CN202840949U - 单开关高电压输出开关电源 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开一种电力电子技术领域的单开关高电压输出开关电源，包括升压电路和滤波电路，升压电路与滤波电路相连，所述升压电路与输入电源的正极和负极相连；所述滤波电路为电容滤波电路，滤波电路的两端分别连接升压电路的两个输出端，并作为单开关高电压输出开关电源的输出端。本实用新型输出电压等级高，输出直流电压稳定，电路结构简单，开关应力小，电源利用率高，成本低廉，适合低直流电压输入-高直流电压输出的应用场合，如光伏发电、电动汽车和通信电源等。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种电力电子技术领域的单开关高电压输出开关电源，具体地说，涉及的是一种大于12倍压输出的直流升压开关电源。
背景技术
DC-DC升压开关电源是光伏发电、电动汽车和通信电源的重要组成部分。随着我国光伏产业、新能源汽车和通信的迅猛发展，对于DC-DC升压开关电源的需求越来越旺盛，对DC-DC升压开关电源的输出电压等级要求也越来越高。体积小、重量轻、稳定性好、安全系数高、低直流电压输入的DC-DC升压开关电源符合光伏发电、电动汽车和通信的发展要求，具有良好的应用前景。
DC-DC升压变换器为了完成较低直流电压输入-高直流电压输出，可以采用带隔离升压变压器的方案和非隔离方案。目前对于后者可以采用两种倍压方法：二级交错和二级串联。二级倍压电路将输入的低直流电压升压变换为高直流电压，电路结构简单，控制容易，成本较低，但是升压能力仍然有限，不能满足较低直流电压供电的应用场合。
与带隔离型升压变压器的方案相比，非隔离型的DC-DC变换器具有体积小，结构简单，成本低廉，电源利用率高，稳定可靠的优点。
经过对现有适合低压直流电压输入-高压直流电压输出应用场合的升压开关电源技术的检索发现，“A Bridgeless Interleaved PWM Boost Rectifier with IntrinsicVoltage-Doubler Characteristic”（Telecommunications Energy Conference,2009）中描述的二倍压DC-DC升压开关电源的输出电压等级低，功能和性能较差，很难应用于电动汽车和通信电源等应用场合。
为了完成较低直流电压输入-高直流电压输出，采用单开关高电压输出开关电路，电源利用率高，输出直流电流波幅小，供电质量高，扩大低压电源的应用场合。
综上所述，现有的低直流电压输入-高直流电压输出开关电源的输出电压等级低，不适用于光伏发电、电动汽车和通信电源等需要高电压等级输出的场合。随着实践应用的扩大，设计一种结构简单、控制简便、成本低廉、输出电压等级高的升压开关电源已成为本领域技术人员的当务之急。
实用新型内容
本实用新型的目的在于解决现有技术中的上述不足，提供一种单开关高电压输出开关电源，即三倍压单开关高电压输出开关电源，使其实现DC/DC变换。
为实现上述的目的，本实用新型所述的一种单开关高电压输出开关电源，包括依次级联的升压电路和滤波电路，其中升压电路与滤波电路相连。所述升压电路两端分别与两个电源的正极和负极相连；所述滤波电路为电容滤波电路，两端分别连接整流器的两个输出端。
所述的升压电路为单开关高电压输出开关电路：第一电解电容正极与输入电源正极相连，负极与输入电源负极相连。第一电感两端分别与输入电源正极和第一节点A相连，第二电感两端分别与第二节点B和第三节点C相连，第三电感两端分别与第四节点D和第五节点E相连。第一IGBT集电极与第五节点E相连，发射极与输入电源负极相连。第一二极管的阳极与第一节点A相连，阴极与第六节点F相连；第二二极管阳极与第六节点F相连，阴极与第七节点G相连；第三二极管阳极与第七节点G相连，阴极与输出电源正极相连；第四二极管阳极与第一节点A相连，阴极与第二节点B相连；第五二极管阳极与第三节点C相连，阴极与第四节点D相连。第二电解电容负极与输入电源负极相连，正极与第四节点D相连，第三电解电容负极与输入电源负极相连，正极与第四节点D相连。
所述的IGBT的门极接受PWM脉冲控制信号，并且使得IGBT的工作时序为：在一个开关周期内，初始时，第一IGBT开通，输入电源同时为第一电感和第二电容充电；第二电容饱和后，第一电感和第二电容同时为第二电感和第三电容充电；第三电容饱和后，第二电感和第三电容同时为第三电感充电；第一IGBT关断，第三电容和第三电感同时为第四电容充电。第二电容电压为第四电容电压的1/4,第三电容电压为第四电容电压的1/2。第一IGBT的门极接受PWM脉冲控制信号。如此循环，输出三倍压直流电压。
所述的滤波电路为电容滤波电路，第四电解电容E4正极与输出电源正极相连，负极与输出电源负极相连，第一电阻为稳定电阻与第四电容并联。
采用上述技术方案，本实用新型利用单开关高电压输出开关电路将低直流电压转换为高直流电压进行处理，制定了低直流电压输入-高直流电压输出的升压开关电源，升压电路结构简单，控制方便，可将输入的低直流电压升压处理，开关应力小，电源利用率高，输出电压稳定性好，安全系数高，能够适应电动汽车和通信电源等应用场合。本实用新型具有设计结构新颖、通用性强、成本低等优点。
附图说明
图1为本实用新型电路原理图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本实用新型的技术方案作进一步的解释，但是以下的内容不用于限定本实用新型的保护范围。
如图1所示，本实施例提供一种24V输入-385V输出的单开关高电压输出开关电源，功率等级为2.0kW，包括依次级联的升压电路1和滤波电路2，升压电路1的输出端与滤波电路2的输入端相连。
所述的升压电路1为单开关高电压输出开关电路：第一电解电容E1正极与输入电源正极P1相连，负极与输入电源负极N1相连。第一电感L1两端分别与输入电源正极P1和第一节点A相连，第二电感L2两端分别与第二节点B和第三节点C相连，第三电感L3两端分别与第四节点D和第五节点E相连。第一IGBT集电极与第五节点E相连，发射极与输入电源负极N1相连。第一二极管FRD1的阳极与第一节点A相连，阴极与第六节点F相连；第二二极管FRD2阳极与第六节点F相连，阴极与第七节点G相连；第三二极管FRD3阳极与第七节点G相连，阴极与输出电源正极P2相连；第四二极管FRD4阳极与第一节点A相连，阴极与第二节点B相连；第五二极管FRD5阳极与第三节点C相连，阴极与第四节点D相连。第二电解电容E2负极与输入电源负极N1相连，正极与第四节点D相连，第三电解电容E3负极与输入电源负极N1相连，正极与第四节点D相连。
所述的单开关高电压输出开关电路1中所述的IGBT的门极接受PWM脉冲控制信号，并且使得IGBT的工作时序为：在一个开关周期内，初始时，第一IGBTS1开通，输入电源同时为第一电感L1和第二电容E2充电；第二电容E2饱和后，第一电感L1和第二电容E2同时为第二电感L2和第三电容E3充电；第三电容E3饱和后，第二电感L2和第三电容E3同时为第三电感L3充电；第一IGBTS1关断，第三电容E3和第三电感L3同时为第四电容E4充电。第二电容E2电压为第四电容E4电压的1/4,第三电容E3电压为第四电容E4电压的1/2。第一IGBT S1的门极接受PWM脉冲控制信号。如此循环，输出三倍压直流电压。
所述的电感L1~L3为1mH。
所述的电解电容E1为铝电解电容2200μF/50V，电解电容E2为铝电解电容2200μF/200V，电容E3为铝电解电容2200μF/250V。
所述的IGBT S1为功率IGBT 400V/10A/100°C，IGBT S1的驱动脉冲根据开关电路所需的输出波形进行调节，开关频率为20kHz。
所述的二极管FRD1~FRD3为反向快速恢复型400V/50A/100°C。
所述的滤波电路2为电容滤波电路，第四电解电容E4正极与输出电源正极P2相连，负极与输出电源负极N2相连，第一电阻R1为稳定电阻与第四电解电容E4并联。
所述的电解电容E4为铝电解电容2200μF/500V。
所述的电阻R1为200kΩ，5%，2.0kW。
本实施例中，输入直流电压为24V，输出直流电压为385V。
本实施例通过以下方式进行工作：升压电路1中，IGBT S1的门极接受PWM脉冲控制信号，并且使得IGBT的工作时序为：以占空比0.67<D<1为例，如占空比为0.8时，在一个开关周期内，初始时，第一IGBT S1开通，输入电源同时为第一电感L1和第二电容E2充电；第二电容E2饱和后，第一电感L1和第二电容E2同时为第二电感L2和第三电容E3充电；第三电容E3饱和后，第二电感L2和第三电容E3同时为第三电感L3充电；第一IGBT S1关断，第三电容E3和第三电感L3同时为第四电容E4充电。第二电容E2电压为第四电容E4电压的1/4,第三电容E3电压为第四电容E4电压的1/2。第一IGBT S1的门极接受PWM脉冲控制信号。如此循环，输出三倍压直流电压。
本实用新型采用单开关高直流电压输出开关电路，将输入低直流电压升高，滤波电路进一步滤波，实现由低直流电压变换为高直流电压输出。该电路结构简单，设计新颖，巧妙地将较低直流电压转化为高直流电压进行处理，控制器设计也并不复杂，已获得仿真分析和实验初步验证。而现有的升压开关电源方案的不足之处包括：结构复杂，稳定性差，升压比低，成本较高的缺点。
尽管本实用新型的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本实用新型的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本实用新型的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本实用新型的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (4)
1.一种单开关高电压输出开关电源，包括升压电路和滤波电路，所述升压电路与所述滤波电路相连，其特征在于：
所述的升压电路为单开关高电压输出开关电路：第一电解电容正极与输入电源正极相连，负极与输入电源负极相连；第一电感两端分别与输入电源正极和第一节点A相连，第二电感两端分别与第二节点B和第三节点C相连，第三电感两端分别与第四节点D和第五节点E相连；第一IGBT集电极与第五节点E相连，发射极与输入电源负极相连；第一二极管的阳极与第一节点A相连，阴极与第六节点F相连；第二二极管阳极与第六节点F相连，阴极与第七节点G相连；第三二极管阳极与第七节点G相连，阴极与输出电源正极相连；第四二极管阳极与第一节点A相连，阴极与第二节点B相连；第五二极管阳极与第三节点C相连，阴极与第四节点D相连；第二电解电容负极与输入电源负极相连，正极与第四节点D相连，第三电解电容负极与输入电源负极相连，正极与第四节点D相连。
2.根据权利要求1所述的一种单开关高电压输出开关电源，其特征在于：所述的IGBT的门极接受PWM脉冲控制信号，并且使得IGBT的工作时序为：在一个开关周期内，初始时，第一IGBT开通，输入电源同时为第一电感和第二电容充电；第二电容饱和后，第一电感和第二电容同时为第二电感和第三电容充电；第三电容饱和后，第二电感和第三电容同时为第三电感充电；第一IGBT关断，第三电容和第三电感同时为第四电容充电；第二电容电压为第四电容电压的1/4，第三电容电压为第四电容电压的1/2；第一IGBT的门极接受PWM脉冲控制信号；如此循环，输出三倍压直流电压。
3.根据权利要求1或2所述的一种单开关高电压输出开关电源，其特征在于：所述的滤波电路为电容滤波电路，第四电解电容正极与输出电源正极相连，负极与输出电源负极相连，第一电阻为稳定电阻与第四电容并联。
4.根据权利要求1或2所述的一种单开关高电压输出开关电源，其特征在于：所述的滤波输出电源输出高直流电压。
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