开关管S1、第二开关管S2、第一电容C1和第二电容C2，变压器T包括原边绕组WP和副边绕组WS，副边电路20包括第一电感Lf1、第二电感Lf2、第三电感Lf3、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第三开关管S3、第四开关管S4、输出滤波电容Co和负载Ro；所述输入源Uin的正极连于第一开关管S1的漏极和第一电容C1的一端，输入源Uin的负极连于第二开关管S2的源极和第二电容C2的一端，第一开关管S1的源极连于第二开关管S2的漏极和变压器T原边绕组WP的同名端，变压器T原边绕组WP的非同名端连于第一电容C1的另一端和第二电容C2的另一端；所述变压器T副边绕组WS的同名端连于第一电感Lf1的一端，第一电感Lf1的另一端连于第一二极管D1的阳极和第三开关管S3的漏极，第一二极管D1的阴极连于第三二极管D3的阴极、输出滤波电容Co的一端和负载Ro的一端，输出滤波电容Co的另一端连于负载Ro的另一端、第三开关管S3的源极、第四开关管S4的源极、第二二极管D2的阳极和第四二极管D4的阳极，第四二极管D4的阴极连于变压器T副边绕组WS的非同名端和第三电感Lf3的一端，第三电感Lf3的另一端连于第三二极管D3的阳极和第四开关管S4的漏极。
所述第一电感Lf1为变压器T的漏感。
一种适于医疗检测用电源的低噪声高效隔离变换器的控制方法，所述第一开关管S1和第二开关管S2以固定频率、相同且固定的占空比互补导通，所述第三开关管S3和第四开关管S4交错180°导通，所述第三开关管S3与第一开关管S1同时导通，所述第四开关管S4与第二开关管S2同时导通，通过调节第三开关管S3和第四开关管S4的占空比来调节输出电压。
有益效果：(1)在输出侧的两个电感共同分担输出电流应力，器件应力低、适合大电流输出，且两路电感交错工作，输出电流连续、纹波小；
(2)所有的开关管、二极管都能够实现软开关，开关噪声小，由高频开关所产生的电磁辐射小；
(3)变换器能够在整流电路中实现升压功能，这可以有效减小所需变压器绕组的匝数，减小变压器漏感、改善效率。
附图说明
附图1是本发明适于医疗检测用电源的低噪声高效隔离变换器的示意图；
附图2是本发明适于医疗检测用电源的低噪声高效隔离变换器的工作波形图；
附图3是本发明适于医疗检测用电源的低噪声高效隔离变换器的t0时刻之前各开关模态的等效电路图；
附图4是本发明适于医疗检测用电源的低噪声高效隔离变换器的t0时刻各开关模态的等效电路图；
附图5是本发明适于医疗检测用电源的低噪声高效隔离变换器的t1时刻各开关模态的等效电路图；
附图6是本发明适于医疗检测用电源的低噪声高效隔离变换器的t2时刻各开关模态的等效电路图；
附图7是本发明适于医疗检测用电源的低噪声高效隔离变换器的t3时刻各开关模态的等效电路图；
附图8是本发明适于医疗检测用电源的低噪声高效隔离变换器的t4时刻各开关模态的等效电路图。
具体实施方式
如图1所示，所述适于医疗检测用电源的低噪声高效隔离变换器由原边电路10、变压器T和副边电路20构成，原边电路10包括输入源Uin、第一开关管S1、第二开关管S2、第一电容C1和第二电容C2，变压器T包括原边绕组WP和副边绕组WS，副边电路20包括第一电感Lf1、第二电感Lf2、第三电感Lf3、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第三开关管S3、第四开关管S4、输出滤波电容Co和负载Ro；所述输入源Uin的正极连于第一开关管S1的漏极和第一电容C1的一端，输入源Uin的负极连于第二开关管S2的源极和第二电容C2的一端，第一开关管S1的源极连于第二开关管S2的漏极和变压器T原边绕组WP的同名端，变压器T原边绕组WP的非同名端连于第一电容C1的另一端和第二电容C2的另一端；所述变压器T副边绕组WS的同名端连于第一电感Lf1的一端，第一电感Lf1的另一端连于第一二极管D1的阳极和第三开关管S3的漏极，第一二极管D1的阴极连于第三二极管D3的阴极、输出滤波电容Co的一端和负载Ro的一端，输出滤波电容Co的另一端连于负载Ro的另一端、第三开关管S3的源极、第四开关管S4的源极、第二二极管D2的阳极和第四二极管D4的阳极，第四二极管D4的阴极连于变压器T副边绕组WS的非同名端和第三电感Lf3的一端，第三电感Lf3的另一端连于第三二极管D3的阳极和第四开关管S4的漏极。第一电感Lf1也可以由变压器T的漏感代替。
本发明适于医疗检测用电源的低噪声高效隔离变换器可以采用如下控制方法：所述第一开关管S1和第二开关管S2以固定频率、相同且固定的占空比互补导通，所述第三开关管S3和第四开关管S4交错180°导通，所述第三开关管S3与第一开关管S1同时导通，所述第四开关管S4与第二开关管S2同时导通，通过调节第三开关管S3和第四开关管S4的占空比来调节输出电压。
在具体实施时，所有开关管都需要选用具有寄生体二极管或者反并联二极管的功率开关管，例如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，以便于为开关管的零电压开通提供条件。
下面结合图2～图8，对本发明变换器的工作原理详细解释如下。
t0时刻之前，第一开关管S1关断、第二开关管S2导通，第一电感Lf1和第三电感Lf3中流过电流，且二者电流的绝对值相等，其中第一电感Lf1中的电流为负值，第二二极管D2和第三二极管D3导通、其它二极管及开关管关断，此时等效电路如附图3所示。在该模态，第三开关管S3的漏源电压保持为零，即第三开关管S3已经具备了零电压开通的条件。
t0时刻，第二开关管S2关断，由于电感电流不能突变，反射到变压器原边绕组的电流使得第一开关管S1的体二极管导通，该模态等效电路如附图4所示。此时变压器T的副边绕组WS两端电压换向，电感Lf1的电流开始减小、第二二极管D2和第四二极管D4导通。
t1时刻，第一开关管S1和第三开关管S3零电压开通，等效电路如附图5所示，在该模态，第三开关管S3的电流保持为零，第三电感Lf3在输出电压的作用下电流线性减小。
t2时刻，第一电感Lf1的电流减小为零，第二二极管D2零电流关断，第一电感Lf1和第二电感Lf2串联且电流同时增加，直到t3时刻第三开关管S3关断，该模态等效电路如附图6所示。
t3时刻，第三开关管S3关断，第一二极管D1导通，等效电路如附图7所示，该模态电感第一电感Lf1、第二电感Lf2和第三电感Lf3共同向负载传输功率。
t4时刻，第三电感Lf3的电流减小到零，第三二极管D3零电流关断并保持截止，第四开关管S4的漏源电压减小为零，为第四开关管S4的零电压开通提供条件，该模态等效电路如附图8所示。
t5时刻，下半个开关周期开始，工作过程类似，不再重复叙述。
根据上述工作过程的描述可知，本发明可以实现所有开关管、二极管的软开关，能够有效降低变换器开关噪声并改善变换效率。而两路电感Lf2和Lf3交替向负载提供电流，能够有效提升电路的电流输出能力，同时减小输出电流纹波。
Claims (2)
1.一种适于医疗检测用电源的低噪声高效隔离变换器，其特征在于，包括原边电路、变压器T和副边电路，原边电路包括输入源Uin、第一开关管S1、第二开关管S2、第一电容C1和第二电容C2，变压器T包括原边绕组WP和副边绕组WS，副边电路20包括第一电感Lf1、第二电感Lf2、第三电感Lf3、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第三开关管S3、第四开关管S4、输出滤波电容Co和负载Ro；
所述输入源Uin的正极连于第一开关管S1的漏极和第一电容C1的一端，输入源Uin的负极连于第二开关管S2的源极和第二电容C2的一端，第一开关管S1的源极连于第二开关管S2的漏极和变压器T原边绕组WP的同名端，变压器T原边绕组WP的非同名端连于第一电容C1的另一端和第二电容C2的另一端；
所述变压器T副边绕组WS的同名端连于第一电感Lf1的一端，第一电感Lf1的另一端连于第一二极管D1的阳极和第三开关管S3的漏极，第一二极管D1的阴极连于第三二极管D3的阴极、输出滤波电容Co的一端和负载Ro的一端，输出滤波电容Co的另一端连于负载Ro的另一端、第三开关管S3的源极、第四开关管S4的源极、第二二极管D2的阳极和第四二极管D4的阳极，第四二极管D4的阴极连于变压器T副边绕组WS的非同名端和第三电感Lf3的一端，第三电感Lf3的另一端连于第三二极管D3的阳极和第四开关管S4的漏极；
所述第一开关管S1和第二开关管S2以固定频率、相同且固定的占空比互补导通，所述第三开关管S3和第四开关管S4交错180°导通，所述第三开关管S3与第一开关管S1同时导通，所述第四开关管S4与第二开关管S2同时导通，通过调节第三开关管S3和第四开关管S4的占空比来调节输出电压。
2.根据权利要求1所述的适于医疗检测用电源的低噪声高效隔离变换器，其特征在于，所述第一电感Lf1为变压器T的漏感。
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