CN109194144A - 一种交错并联双正激式升压电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种交错并联双正激式升压电路，包括输入滤波电路、交错正激电路及输出滤波电路，所述输入滤波电路的输入端与直流输入端连接，输入滤波电路的输出端与交错正激电路的输入端连接，交错正激电路的输出端经输出滤波电路与负载连接。本发明具有电路结构简单、可靠性高、功率密度高、效率高的优点，特别适用于直流低压输入、高压大电流输出的应用场合，能够解决在输出总功率相同情形下，交错正激技术选用开关管的额定峰值电流为单端正激变换器的一半，而且没磁通不平衡问题。在同样的纹波电流条件下，输出滤波电感值可减小一半，输出电压最大峰值越小，功率器件的电压应力也越小。

Description

一种交错并联双正激式升压电路

技术领域

本发明涉及电源设计领域，具体涉及一种交错并联双正激式升压电路。

背景技术

单端正激和推挽电路拓扑被广泛运用，但是也具有明显的缺点：单端正激变压器工作在一个象限，变压器利用率较低，且需要磁复位绕组，但不存在不平衡问题，可以选择高磁导率、低损耗的软磁铁芯。

推挽电路变压器初/次级都需分成两个绕组，加大了变压器的设计难度，且推挽电路存在不平衡现象，容易“偏磁”，解决偏磁问题，一种方法是初级采用峰值电流控制，另一种方法是采用高饱和磁感应强度的铁芯材料，这两种方法，第一种方法使电路复杂，另一种方法使变压器的体积增加；尤其是在要求功率密度和效率要求高的场合，单端正激和推挽电路已经不能满足需要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种交错并联双正激式升压电路，能够用更小的变压器得到更高的功率输出,减少功率损耗和热应力外,从而使器件的功率损耗和热应力减少。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种交错并联双正激式升压电路，包括输入滤波电路、交错正激电路及输出滤波电路，所述输入滤波电路的输入端与直流输入端连接，输入滤波电路的输出端与交错正激电路的输入端连接，交错正激电路的输出端经输出滤波电路与负载连接；

所述交错正激电路包括第一正激电路和第二正激电路，所述第一路正激电路包括变压器T101，开关管Q1，二极管D1、D5、D7，所述开关管Q1的漏级与变压器T101的第二输入端连接，所述二极管D1的阳极与开关管Q1的源极连接，二极管D1的阴极经电感L3与变压器T101的第一输入端端连接，且所述变压器T101的第一输入端与输入滤波电路的正极输出端连接，所述二极管D5的阳极与变压器T101的第一输出端连接，二极管D5的阴极与输出滤波电路的输入端连接，所述二极管D7的阳极与二极管D5的阴极连接，二极管D7的阳极与变压器T101的第二输出端连接，开关管Q1的源极与输入滤波电路的负极输出端连接。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述第二正激电路包括变压器T102，开关管Q2，二极管D2、D6、D7，所述三极管Q2的漏级与变压器的第二输入端连接，所述二极管D2的阳极与开关管Q2的源极连接，二极管D2的阴极经电感L4与变压器T102的第一输入端端连接，且所述变压器T102的第一输入端与输入滤波电路的输出端连接，所述二极管D6的阳极与变压器T102的第一输出端连接，二极管D6的阴极与二极管D7的阴极连接，开关管Q2的源极与输入滤波电路的负极输出端连接。

所述第一正激电路还包括电阻R1、R3、R5，电容C4、C5、C8，所述电阻R1的一端与开关管Q1的漏级连接，电阻R1的另一端通过电阻C4与开关管Q1的源极连接；所述电容C5与电阻R3串联后并联在二极管D5的两端；所述电阻R5与电容C8串联后并联在二极管D7的两端。

所述输入滤波电路采用EMI滤波电路，包括共模电感L1，电容C1、C2、CY1、CY2，所述电容C1和电容C2并联在共模电感L1的两输入端，所述电容CY1与电容CY2串联后并联在共模电感L1的两输出端。

所述输出滤波电路采用π型滤波电路，包括电感L2、电容C9和电容C10，所述电感L2的一端与二极管D7的阴极连接，电感L2的另一端通过电容C10与二极管D7的阳极连接，所述电容C9并联在电阻R5与电容C3的两端。

还包括用于驱动开关管Q1和开关管Q2的驱动控制电路，所述驱动控制电路包括驱动芯片N201、电压器T201，三极管V201、V202、V203、V204，二极管C201、C202 、C203、C204，所述三极管V201和三极管V203的基极通过电阻R209与驱动芯片的第一输出端连接，三极管V201的集电极与电源及二极管D201的阴极连接，二极管D201的阳极与二极管D202的阴极连接，二极管D202的阳极与三极管V203的集电极连接，三极管V203的发射极与V201的发射极连接；

所述三极管V204和三极管V202的基极通过电阻R212与驱动芯片的第二输出端连接，三极管V204的集电极与二极管D202的阳极连接，所述三极管V204的发射极与二极管V203的阴极及三极管V202的发射极连接，二极管V204的阳极与二极管D203的阴极连接，二极管D204的阴极与三极管V202的集电极连接；

所述变压器T201包括一原边绕组和两副边绕组，所述变压器T201的原边绕组的第一端经电容C210与三极管V201及二极管D201的阳极连接，其第二端经与三极管V204及二极管D203的阴极连接，变压器T201副边绕组的第一端经电阻R210与二极管Z203的阴极连接，二极管Z203的阳极与二极管Z201的阳极连接，二极管Z201的阴极与副边绕组的第二端连接，二极管Z202的阴极经电阻R211与副边绕组的第三端连接，二极管Z202的阳极与二极管Z204的阳极连接，二极管Z204的阴极与变压器T201的副边绕组的第四端连接。

由上述技术方案可知，本发明本发明所述的并联双正激式升压电路，能够解决在输出总功率相同情形下，交错正激技术选用开关管的额定峰值电流为单端正激变换器的一半，而且没磁通不平衡问题。在同样的纹波电流条件下，输出滤波电感值可减小一半，输出电压最大峰值越小，功率器件的电压应力也越小。本发明具有电路结构简单、可靠性高、功率密度高、效率高的优点，特别适用于直流低压输入、高压大电流输出的应用场合。

附图说明

图1是本发明的电路图；

图2是本发明的驱动控制电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

如图1所示，本实施例的交错并联双正激式升压电路，包括输入滤波电路1、交错正激电路2及输出滤波电路3，输入滤波电路1的输入端与直流输入端连接，输入滤波电路1的输出端与交错正激电路2的输入端连接，交错正激电路2的输出端经输出滤波电路3与负载连接；

该交错正激电路2包括第一正激电路和第二正激电路，第一路正激电路包括变压器T101，开关管Q1，二极管D1、D5、D7，开关管Q1的漏级与变压器T101的第二输入端连接，二极管D1的阳极与开关管Q1的源极连接，二极管D1的阴极经电感L3与变压器T101的第一输入端端连接，且变压器T101的第一输入端与输入滤波电路1的正极输出端连接，二极管D5的阳极与变压器T101的第一输出端连接，二极管D5的阴极与输出滤波电路3的输入端连接，二极管D7的阳极与二极管D5的阴极连接，二极管D7的阳极与变压器T101的第二输出端连接，开关管Q1的源极与输入滤波电路1的负极输出端连接。

第二正激电路包括变压器T102，开关管Q2，二极管D2、D6、D7，三极管Q2的漏级与变压器的第二输入端连接，二极管D2的阳极与开关管Q2的源极连接，二极管D2的阴极经电感L4与变压器T102的第一输入端端连接，且变压器T102的第一输入端与输入滤波电路1的输出端连接，二极管D6的阳极与变压器T102的第一输出端连接，二极管D6的阴极与二极管D7的阴极连接，开关管Q2的源极与输入滤波电路1的负极输出端连接。

第一正激电路还包括电阻R1、R3、R5，电容C4、C5、C8，电阻R1的一端与开关管Q1的漏级连接，电阻R1的另一端通过电阻C4与开关管Q1的源极连接；电容C5与电阻R3串联后并联在二极管D5的两端；电阻R5与电容C8串联后并联在二极管D7的两端。

输入滤波电路1采用EMI滤波电路，包括共模电感L1，电容C1、C2、CY1、CY2，电容C1和电容C2并联在共模电感L1的两输入端，电容CY1与电容CY2串联后并联在共模电感L1的两输出端。EMI滤波电路能阻止输入浪涌电压和尖峰电压影响电源工作，又能吸收电源高频开关噪声，以免高频噪声对母线产生干扰。

输出滤波电路3采用π型滤波电路，包括电感L2、电容C9和电容C10，电感L2的一端与二极管D7的阴极连接，电感L2的另一端通过电容C10与二极管D7的阳极连接，电容C9并联在电阻R5与电容C3的两端。该π型滤波电路能阻止输入浪涌电压和尖峰电压影响电源工作，又能吸收电源高频开关噪声，以免高频噪声对母线产生干扰，有效降低输出电压的纹波，保证负载的供电平稳。

如图2所述，本实施例采用驱动控制电路驱动开关管Q1和开关管Q2，该驱动控制电路包括驱动芯片N201、电压器T201，三极管V201、V202、V203、V204，二极管C201、C202 、C203、C204，三极管V201和三极管V203的基极通过电阻R209与驱动芯片的第一输出端连接，三极管V201的集电极与电源及二极管D201的阴极连接，二极管D201的阳极与二极管D202的阴极连接，二极管D202的阳极与三极管V203的集电极连接，三极管V203的发射极与V201的发射极连接；

三极管V204和三极管V202的基极通过电阻R212与驱动芯片的第二输出端连接，三极管V204的集电极与二极管D202的阳极连接，三极管V204的发射极与二极管V203的阴极及三极管V202的发射极连接，二极管V204的阳极与二极管D203的阴极连接，二极管D204的阴极与三极管V202的集电极连接；

变压器T201包括一原边绕组和两副边绕组，变压器T201的原边绕组的第一端经电容C210与三极管V201及二极管D201的阳极连接，其第二端经与三极管V204及二极管D203的阴极连接，变压器T201副边绕组的第一端经电阻R210与二极管Z203的阴极连接，二极管Z203的阳极与二极管Z201的阳极连接，二极管Z201的阴极与副边绕组的第二端连接，二极管Z202的阴极经电阻R211与副边绕组的第三端连接，二极管Z202的阳极与二极管Z204的阳极连接，二极管Z204的阴极与变压器T201的副边绕组的第四端连接。该驱动控制电路为推挽式隔离驱动, 增强驱动信号的驱动能力，控制芯片选用定频PWM控制器SG3525，每个驱动信号之间相互隔离，其11脚，14脚输出互补的PWM波，占空比小于50%。经过推挽电路增强驱动信号驱动能力，驱动变压器实现驱动信号原副边隔离。为保证在输入电压和输出负载变化时，输出电压稳定，采用闭环控制。在发生故障时可以快速响应，关闭电源输出。

本实施例的开关管Q1与开关管Q2的驱动信号互补，两路正激交错导通，相位相差180°互补，高频变压器T101、T102将原副边隔离，主电路为两路正激变换器在原边并联，而副边采用交错并联。并将输入的直流电压通过交错并联双正激电路，进行输出升压。二极管D1、D2是两路正激电路的复位电路，该复位电路为常用的第三绕组磁复位电路，避免磁积累而造成磁芯饱和，磁复位的作用是在开关管截止期间将磁化能量转移，耗散或返回电源。

本发明的交错正激变换式升压电路，采用两个相同的单端正激变换器的交替工作，各占半个周期，其次级电流通过整流二极管相加，通过控制开关管Q1、Q2的导通脉冲，让两开关管轮流导通。其电路工作原理如下：

当控制开关导通的脉冲PWM1高电平时，开关管Q1承受正向电压导通，直流输入电压加在变压器T101原边两端，变压器的T101的1脚与2脚之间产生感应电动势，由于同名端关系，变压器T101的1脚与变压器T101的3脚电压上正下负，二极管D5因承受正压而导通，二极管D7因承受反压而截至，能量开始向负载端传递。

当开关管Q1关断后，开关管Q2并未因此马上导通，所以在开关管Q1和Q2都关断的过程中，电感L2由于自感的原因，极性反向，使二极管D5因承受反压而关断，二极管D7正向导通，为电感电流提供续流回路，以保持输出电压、电流的稳定；

当控制开关导通的脉冲PWM2高电平时，开关管Q2导通，直流输入电压加在变压器T102原边两端，T102的1脚与2脚之间产生感应电动势，由于同名端关系，T102的1脚与T102的3脚电压上正下负，二极管D6因承受正压而导通，二极管D7因承受反压而截至，能量开始向负载端传递。同样在开关管Q2关断后开关管Q1还未导通，此时同样存在上述的情况，这里不再赘述。

本发明的交错正激变换器和单端正激变换器一样，同属正激拓扑，所以要设置磁复位回路，此电路中还是采用常用的第三绕组磁复位电路，在图中二极管D1和磁复位绕组共同构成了磁复位回路。

本发明所述的并联双正激式升压电路，能够解决在输出总功率相同情形下，交错正激技术选用开关管的额定峰值电流为单端正激变换器的一半，而且没磁通不平衡问题。两个并联单元以相位相差180°互补方式工作，具有开关管电压应力低，不存在桥臂直通的危险及可靠性高的优点，两路正激的输出滤波电路3共用一个滤波电感L2，这样输出端的脉冲频率为开关频率的2倍。在同样的纹波电流条件下，输出滤波电感值可减小一半。双路交错导通，虽然每一路的占空比为0.45，两路交错导通，在输出滤波电感上得到的是占空比为0.9的脉冲波形，输出电压最大峰值越小，功率器件的电压应力也越小。

驱动控制电路采用推挽式隔离驱动电路，增强驱动信号的驱动能力，输出电压、电流采用闭环控制，实现输出电压的稳定；所有的功率管均为N沟道MOSFET，造价低廉。本发明具有电路结构简单、可靠性高、功率密度高、效率高的优点，特别适用于直流低压输入、高压大电流输出的应用场合。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种交错并联双正激式升压电路，其特征在于：包括输入滤波电路、交错正激电路及输出滤波电路，所述输入滤波电路的输入端与直流输入端连接，输入滤波电路的输出端与交错正激电路的输入端连接，交错正激电路的输出端经输出滤波电路与负载连接；

所述交错正激电路包括第一正激电路和第二正激电路，所述第一路正激电路包括变压器T101，开关管Q1，二极管D1、D5、D7，所述开关管Q1的漏级与变压器T101的第二输入端连接，所述二极管D1的阳极与开关管Q1的源极连接，二极管D1的阴极经电感L3与变压器T101的第一输入端端连接，且所述变压器T101的第一输入端与输入滤波电路的正极输出端连接，所述二极管D5的阳极与变压器T101的第一输出端连接，二极管D5的阴极与输出滤波电路的输入端连接，所述二极管D7的阳极与二极管D5的阴极连接，二极管D7的阳极与变压器T101的第二输出端连接，开关管Q1的源极与输入滤波电路的负极输出端连接。

2.根据权利要求1所述的交错并联双正激式升压电路，其特征在于：所述第二正激电路包括变压器T102，开关管Q2，二极管D2、D6、D7，所述三极管Q2的漏级与变压器的第二输入端连接，所述二极管D2的阳极与开关管Q2的源极连接，二极管D2的阴极经电感L4与变压器T102的第一输入端端连接，且所述变压器T102的第一输入端与输入滤波电路的输出端连接，所述二极管D6的阳极与变压器T102的第一输出端连接，二极管D6的阴极与二极管D7的阴极连接，开关管Q2的源极与输入滤波电路的负极输出端连接。

3.根据权利要求1所述的交错并联双正激式升压电路，其特征在于：所述第一正激电路还包括电阻R1、R3、R5，电容C4、C5、C8，所述电阻R1的一端与开关管Q1的漏级连接，电阻R1的另一端通过电阻C4与开关管Q1的源极连接；所述电容C5与电阻R3串联后并联在二极管D5的两端；所述电阻R5与电容C8串联后并联在二极管D7的两端。

4.根据权利要求1所述的交错并联双正激式升压电路，其特征在于：所述输入滤波电路采用EMI滤波电路，包括共模电感L1，电容C1、C2、CY1、CY2，所述电容C1和电容C2并联在共模电感L1的两输入端，所述电容CY1与电容CY2串联后并联在共模电感L1的两输出端。

5.根据权利要求1所述的交错并联双正激式升压电路，其特征在于：所述输出滤波电路采用π型滤波电路，包括电感L2、电容C9和电容C10，所述电感L2的一端与二极管D7的阴极连接，电感L2的另一端通过电容C10与二极管D7的阳极连接，所述电容C9并联在电阻R5与电容C3的两端。

6.根据权利要求2所述的交错并联双正激式升压电路，其特征在于：还包括用于驱动开关管Q1和开关管Q2的驱动控制电路，所述驱动控制电路包括驱动芯片N201、电压器T201，三极管V201、V202、V203、V204，二极管C201、C202 、C203、C204，所述三极管V201和三极管V203的基极通过电阻R209与驱动芯片的第一输出端连接，三极管V201的集电极与电源及二极管D201的阴极连接，二极管D201的阳极与二极管D202的阴极连接，二极管D202的阳极与三极管V203的集电极连接，三极管V203的发射极与V201的发射极连接；

所述三极管V204和三极管V202的基极通过电阻R212与驱动芯片的第二输出端连接，三极管V204的集电极与二极管D202的阳极连接，所述三极管V204的发射极与二极管V203的阴极及三极管V202的发射极连接，二极管V204的阳极与二极管D203的阴极连接，二极管D204的阴极与三极管V202的集电极连接；

所述变压器T201包括一原边绕组和两副边绕组，所述变压器T201的原边绕组的第一端经电容C210与三极管V201及二极管D201的阳极连接，其第二端经与三极管V204及二极管D203的阴极连接，变压器T201副边绕组的第一端经电阻R210与二极管Z203的阴极连接，二极管Z203的阳极与二极管Z201的阳极连接，二极管Z201的阴极与副边绕组的第二端连接，二极管Z202的阴极经电阻R211与副边绕组的第三端连接，二极管Z202的阳极与二极管Z204的阳极连接，二极管Z204的阴极与变压器T201的副边绕组的第四端连接。