CN108282089B - 一种具有冗余功能的有源钳位正反激电源模块及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有内部冗余功能有源箝位正反激电源模块及控制方法，包括主电路、驱动电路，主电路的变压器原边电路是有源箝位电路，其中针对在外部输入过压等非正常状态下造成的主功率MOS管损坏，具有冗余功能，变压器副边电路中变压器副边绕组电流流过滤波电感，并使得变压器副边绕组的电流变化及原边励磁电流变化，由此具有内部冗余功能的有源箝位正反激电源模块具有更高的可靠性和更大的生命力，在某些应急场所能代替两套模块电源的设计，具有很高的经济实用性和更小的体积。

Description

一种具有冗余功能的有源钳位正反激电源模块及控制方法
技术领域
本发明涉及电源模块领域，具体涉及一种具有冗余功能的有源钳位正反激电源模块及控制方法。
背景技术
在国防军工等对供电要求比较高的地方，经常利用两套完全一样的高功率密度的电源模块变换电路在输出端进行并联运行以提高可靠性，这样不仅增加了电源模块的使用成本，而且电源在体积上也会成倍的增加，不满足当今电源小型化的供电目标。针对电源模块内部器件损坏概率的分析统计，主要集中在MOS管上，而占据电源内部大部分体积的磁性元件是较不易损坏的，所以结合当前小型化高可靠的使用特点，在电源内部进行冗余设计是很好的解决方案。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种具有冗余功能的有源钳位正反激电源模块及控制方法，这种具有内部冗余功能的有源钳位正反激变化器具有更高的可靠性和更大的生命力。
本发明公开一种具有冗余功能的有源钳位正反激电源模块，所述模块包括电源模块冗余主电路、高压侧主功率管隔离驱动冗余电路、钳位侧去磁回路辅助功率管驱动电路和冗余主功率开关管驱动使能电路；
电源模块冗余主电路由变压器原边电路与变压器的副边电路组成，包括有源钳位正反激电路主变压器、MOS开关管、钳位管、钳位电容、储能电感、输出电容、检测电阻以及滤波电容，高压侧主功率管隔离驱动冗余电路由原边电路与副边电路组成；
所述变压器原边电路中MOS开关管的栅极及源极与高压侧主功率管隔离驱动冗余电路副边电路稳压管两端连接，变压器原边电路中钳位管的栅极及源极与钳位侧去磁回路辅助功率管驱动电路中稳压管两端连接，所述高压侧主功率管隔离驱动冗余电路副边电路中光耦连接冗余主功率开关管驱动使能电路；
所述变压器原边电路为有源钳位开关管冗余电路，两个 MOS开关管与变压器的原边串联后与输入电压并联，两个 MOS开关管Q1和Q2的源极并联，开关K1与任意一个 MOS开关管的漏极连接，钳位管Q3与钳位电容C2、C3 串联后与变压器的原边和电流检测电阻R1、R2并联；
所述变压器的副边电路，有两个副边绕组及辅助电源绕组，并联的电阻R3、R4与电容C4串联后与两个副边绕组并联，两个副边绕组与整流器D1连接，并串接上电感L1 后连接至输出端OUT+、OUT-，电容C5、C6、C7串联后连接至机壳地；
所述高压侧主功率管隔离驱动冗余电路的原边电路，电容C9与并联的电阻R7、R8串联后与原边绕组并联，输入的PWM经过电容C8、电阻R5、并联的二极管D2及电阻 R6、驱动MOS管Q4、Q5及电阻R9后串接原边绕组；
所述高压侧主功率管隔离驱动冗余电路的副边电路，副边电路包括两组副边绕组，一组副边绕组与二极管D3串联后，与电阻R10、R12、R13、R16、三极管V1、V2、二极管D4及稳压管D6并联于G1和S1端；
另一组副边绕组与光耦串联后，与电阻R11、R14、R15、 R17、三极管V3、V4、二极管D5及稳压管D7相并联后与 G1_1和S1_1端相连；
所述钳位侧去磁回路辅助功率管驱动电路，PWM驱动连接驱动三极管MOS管Q6的栅极，MOS管Q6的漏极连接电阻R18与三极管V5、V6的基极，VCC对地接滤波电容C10，三极管V5、V6的发射极相连后连接电阻R19后，与稳压管D8并联至G2和S2端；
所述冗余主功率开关管驱动使能电路，输入端电压串联开关K1、稳压管D9、电阻R20及光耦OP1，所述光耦为高压侧主功率管隔离驱动冗余电路的副边电路中的光耦，开关为主电路中的选择开关K1；
所述电源模块冗余主电路元器件固定于板厚为2.0mm，导热系数为1.5W/(m.K)的铝基板上，所述高压侧主功率管隔离驱动冗余电路、钳位侧去磁回路辅助功率管驱动电路和冗余主功率开关管驱动使能电路固定于厚为1.0mm的普通双层玻璃纤维线路板上。
本发明还公开一种具有冗余功能的有源钳位正反激电源控制方法，所述方法有以下步骤：
1)电源模块冗余主电路在一个开关周期内原边绕组电路与两个副边绕组电路交替输出电压，电源模块冗余主电路变压器原边电路中增加1个MOS开关管备用；
2)PWM驱动波形施加于高压侧主功率管隔离驱动冗余电路原边电路，高压侧主功率管隔离驱动冗余电路的副边驱动电路由两组完全相同的绕组并绕，得到周期和相位完全相同的驱动波形，所述副边驱动电路部分，其中一路副边绕组的二极管由光耦代替，并连接冗余主功率开关管驱动使能电路，作为备用驱动电路；
3)钳位侧去磁回路的辅助钳位开关功率管驱动电路利用MOS管Q6上拉电阻对PWM波取反，并利用三极管组成的推挽电路将驱动能力信号电流放大，作为驱动信号输出至钳位侧去磁回路辅助功率管Q3的GS级；对三极管开通关断去磁并将去磁能量转化为功率输出；
4)冗余主功率开关管驱动使能电路通过检测冗余主功率开关管是否投入使用来使能相应的驱动电路；
本发明一种具有冗余功能的有源钳位正反激电源模块及控制方法，具有以下有益效果：在某些应急场所能代替两套模块电源的设计，具有很高的经济实用性和更小的体积。
附图说明
图1为本发明一种具有冗余功能的有源钳位正反激电源模块中电源模块冗余主电路示意图
图2为本发明一种具有冗余功能的有源钳位正反激电源模块中高压侧主功率管隔离驱动冗余电路示意图
图3为本发明一种具有冗余功能的有源钳位正反激电源模块中钳位侧去磁回路辅助功率管驱动电路示意图
图4为本发明一种具有冗余功能的有源钳位正反激电源模块中冗余主功率开关管驱动使能电路示意图
图5为本发明一种具有冗余功能的有源钳位正反激电源模块外观结构示意图
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述
本发明公开一种具有冗余功能的有源钳位正反激电源模块，所述模块包括电源模块冗余主电路、高压侧主功率管隔离驱动冗余电路、钳位侧去磁回路辅助功率管驱动电路和冗余主功率开关管驱动使能电路；
电源模块冗余主电路由变压器原边电路与变压器的副边电路组成，包括有源钳位正反激电路主变压器、开关MOS 管、钳位管、钳位电容、储能电感、输出电容、检测电阻以及滤波电容；
高压侧主功率管隔离驱动冗余电路由原边电路与副边电路组成；
所述变压器原边电路中MOS开关管的栅极及源极与高压侧主功率管隔离驱动冗余电路变压器副边电路稳压管两端连接，变压器原边电路中钳位管的栅极及源极与钳位侧去磁回路辅助功率管驱动电路中稳压管两端连接，所述高压侧主功率管隔离驱动冗余电路中光耦两端对应连接冗余主功率开关管驱动使能电路。
其中，如图1所示所述变压器原边电路为有源钳位开关管冗余电路，两个MOS开关管与变压器的原边串联后与输入电压并联，两个MOS开关管Q1和Q2的源极并联，开关 K1与任意一个MOS开关管的漏极连接，钳位管Q3与钳位电容C2、C3串联后与变压器的原边和电流检测电阻R1、 R2并联；
所述变压器的副边电路，有两个副边绕组及辅助绕组，并联的电阻R3、R4与电容C4串联后与两个副边绕组并联，两个副边绕组分别与整流器D1连接，并串接上电感L1后连接至输出端OUT+、OUT-，电容C5、C6、C7串联后连接至机壳地；
其中，所述原边电路中当其中一个开关管不正常工作后才切换到另一个备用主开关管工作，多加的这个主开关管，对在浪涌或有电压尖峰情况下主功率开关管容易过压或过流损坏使电路不能正常工作，这种冗余设计在遇到毁灭性冲击时启动，相比传统两套相同的电源设计有更高的可靠性并缩小了开关电源的体积。
其中，如图2所示所述高压侧主功率管隔离驱动冗余电路的原边电路，电容C9与并联的R7、R8串联后与原边绕组并联，输入的PWM经过电容C8、电阻R5、并联的D2、 R6、驱动三极管Q4、Q5及电阻R9后串接原边绕组；
所述高压侧主功率管隔离驱动冗余电路的副边电路，副边电路包括两组副边绕组，一组副边绕组与二极管D3串联后，与电阻R10、R12、R13、R16、三极管V1、V2、二极管 D4及稳压管D6并联于G1和S1端；
另一组副边绕组与光耦串联后，与电阻R11、R14、R15、 R17、三极管V3、V4、二极管D5及稳压管D7相并联后于 G1_1和S1_1端相连。
具体的，高压侧主功率开关管的驱动电路采用隔离驱动方式，可以减少共地上的噪声干扰，使驱动PWM波形具有更优良的EMC和可靠性，驱动采用1:1:1的隔离变压器，C9 与R7，R8串联，与变压器原边绕组并联，这样可以吸收变压器原边在Q5关断时候的尖峰干扰，也是对变压器的原边去磁，PWM波形通过C8可以调节高压侧与钳位开关管的死区时间，先对C8充电延时导通Q4，Q4导通后在开启 Q5，从而将PWM驱动波形施加在变压器的原边。在变压器的副边，采用完全相同的两股绕组双线并绕，得到周期和相位完全相同的驱动波形，副边驱动波形的放大也是采用完全相同的电路，所不同的是D3用光耦代替，在冗余主开关管没有投入使用时驱动电路是受光耦控制开通关断的，以实现更低的能耗，变压器副边的驱动电路通过三极管两级放大后再由稳压管D6钳位保证PWM波形的可靠性。
其中，如图3所示所述钳位侧去磁回路辅助功率管驱动电路，输入端PWM连接钳位开关管Q6的栅极，Q6的漏极连接电阻R18与三极管V5、V6的基极，VCC对地接滤波电容C9，三极管V5、V6的发射极相连后连接电阻R16与稳压管D8并联至G2和S2端。
具体的，钳位侧去磁回路的辅助钳位开关管驱动电路如图3所示，利用三极管上拉电阻R18可以对PWM波取反，然后利用两只三极管V5、V6组成的推挽电路将驱动能力放大后，经R19限流、D8稳压管驱动钳位开关管。
由于去磁回路中钳位开关管较高压侧主功率开关管的电压和电流应力小，在有源钳位正反激电路中主要功率还是由主功率开关管工作在正激状态下，所以就安全性和可靠性钳位续流开关管不容易损坏，没有对此管做冗余设计。
其中，如图4所示所述冗余主功率开关管驱动使能电路，输入端电压串联开关K1、稳压管D9、电阻R20及光耦OP1，所述光耦为高压侧主功率管隔离驱动冗余电路的副边电路中光耦，开关管为主电路的开关管K1。
具体的，当正常工作时开关K1的2、3触点连接，光耦 OP1原边没有电压输入，驱动电路也相应的没有使能产生驱动，主电路工作在初始状态下，当开关K1的1、2触点连接后，冗余的主功率开关管投入使用，相应的输入电压也加在光耦的原边，通过稳压管和限流电阻对光耦的原边限流，光耦的副边三极管相应的导通后使能了其冗余驱动。
其中，所述电源模块冗余主电路元器件固定于板厚为 2.0mm，导热系数为1.5W/(m.K)的铝基板上，所述高压侧主功率管隔离驱动冗余电路、钳位侧去磁回路辅助功率管驱动电路和冗余主功率开关管驱动使能电路固定于厚为1.0mm 的普通双层玻璃纤维线路板上。
具体的，两块板通过12跟插针叠加布局，制作后的电源模块实物效果图如图5所示，铝基板散热空间比较大，采用上下两层叠加的方式布局能合理的利用空间，其中最高元器件为变压器，磁芯的高度为10mm，上层板让出变压器安装空间，能使高度在标准模块的高度12.7mm。
电源模块的尺寸为86*41*12.7mm，其中高度12.7mm 为电源模块的标准高度，能跟其他电源模块混合使用时保证散热面在同一平面内，模块的长和宽为非标准模块砖型尺寸，但同属于小功率小型化常用的电源模块范围，如图5 所示，左边的三个引脚分别为为电压正负输出端和电压调整端，右边的三个引脚分别为电源正负输入端输出使能控制端，使用起来很方便。
本发明还公开一种具有冗余功能的有源钳位正反激控制方法，所述方法有以下步骤：
1)电源模块冗余主电路在一个开关周期内原边绕组电路与两个副边绕组电路交替输出电压；
2)PWM驱动波形施加于高压侧主功率管隔离驱动冗余电路原边电路，高压侧主功率管隔离驱动冗余电路的副边驱动电路两组完全相同的绕组并绕，得到周期和相位完全相同的驱动波形；
3)钳位侧去磁回路的辅助钳位开关管驱动电路利用三极管上拉电阻对PWM波取反，并利用三极管组成的推挽电路将驱动能力放大，对三极管开通关断去磁并将去磁能量转化为功率输出；
4)冗余主功率开关管驱动使能电路通过检测冗余主功率开关管是否投入使用来使能相应的驱动电路。
其中，所述步骤1)中电源模块冗余主电路变压器原边电路中增加1个MOS开关管备用。
其中，所述步骤2)中，所述副边波形方法电路部分，其中一路副边绕组的二极管由光耦代替，并连接冗余主功率开关管驱动使能电路，为备用驱动电路。
说明书中未阐述的部分均为现有技术或公知常识。本实施方式仅用于说明该发明，而不用于限制本发明的范围，本领域技术人员对于本发明所做的等价置换等修改均认为是落入该发明权利要求书所保护范围内。

Claims (2)

1.一种具有冗余功能的有源钳位正反激电源模块，其特征在于，所述模块包括电源模块冗余主电路、高压侧主功率管隔离驱动冗余电路、钳位侧去磁回路辅助功率管驱动电路和冗余主功率开关管驱动使能电路；
电源模块冗余主电路由变压器原边电路与变压器的副边电路组成，包括有源钳位正反激电路主变压器、MOS开关管、钳位管、钳位电容、储能电感、输出电容、检测电阻以及滤波电容，高压侧主功率管隔离驱动冗余电路由原边电路与副边电路组成；
所述变压器原边电路中MOS开关管的栅极及源极与高压侧主功率管隔离驱动冗余电路副边电路稳压管两端连接，变压器原边电路中钳位管的栅极及源极与钳位侧去磁回路辅助功率管驱动电路中稳压管两端连接，所述高压侧主功率管隔离驱动冗余电路副边电路中光耦连接冗余主功率开关管驱动使能电路；
所述变压器原边电路为有源钳位开关管冗余电路，两个MOS开关管与变压器的原边串联后与输入电压并联，两个MOS开关管Q1和Q2的源极并联，开关K1与任意一个MOS开关管的漏极连接，钳位管Q3与钳位电容C2、C3串联后与变压器的原边和电流检测电阻R1、R2并联；
所述变压器的副边电路，有两个副边绕组及辅助电源绕组，并联的电阻R3、R4与电容C4串联后与两个副边绕组并联，两个副边绕组与整流器D1连接，并串接上电感L1后连接至输出端OUT+、OUT-，电容C5、C6、C7串联后连接至机壳地；
所述高压侧主功率管隔离驱动冗余电路的原边电路，电容C9与并联的电阻R7、R8串联后与原边绕组并联，输入的PWM经过电容C8、电阻R5、并联的二极管D2及电阻R6、驱动MOS管Q4、Q5及电阻R9后串接原边绕组；
所述高压侧主功率管隔离驱动冗余电路的副边电路，副边电路包括两组副边绕组，一组副边绕组与二极管D3串联后，与电阻R10、R12、R13、R16、三极管V1、V2、二极管D4及稳压管D6并联于G1和S1端；
另一组副边绕组与光耦串联后，与电阻R11、R14、R15、R17、三极管V3、V4、二极管D5及稳压管D7相并联后与G1_1和S1_1端相连；
所述钳位侧去磁回路辅助功率管驱动电路，PWM驱动连接驱动MOS管Q6的栅极，MOS管Q6的漏极连接电阻R18与三极管V5、V6的基极，VCC对地接滤波电容C10，三极管V5、V6的发射极连接电阻R19一端，R19另一端连接稳压管D8的负极后连接至G2端，三极管V6的集电极连接稳压管D8的正极后连接至S2端；
所述冗余主功率开关管驱动使能电路，输入端电压串联开关K1、稳压管D9、电阻R20及光耦OP1，所述光耦为高压侧主功率管隔离驱动冗余电路的副边电路中的光耦，开关为选择开关K1；
所述电源模块冗余主电路元器件固定于板厚为2.0mm，导热系数为1.5W/(m.K)的铝基板上，所述高压侧主功率管隔离驱动冗余电路、钳位侧去磁回路辅助功率管驱动电路和冗余主功率开关管驱动使能电路固定于厚为1.0mm的普通双层玻璃纤维线路板上。
2.一种如权利要求1所述具有冗余功能的有源钳位正反激电源模块的控制方法，其特征在于，所述方法有以下步骤：
1)电源模块冗余主电路在一个开关周期内两个副边绕组电路交替输出电压，电源模块冗余主电路变压器原边电路中的MOS开关管Q1为冗余主功率开关管；
2)PWM驱动波形施加于高压侧主功率管隔离驱动冗余电路原边电路，高压侧主功率管隔离驱动冗余电路的副边驱动电路由两组完全相同的绕组并绕，得到周期和相位完全相同的驱动波形，所述副边驱动电路部分，其中一路副边绕组的二极管由光耦代替，并连接冗余主功率开关管驱动使能电路，作为备用驱动电路；
3)钳位侧去磁回路辅助功率管驱动电路利用MOS管Q6上拉电阻对PWM波取反，并利用三极管组成的推挽电路将信号电流放大，作为驱动信号输出至钳位管Q3的GS极；
4)冗余主功率开关管驱动使能电路通过检测冗余主功率开关管是否投入使用来使能相应的驱动电路。
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