CN110798073A - 一种宽电压范围输出电流馈电变换器 - Google Patents

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刘贺
付明
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Abstract

本发明提供一种宽电压范围输出电流馈电变换器，包括：原边功率电路、第一副边整流电路、第二副边整流电路和切换开关电路，所述原边功率电路通过主功率变压器连接至所述第一副边整流电路和第二副边整流电路，所述第一副边整流电路和第二副边整流电路分别与所述切换开关电路相连接，所述切换开关电路通过控制开关状态来调整输出端为串联或并联。本发明所述切换开关电路通过控制开关状态来调整输出端为串联或并联，串联时输出高压小电流，并联时输出低压大电流，进而满足变换器的宽电压范围输出需求，并且，本发明电路设计中主功率开关管、变压器及交流电感等元器件的电压电流应力都比较小，因此还能够有效提高电源的功率密度和效率。

Description

一种宽电压范围输出电流馈电变换器
技术领域
本发明涉及一种变换器，尤其涉及一种宽电压范围输出电流馈电变换器。
背景技术
宽电压范围输出电源要求变换器输出电压能够在极宽的范围内连续调整，目前根据调制方式的不同，大致可分为脉宽调制（PWM）型拓扑和频率调制型（PFM）型拓扑。PWM型拓扑通过占空比的调整可以实现电压宽范围调整，如传统buck、boost、buck-boost及其衍生隔离拓扑等。该类拓扑一般在输出最大电压时输出最大功率。当宽电压范围输出电源要求该类拓扑在小电压输出最大功率时，由于电流较大占空比极小，电流有效值较大，该类拓扑效率较低，而且元器件的电压应力与电流应力都比较大从而导致需选用较大体积的变压器、电感以及功率开关管等，导致电源整体体积较大。其中，宽电压范围输出指的是电压输出具备高适应性，在一定范围内不同等级的电压都能应用，比如对165V-240V之间的输出电压波动均能适应，可以称为宽电压范围输出。
在PFM型拓扑中，电路中容性和感性元件构成谐振单元，通过调节频率控制谐振单元的等效阻抗从而实现变换器输出电压调整。该类拓扑一般能实现较宽范围的软开关（零电压开通ZVS或者零电流关断ZCS），效率一般较高。但是当输出电压范围较宽时，开关频率调整范围极宽，特别是在高频时，开关损耗、整流二极管反向恢复损耗、驱动损耗等急剧增加，严重影响变换器效率，因此PFM型拓扑不适用于输出电压范围较宽的场合。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是需要提供一种能够适应宽输出电压范围电源需求的电流馈电变换器。
对此，本发明提供一种宽电压范围输出电流馈电变换器，包括：原边功率电路、第一副边整流电路、第二副边整流电路和切换开关电路，所述原边功率电路通过主功率变压器连接至所述第一副边整流电路和第二副边整流电路，所述第一副边整流电路和第二副边整流电路分别与所述切换开关电路相连接，所述切换开关电路通过控制开关状态来调整输出端为串联或并联。
本发明的进一步改进在于，所述切换开关电路包括功率开关管Sa、功率开关管Sb1和功率开关管Sb2，所述功率开关管Sb2的漏极与所述第一副边整流电路相连接，所述功率开关管Sb2的源极分别与所述功率开关管Sa的漏极和所述第二副边整流电路相连接，所述功率开关管Sa的源极分别与所述第一副边整流电路和所述功率开关管Sb1的漏极相连接，所述功率开关管Sb1的源极与所述第二副边整流电路相连接。
本发明的进一步改进在于，所述第一副边整流电路包括二极管D1、二极管D2、二极管D3和二极管D4，所述二极管D1的负极和二极管D3的负极均连接至所述功率开关管Sb2的漏极，所述二极管D1的正极与所述二极管D2的负极相连接，所述二极管D3的正极与所述二极管D4的负极相连接，所述二极管D2的正极和二极管D4的正极均连接至所述功率开关管Sa的源极。
本发明的进一步改进在于，所述第一副边整流电路还包括电容Co2，所述电容Co2的一端连接至所述功率开关管Sb2的漏极，所述电容Co2的另一端连接至所述功率开关管Sa的源极。
本发明的进一步改进在于，所述第二副边整流电路包括二极管D5、二极管D6、二极管D7和二极管D8，所述二极管D5的负极和二极管D7的负极均连接至所述功率开关管Sa的漏极，所述二极管D5的正极与所述二极管D6的负极相连接，所述二极管D7的正极与所述二极管D8的负极相连接，所述二极管D6的正极和二极管D8的正极均连接至所述功率开关管Sb1的源极。
本发明的进一步改进在于，所述第二副边整流电路还包括电容Co1，所述电容Co1的一端连接至所述功率开关管Sa的漏极，所述电容Co1的另一端连接至所述功率开关管Sb1的源极。
本发明的进一步改进在于，所述原边功率电路包括功率开关管S1、功率开关管S2、功率开关管S3、功率开关管S4、交流电感LS和主功率变压器TR，所述功率开关管S1的漏极和功率开关管S3的漏极连接至输入电压的正极，所述功率开关管S2的源极和功率开关管S4的源极连接至输入电压的负极，所述功率开关管S1的源极和功率开关管S2的漏极通过所述交流电感LS连接至所述主功率变压器TR原边的一个管脚，所述功率开关管S3的源极和功率开关管S4的漏极连接至所述主功率变压器TR原边的另一个管脚，所述主功率变压器TR的两个副边绕组分别连接至所述第一副边整流电路和第二副边整流电路。
本发明的进一步改进在于，所述原边功率电路包括第一全桥开关管、第二全桥开关管、第一主功率变压器TR1和第二主功率变压器TR2，所述第一全桥开关管通过所述第一主功率变压器TR1连极至所述第一副边整流电路，所述第二全桥开关管通过所述第二主功率变压器TR2连接至所述第二副边整流电路。
本发明的进一步改进在于，还包括原边电流采样电路、第一电流内环电路和第二电流内环电路，所述第一全桥开关管通过原边电流采样电路连接至所述第一电流内环电路，所述第二全桥开关管通过原边电流采样电路连接至所述第二电流内环电路。
本发明的进一步改进在于，还包括输出电压外环电路，所述切换开关电路通过所述输出电压外环电路分别连接至所述第一电流内环电路和第二电流内环电路。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：所述切换开关电路通过控制开关状态来调整输出端为串联或并联，进而能够根据输出电压的大小将其输出调整为串联或者并联；串联时输出高压小电流，并联时输出低压大电流，进而满足变换器的宽电压范围输出需求，并且，本发明电路设计中主功率开关管、变压器及交流电感等元器件的电压电流应力都比较小，因此还能够有效提高电源的功率密度和效率。
附图说明
图1是本发明一种实施例的电路原理示意图；
图2是本发明一种实施例的波形示意图；
图3是本发明一种实施例在串联时的电路原理图；
图4是本发明一种实施例在并联时的电路原理图；
图5是本发明一种实施例对原边功率电路进行替换设计的电路原理图；
图6是本发明一种实施例对原边功率电路进行替换设计后的优化电路原理图；
图7是本发明一种实施例原边电流采样电路的电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的较优的实施例作进一步的详细说明。
如图1至图4所示，本例提供一种宽电压范围输出电流馈电变换器，包括：原边功率电路1、第一副边整流电路2、第二副边整流电路3和切换开关电路4，所述原边功率电路1通过主功率变压器连接至所述第一副边整流电路2和第二副边整流电路3，所述第一副边整流电路2和第二副边整流电路3分别与所述切换开关电路4相连接，所述切换开关电路4通过控制开关状态来调整输出端为串联或并联。
如图1所示，本例所述切换开关电路4包括功率开关管Sa、功率开关管Sb1和功率开关管Sb2，所述功率开关管Sb2的漏极与所述第一副边整流电路2相连接，所述功率开关管Sb2的源极分别与所述功率开关管Sa的漏极和所述第二副边整流电路3相连接，所述功率开关管Sa的源极分别与所述第一副边整流电路2和所述功率开关管Sb1的漏极相连接，所述功率开关管Sb1的源极与所述第二副边整流电路3相连接。
如图1所示，本例所述第一副边整流电路2包括二极管D1、二极管D2、二极管D3和二极管D4，所述二极管D1的负极和二极管D3的负极均连接至所述功率开关管Sb2的漏极，所述二极管D1的正极与所述二极管D2的负极相连接，所述二极管D3的正极与所述二极管D4的负极相连接，所述二极管D2的正极和二极管D4的正极均连接至所述功率开关管Sa的源极。
如图1所示，本例所述第一副边整流电路2还包括电容Co2，所述电容Co2的一端连接至所述功率开关管Sb2的漏极，所述电容Co2的另一端连接至所述功率开关管Sa的源极。
如图1所示，本例所述第二副边整流电路3包括二极管D5、二极管D6、二极管D7和二极管D8，所述二极管D5的负极和二极管D7的负极均连接至所述功率开关管Sa的漏极，所述二极管D5的正极与所述二极管D6的负极相连接，所述二极管D7的正极与所述二极管D8的负极相连接，所述二极管D6的正极和二极管D8的正极均连接至所述功率开关管Sb1的源极。
如图1所示，本例所述第二副边整流电路3还包括电容Co1，所述电容Co1的一端连接至所述功率开关管Sa的漏极，所述电容Co1的另一端连接至所述功率开关管Sb1的源极。
如图1所示，本例所述原边功率电路1包括功率开关管S1、功率开关管S2、功率开关管S3、功率开关管S4、交流电感LS和主功率变压器TR，所述功率开关管S1的漏极和功率开关管S3的漏极连接至输入电压的正极，所述功率开关管S2的源极和功率开关管S4的源极连接至输入电压的负极，所述功率开关管S1的源极和功率开关管S2的漏极通过所述交流电感LS连接至所述主功率变压器TR原边的一个管脚，所述功率开关管S3的源极和功率开关管S4的漏极连接至所述主功率变压器TR原边的另一个管脚，所述主功率变压器TR的两个副边绕组分别连接至所述第一副边整流电路2和第二副边整流电路3。拓扑原边只有一个全桥结构，该拓扑其实为通过“一拖二”的变压器实现两路输出。
如图1所示，本例可以根据要求输出电压的大小调整辅助开关（包括功率开关管Sa、功率开关管Sb1和功率开关管Sb2的切换开关电路4）的开关状态从而调整输出端是串联或者并联，最终获得高电压或者大电流输出的能力。当所述功率开关管Sa闭合，所述功率开关管Sb1和功率开关管Sb2断开时，所述主功率变压器TR两绕组经过整流滤波后串联输出高压，如图3所示；图3中，虚线表示的是断开的线路；而当所述功率开关管Sa断开，所述功率开关管Sb1和功率开关管Sb2闭合时，所述主功率变压器TR两绕组经过整流滤波后并联输出大电流，如图4所示；图4中，虚线表示的是断开的线路。该变换器的功率开关管S1、功率开关管S2、功率开关管S3以及功率开关管S4的驱动信号及逆变器电压VAB及变压器原边电流波形ip如图2所示。该变换器控制方式为移相控制，副边整流为电容滤波结构，输出二极管无电压尖峰，电压应力较小；同时交流电感LS工作在断续，变压器原边电流ip为三角波， 输出二极管无反向恢复损耗，因此该电源较适用于输出最大电压较高且输出电压范围较宽的场合。
本例图1所示的拓扑的主要波形如图2所示，其中图2中S1-S4为功率开关管S1、功率开关管S2、功率开关管S3以及功率开关管S4的驱动信号，VAB为图1中AB两点的电压波形，ip为交流电感LS电流波形。从图2可以看出，S1-S4（与功率开关管S1、功率开关管S2、功率开关管S3以及功率开关管S4对应）采用工作移相控制模式，S1和S2（与功率开关管S1和功率开关管S2对应）为超前桥臂开关管，S3和S4（与功率开关管S3以及功率开关管S4对应）为滞后桥臂开关管。当对角的功率开关管S1与功率开关管S4（或功率开关管S2与功率开关管S3）同时导通时，拓扑处于有源输出模式，在该阶段交流电感Ls上电压为输入电压与变压器电压之差，交流电感电流ip按斜率等比例上升；当高边开关管（功率开关管S1与功率开关管S3）或低边开关管（功率开关管S2与功率开关管S4）同时导通时，拓扑处于续流模式，在该阶段交流电感Ls上电压为变压器电压，交流电感电流ip按斜率等比例减小至零，如图2所示。图2中，t表示的是时间，T s 表示的是开关周期，D表示的是拓扑处于有源输出模式的占空比，D=2t on/T s，其中t on为拓扑处于有源输出模式的时间，D eff 表示的是等效占空比，即半个开关周期内变压器原边电流ip≥0的时间比例。
因此，本例通过控制切换开关电路4（包括功率开关管Sa、功率开关管Sb1和功率开关管Sb2）的开关管工作状态，可以使拓扑工作在串联或者并联模式，满足宽电压范围输出的要求。当拓扑工作在串联状态时，适用于高压低电流输出场合；当拓扑工作在并联状态时，适用于低压大电流输出场合。
本例还可以替换为如图5的电路设计，图5中，本发明所述原边功率电路1包括第一全桥开关管（包括功率开关管S1、功率开关管S2、功率开关管S3、功率开关管S4、交流电感LS1和主功率变压器TR1）、第二全桥开关管（包括功率开关管S5、功率开关管S6、功率开关管S7、功率开关管S8、交流电感LS2和主功率变压器TR2）、第一主功率变压器TR1和第二主功率变压器TR2，所述第一全桥开关管通过所述第一主功率变压器TR1连极至所述第一副边整流电路2，所述第二全桥开关管通过所述第二主功率变压器TR2连接至所述第二副边整流电路3。此时两个移相全桥电流馈电变换器也可以通过辅助开关（包括功率开关管Sa、功率开关管Sb1和功率开关管Sb2的切换开关电路4）的状态从而调整输出端是串联或者并联，即该拓扑原边可以替换为两个全桥结构以实现宽电压范围输出。也就是说，本例图1的“一拖二”的变压器可以替换为图5所示的“二拖二”的变换器。
需要注意的是，为确保两路移相全桥电流馈电变换器能够均流，本例优选进行双环控制，如图6所示和图7所示，包括了电流内环和电压外环，其中电流内环包括第一电流内环电路6和第二电流内环电路7，外环为输出电压环电路8，电压外环的输出作为两个变压器原边电流ip1、ip2内环的给定，因此需用电流变压器采样变压器原边电流ip1、ip2作为电流内环的反馈。值得说明的是，图6和图7所示的原边电流采样电路5、第一电流内环电路6、第二电流内环电路7和输出电压外环电路8，属于优选的电路，在实际应用中，只要分别能满足电流采样、电流内环和电压外环的相关电路都可以，因此这几个模块没有标上元器件的序号，其中，第一电流内环电路6和第二电流内环电路7所采用的控制器优选为UCC2895，即第一电流内环电路6和第二电流内环电路7优选采用UCC2895的内部放大器来实现，UCC2895的内部电路图如图6所示；而输出电压外环电路8优选采用的另一款放大器，比如LM124。
即本例还优选包括原边电流采样电路5、第一电流内环电路6、第二电流内环电路7和输出电压外环电路8，所述第一全桥开关管通过所述原边电流采样电路5连接至所述第一电流内环电路6，所述第二全桥开关管通过所述原边电流采样电路5连接至所述第二电流内环电路7；所述切换开关电路4通过所述输出电压外环电路8分别连接至所述第一电流内环电路6和第二电流内环电路7。
综上所述，本例所述切换开关电路4通过控制开关状态来调整输出端为串联或并联，进而能够根据输出电压的大小将其输出调整为串联或者并联；串联时输出高压小电流，并联时输出低压大电流，进而满足变换器的宽电压范围输出需求，并且，本发明电路设计中主功率开关管、变压器及交流电感等元器件的电压电流应力都比较小，因此还能够有效提高电源的功率密度和效率。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种宽电压范围输出电流馈电变换器，其特征在于，包括：原边功率电路、第一副边整流电路、第二副边整流电路和切换开关电路，所述原边功率电路通过主功率变压器连接至所述第一副边整流电路和第二副边整流电路，所述第一副边整流电路和第二副边整流电路分别与所述切换开关电路相连接，所述切换开关电路通过控制开关状态来调整输出端为串联或并联。
2.根据权利要求1所述的宽电压范围输出电流馈电变换器，其特征在于，所述切换开关电路包括功率开关管Sa、功率开关管Sb1和功率开关管Sb2，所述功率开关管Sb2的漏极与所述第一副边整流电路相连接，所述功率开关管Sb2的源极分别与所述功率开关管Sa的漏极和所述第二副边整流电路相连接，所述功率开关管Sa的源极分别与所述第一副边整流电路和所述功率开关管Sb1的漏极相连接，所述功率开关管Sb1的源极与所述第二副边整流电路相连接。
3.根据权利要求2所述的宽电压范围输出电流馈电变换器，其特征在于，所述第一副边整流电路包括二极管D1、二极管D2、二极管D3和二极管D4，所述二极管D1的负极和二极管D3的负极均连接至所述功率开关管Sb2的漏极，所述二极管D1的正极与所述二极管D2的负极相连接，所述二极管D3的正极与所述二极管D4的负极相连接，所述二极管D2的正极和二极管D4的正极均连接至所述功率开关管Sa的源极。
4.根据权利要求3所述的宽电压范围输出电流馈电变换器，其特征在于，所述第一副边整流电路还包括电容Co2，所述电容Co2的一端连接至所述功率开关管Sb2的漏极，所述电容Co2的另一端连接至所述功率开关管Sa的源极。
5.根据权利要求2所述的宽电压范围输出电流馈电变换器，其特征在于，所述第二副边整流电路包括二极管D5、二极管D6、二极管D7和二极管D8，所述二极管D5的负极和二极管D7的负极均连接至所述功率开关管Sa的漏极，所述二极管D5的正极与所述二极管D6的负极相连接，所述二极管D7的正极与所述二极管D8的负极相连接，所述二极管D6的正极和二极管D8的正极均连接至所述功率开关管Sb1的源极。
6.根据权利要求5所述的宽电压范围输出电流馈电变换器，其特征在于，所述第二副边整流电路还包括电容Co1，所述电容Co1的一端连接至所述功率开关管Sa的漏极，所述电容Co1的另一端连接至所述功率开关管Sb1的源极。
7.根据权利要求1至6任意一项所述的宽电压范围输出电流馈电变换器，其特征在于，所述原边功率电路包括功率开关管S1、功率开关管S2、功率开关管S3、功率开关管S4、交流电感LS和主功率变压器TR，所述功率开关管S1的漏极和功率开关管S3的漏极连接至输入电压的正极，所述功率开关管S2的源极和功率开关管S4的源极连接至输入电压的负极，所述功率开关管S1的源极和功率开关管S2的漏极通过所述交流电感LS连接至所述主功率变压器TR原边的一个管脚，所述功率开关管S3的源极和功率开关管S4的漏极连接至所述主功率变压器TR原边的另一个管脚，所述主功率变压器TR的两个副边绕组分别连接至所述第一副边整流电路和第二副边整流电路。
8.根据权利要求1至6任意一项所述的宽电压范围输出电流馈电变换器，其特征在于，所述原边功率电路包括第一全桥开关管、第二全桥开关管、第一主功率变压器TR1和第二主功率变压器TR2，所述第一全桥开关管通过所述第一主功率变压器TR1连极至所述第一副边整流电路，所述第二全桥开关管通过所述第二主功率变压器TR2连接至所述第二副边整流电路。
9.根据权利要求8所述的宽电压范围输出电流馈电变换器，其特征在于，还包括原边电流采样电路、第一电流内环电路和第二电流内环电路，所述第一全桥开关管通过原边电流采样电路连接至所述第一电流内环电路，所述第二全桥开关管通过原边电流采样电路连接至所述第二电流内环电路。
10.根据权利要求9所述的宽电压范围输出电流馈电变换器，其特征在于，还包括输出电压外环电路，所述切换开关电路通过所述输出电压外环电路分别连接至所述第一电流内环电路和第二电流内环电路。
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