專利名稱：Dc/dc全橋移相電力調(diào)壓模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及直流變換器，特別是一種電力系統(tǒng)操作電源的調(diào)壓變換裝置。
背景技術(shù)：
目前，電力系統(tǒng)中控制母線電壓大多采用降壓硅鏈來穩(wěn)壓。其原理為，控制單元檢測母線電壓并與設(shè)定值比較，當母線電壓高于(低于)設(shè)定值的上限(下限)時，控制器發(fā)出信號，驅(qū)動繼電器，通過執(zhí)行繼電器的分斷與閉合，改變硅鏈串聯(lián)的數(shù)目，從而確保母線電壓值在規(guī)定范圍內(nèi)。由于每個硅管的壓降幾乎是固定的，也就是說這種降壓方式是一種有級降壓，因而輸出電壓穩(wěn)定度差。而且，輸入輸出間的電壓差都降在硅管上，并以熱的形式損耗掉，使得硅鏈降壓方式變換效率很低。另外，這種變換方式的輸入輸出是不隔離的，只能降壓不能升壓，體積大，配置起來不靈活，應(yīng)用面窄。
隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，近幾年利用高頻脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)的開關(guān)電源逐步應(yīng)用到電力系統(tǒng)中，它是通過改變開關(guān)晶體管的導(dǎo)通時間和截止時間來控制輸出電壓，使之穩(wěn)定在預(yù)定的電壓值上。采用相應(yīng)的變換器電路和控制電路的結(jié)合，可以實現(xiàn)對電力系統(tǒng)中控制母線電壓的穩(wěn)壓控制。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有降壓方式的不足，本實用新型提供一種以帶鉗位二極管的零電壓開關(guān)PWM全橋直流變換器進行調(diào)壓的裝置。
本實用新型的DC/DC全橋移相電力調(diào)壓模塊，它包括主電路和控制電路兩個部分，主電路中設(shè)有零電壓開關(guān)PWM移相全橋電路，其特征是在所設(shè)的零電壓開關(guān)PWM移相全橋電路基礎(chǔ)上設(shè)有兩個起鉗位作用的二極管，使電路中的諧振電感上的能量在換流過程中不再與輸出電路起作用，并由諧振電感的存在，減小了開通時原邊峰值電流，使得主變壓器漏感上貯能減小，對輸出整流二極管上的尖峰電壓進行鉗位，其中，一個鉗位管二極管的陽極、與另一個鉗位管二極管的陰極接在隔直電容和諧振電感的公共節(jié)點上，而其相應(yīng)的一個鉗位管二極管的陰極接到輸入母線正端，一個鉗位管二極管的陽極接到輸入母線負端。
本實用新型具有以下優(yōu)點(1)由于采用了PWM技術(shù)，它實現(xiàn)了在輸入電壓范圍內(nèi)的無級調(diào)壓，保證了輸出電壓有較高的穩(wěn)定度，其穩(wěn)壓精度≤0.5％。
(2)由于采用自然冷卻方式，因此無可聞噪音。
(3)由于采用了鉗位拓撲，抑制了輸出整流二極管的尖峰電壓，減小了開關(guān)損耗，同時省去了輸出整流二極管的吸收電路，變換效率可高達95％，該變換器體積小，效率高，重量輕，便于運輸和維護。
(4)本裝置輸入電壓范圍寬，升壓降壓均可，而且通過內(nèi)置CPU，可方便的實現(xiàn)微機監(jiān)控及三遙。
(5)它采用了輸入輸出隔離，應(yīng)用模塊化結(jié)構(gòu)，故其配置靈活方便，應(yīng)用范圍更廣。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)中硅鏈降壓方式的電路原理圖。
圖2是本實用新型的基本原理圖。
圖3是本實用新型實施例的主電路原理圖。
圖4是圖3的控制電路原理圖。
具體實施方式
以下結(jié)合實施例及其附圖對本實用新型作進一步的說明參見附圖。
圖1給出了一種現(xiàn)有技術(shù)的結(jié)構(gòu)原理，它利用了硅堆結(jié)構(gòu)方式，由控制單元檢測控制母線A電壓，與設(shè)定值比較，獲得控制信號，驅(qū)動繼電器，通過執(zhí)行繼電器的分斷與閉合，改變硅鏈C串聯(lián)的數(shù)目，使控制母線B的電壓值穩(wěn)定在規(guī)定范圍內(nèi)。顯然，這種有級降壓以硅結(jié)的固定壓降為級差，因而直接影響到輸出電壓的穩(wěn)定度。
圖2所示為本實用新型創(chuàng)新所在的基本內(nèi)容。本實用新型的DC/DC全橋移相電力調(diào)壓模塊，它包括主電路和控制電路兩個部分，主電路中設(shè)有零電壓開關(guān)PWM移相全橋電路，如圖所示在所設(shè)的零電壓開關(guān)PWM移相全橋電路基礎(chǔ)上設(shè)有兩個起鉗位作用的二極管，使電路中的諧振電感L1上的能量在換流過程中不再與輸出電路起作用，又由于諧振電感L1的存在減小了開通時原邊峰值電流，使得主變壓器T2漏感上的貯能減小，從而鉗位了輸出整流二極管上的尖峰電壓，其中，一個鉗位管二極管D8的陽極、與另一個鉗位管二極管D27的陰極接在隔直電容C4和諧振電感L1的公共節(jié)點上，而其相應(yīng)的一個D8的陰極接到輸入母線正端M，一個D27的陽極接到輸入母線負端N。圖示A-B、B-A為滯后驅(qū)動信號端、C-D、D-C為超前驅(qū)動信號端。
圖3為本實用新型實施例的主電路，它由5個電路部分組成。分別為基本拓撲電路，全橋整流輸出電路(I框)，4個MOS管驅(qū)動單元(II框為其中之一)，輔助電源電路(III框)，輸入電源濾波器(EMI)。
其中①A是驅(qū)動信號A的輸出端，②B是驅(qū)動信號B的輸出端，③C是驅(qū)動信號C的輸出端，④D是驅(qū)動信號D的輸出端，⑨是測量電壓采樣信號輸出端，⑩是輸出電壓采樣信號輸出端，是輸出電流采樣信號輸出端。
圖3中，D43～D46分別是場效應(yīng)管M1～M4的體二極管，C3、C5、C13、C14分別是M1～M4的寄生電容或為改善零壓開通條件所外接的電容，L1是諧振電感，C4是隔直電容，T2是高頻升壓變壓器，D8、D27是鉗位二極管，D26、D28、D41、D42是輸出整流二極管，C15、C16、C35、C36和GM1是π型共模濾波電路，L3和C38平滑濾波，D34是防反沖二極管，MOS驅(qū)動電路采用了較簡單的變壓器隔離驅(qū)動的方式。輔助電源是用TOPSWITCH公司的TOP227Y芯片做成的反激式電源，該電路是較典型的反激式接法。驅(qū)動信號C和驅(qū)動信號D相差180°，互補導(dǎo)通，驅(qū)動信號A和驅(qū)動信號B相差180°，互補導(dǎo)通，驅(qū)動信號C和驅(qū)動信號D分別超前于驅(qū)動信號A和驅(qū)動信號B一個移相角，因此稱M1和M3為超前管，M2和M4為滯后管。
由于在這種零電壓電路中，光靠變壓器漏感往往不足以實現(xiàn)零電壓條件，所以通常都加有諧振電感，諧振電感的加入限制了原邊電流峰值，減小了變壓器漏感貯能，鉗位二極管D8、D27的鉗位作用使得諧振電感的能量不參與副邊的諧振，從而避免副邊整流二極管出現(xiàn)過高的電壓尖峰，可保證整流管安全運行，省去了副邊輸出整流二極管的耗能吸收電路，簡化了輸出電路，提高了變換器的變換效率。
工作時t0時刻，MOS管M1、M4開通，輸入電流流經(jīng)MOS管M1、變壓器T2、隔直電容C4、諧振電感L1、MOS管M4，輸入向副邊傳送功率；t0-t2時段，MOS管M1關(guān)斷、M4保持開通狀態(tài)，由于寄生電容或外接電容C3、C13兩端電壓不能突變，C3充電，C13放電，電流流經(jīng)寄生電容C3、C13、變壓器T2、隔直電容C4、諧振電感L1、鉗位二極管D27，MOS管M4，由于鉗位二極管D27的作用，變壓器原邊電壓開始下降；t2時刻，MOS管M3的寄生二極管自然導(dǎo)通，此時驅(qū)動信號開通MOS管M3，M3被零電壓開通。t3時刻，原邊電壓下降到零，副邊被短路，原邊不再向副邊傳送功率，負載電流靠輸出濾波電感的蓄能維持；t4時刻，關(guān)斷MOS管M4，諧振電感L1上的能量給寄生電容C5放電，C14充電；t5時刻，寄生二極管D44自然導(dǎo)通，此時開通MOS管M2，實現(xiàn)MOS管M2的零電壓開通。t6時刻，電流流向開始改變，經(jīng)MOS管M2、諧振電感L1、隔直電容C4、變壓器T2、MOS管M3返回，當原邊電流增大到副邊電流在原邊的折算值時，輸入開始重新向副邊傳送能量。這就完成了半周期中一對開通橋臂M1、M4關(guān)斷，另一對關(guān)斷橋臂M2、M3開通的轉(zhuǎn)換。同樣的，在下半個周期中，橋臂M2、M3開通一段時間后，MOS管M3先被關(guān)斷，接著MOS管M1零電壓開通，然后，MOS管M2被關(guān)斷，最后，MOS管M4零電壓開通，電流流向再次改變。這樣的周期反復(fù)進行，輸入直流電壓經(jīng)帶鉗位二極管的零電壓開關(guān)PWM全橋變換電路的變換，變成交流矩形波，再經(jīng)升壓變壓器升壓、輸出整流濾波后，再次得到平滑的直流電壓。輸出電壓采樣信號⑩、輸出電流采樣信號(12)分別被送入控制電路，經(jīng)PI調(diào)節(jié)器1(由IC3B、C22、R34、R35構(gòu)成)、PI調(diào)節(jié)器2(由IC2A、C20、R5、R6構(gòu)成)，處理過的誤差信號送入移相控制芯片UC3879的EA-腳，調(diào)節(jié)UC3879輸出驅(qū)動信號OUTA、OUTB、OUTC、OUTD間移相角度，進而控制橋臂的導(dǎo)通時間，整個電路就成了一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。
圖4所示是與圖3主電路配用的控制電路。其中，模塊的接口接端有①A是驅(qū)動信號A接于控制接口芯片IC4的OUTA；②B是驅(qū)動信號B接于控制接口芯片IC4的OUTB；③C是驅(qū)動信號C接于控制接口芯片IC4的OUTC；④D是驅(qū)動信號D接于控制接口芯片IC4的OUTD；⑤是基準參考源接于基準穩(wěn)壓器IC14的陰極；⑥是電流信號接于運放IC1A的輸出腳；⑦是電流整定信號接于CPU芯片IC15的P4.2口；⑧是電壓整定信號接于CPU芯片IC15的P4.1口；⑨是測量電壓采樣信號接于主電路輸出部分的R24的高電位端；⑩是輸出電壓采樣信號接于主電路輸出部分的R25的高電位端；是輸出電流采樣信號接于主電路輸出部分的R23的低電位端。
控制芯片IC4(UC3879)采用了Unitrode公司的移相控制芯片。其引腳功能及應(yīng)用如下參考電壓腳VREF(pin1)提供一精確的5V電壓，它由內(nèi)部短路電流所限制，當芯片工作電壓低于門檻電壓UVLO時，VREF無效；當VREF低于4.75V時，該電路也無效。通常在該腳并接一低寄生電阻和低寄生電感的電容。
誤差放大器輸出腳COMP(pin2)該腳是反饋控制增益級的輸出端。當該腳電壓低于0.9V時，輸出移相角為零。由于誤差放大器有一個相對低驅(qū)動能力，在驅(qū)動一個過低的阻抗時，可能會出現(xiàn)過載。
誤差放大器反相輸入端EA-(pin3)該腳一般接反饋電壓。同時在該端與輸出端COMP之間接一補償電路。
電流檢測端CS(pin4)該腳是電流比較器的同相輸入端。其反相輸入端在內(nèi)部設(shè)置成2.0V或2.5V。當該腳超過2.0V時，誤差放大器輸出電壓將超過RAMP端的電壓，過流比較器將限制移在一個基本的值上。當該腳電壓超過2.5V時，輸出被關(guān)斷，軟啟動腳被拉至零。如果在該腳加入超過2.5V的直流電壓時，四個移相輸出端被關(guān)閉，并重新開始軟啟動。當CS端的電壓低于2.5V時，在SS端電壓開始上升前，開始以0度移相角輸出，即脈寬為0。
輸出驅(qū)動的死區(qū)控制腳DELAYSETC-D(pin5)/DELAYSETA-B(pin15)在同一橋臂的一對開關(guān)管斷開和開通間設(shè)置延時時間以防止一個橋臂的直通。在該引腳與信號地之間并接一個電阻和電容，就可以設(shè)置不同的死區(qū)時間。
軟啟動腳SS(pin6)在該腳與地之間連接一電容，可以設(shè)置軟啟動時間，使全橋變換器地脈寬從0開始慢慢增大。當VIN腳地電壓低于UVLO門檻電壓，該腳的電壓保持為零電壓。當VIN和VREF有效時，該腳的電壓由內(nèi)部9uA的電流源拉升到4.8V。當電流檢測端的電壓超過2.5V時，該腳電壓也為零。
輸出腳OUTA～OUTD(pin7、pin8、pin12、pin13)這四個輸出腳都是圖騰柱輸出，提供100mA的驅(qū)動電流，可以直接驅(qū)動場效應(yīng)管。每對中的兩個輸出占空比為50％。C-D對用以驅(qū)動全橋電路的超前橋臂的開關(guān)管，且與時鐘信號同步。A-B對則驅(qū)動全橋電路滯后橋臂的開關(guān)管，它們相對于C-D對輸出信號移相了一定的角度。
輸出級電源電壓VC(pin9)該腳為輸出級及其相關(guān)的偏置電路提供電源。在該腳與電源地PWRGND之間應(yīng)連接一個低ESR/ESL(低寄生電阻/寄生電感)的電容。
信號級電源電壓VIN(pin10)該腳為芯片內(nèi)部邏輯與模擬電路提供電源。正常工作時應(yīng)在該腳接入一穩(wěn)定的符合芯片要求的電壓。為了確保工作正常，在VIN低于UVLO門檻電壓時，芯片不工作。在該腳與GND之間應(yīng)連接一低ESR/ESL的電容。
電源地PWRGND(pin11)在電源VC引腳和PWRGND間接低ESR/ESL地旁路電容。
振蕩頻率設(shè)置腳CT(pin14)當選擇好RT以確定最大占空比后，可用下式確定CT以選擇所需地開關(guān)頻率CT=Dmax1.08×RT×f]]>其中f為要設(shè)置的開關(guān)頻率，Dmax為最大占空比。
為了保證較高的精度和減少寄生分布的影響，該容值不能低于200pF，PWM控制信號地最高頻率可達600KHz。
UVLO開門電壓設(shè)置腳UVSEL(pin16)該腳為VIN地欠壓鎖定輸出設(shè)置腳。將該腳與VIN相連，可設(shè)置有1.5V遲滯地10.75V開門電壓；如果將該腳開路，則設(shè)置有6V遲滯地15.25V開門電壓。
時鐘信號/同步信號占空比設(shè)置腳RT(pin18)UC3879振蕩器產(chǎn)生一鋸齒波，鋸齒波的上升邊由連接在RT與GND之間的電阻和連接在CT與GND之間的電容來決定。鋸齒波的下降邊由輸出死區(qū)時間決定。RT的選擇由所需的最大占空比來決定RT=2.510mA×(1-Dmax)]]>鋸齒波電壓端RAMP(pin19)該引腳是PWM比較器的輸入腳。如果是電壓控制型，則將它連接在CT腳；如果是電流型，則將它連接在CS端，同時將它連接到電流檢測變換電路的輸出端。鋸齒波的斜率補償由從CT腳到RAMP的電壓來決定。
信號地GND(pin20)所有電壓都是相對于GND測量的。
IV框所示為均流電路，其IC3(UC3902)是Unitrode公司的自主均流芯片，電路接法采用了Unitrode公司提供的器件資料中的典型接法。其中P端接到另一臺模塊的均流母線正節(jié)點，Q端接到另一臺模塊的均流母線負節(jié)點。
V框所示為中心控制器，IC15為內(nèi)置CPU部分，采用的是TI公司的MCS430F149。LM35是溫度感應(yīng)器，TL431是基準電壓源。
具體實施中，利用了MOS管本身的寄生二極管，采用MOS管雙管并聯(lián)的方式，以增加通流量。該實施例是220V15A的自然冷卻的調(diào)壓模塊，輸入電壓范圍為180～300Vdc，輸出電壓范圍210～232Vdc，輸出額定電流15A，穩(wěn)壓精度≤0.5％。
權(quán)利要求1.一種DC/DC全橋移相電力調(diào)壓模塊，它包括主電路和控制電路兩個部分，主電路中設(shè)有零電壓開關(guān)PWM移相全橋電路，其特征是在所設(shè)的零電壓開關(guān)PWM移相全橋電路基礎(chǔ)上設(shè)有兩個起鉗位作用的二極管，使電路中的諧振電感(L1)上的能量在換流過程中不再與輸出電路起作用，并由諧振電感(L1)的存在，減小了開通時原邊峰值電流，使得主變壓器(T2)漏感上貯能減小，對輸出整流二極管上的尖峰電壓進行鉗位，其中，一個鉗位管二極管的(D8)陽極、與另一個鉗位管二極管(D27)的陰極接在隔直電容(C4)和諧振電感(L1)的公共節(jié)點上，而其相應(yīng)的一個鉗位管二極管(D8)的陰極接到輸入母線正端(M)，一個鉗位管二極管(D27)的陽極接到輸入母線負端(N)。
專利摘要本實用新型公開了一種電路裝置模塊。DC/DC全橋移相電力調(diào)壓模塊，包括主電路和控制電路兩個部分，主電路中設(shè)有零電壓開關(guān)PWM移相全橋電路，其中設(shè)有兩個起鉗位作用的二極管，使電路中的諧振電感上的能量在換流過程中不再與輸出電路起作用，并由諧振電感的存在，減小了開通時原邊峰值電流，使得主變壓器漏感上貯能減小，對輸出整流二極管上的尖峰電壓進行鉗位，一個鉗位管二極管的陽極、與另一個鉗位管二極管的陰極接在隔直電容和諧振電感的公共節(jié)點上，而其相應(yīng)的一個鉗位管二極管的陰極接到輸入母線正端，一個鉗位管二極管的陽極接到輸入母線負端。實現(xiàn)了無級調(diào)壓和模塊結(jié)構(gòu)化，穩(wěn)壓精度≤0.5％。該模塊用作電力系統(tǒng)操作電源的調(diào)壓變換裝置。
文檔編號H02M3/04GK2691158SQ200320109339
公開日2005年4月6日 申請日期2003年10月27日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月27日
發(fā)明者范德育 申請人:杭州中恒電氣股份有限公司