專利名稱：一種輸出可調的變結構直流開關電源的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于直流開關電源技術領域，特別涉及一種輸出寬范圍可調的直流開關電源。
背景技術：
直流開關電源在各種電子設備中得到廣泛的應用，而在一些特殊的應用領域，如電子設 備的研發(fā)和實驗室的測試電源，要求電源有較寬的輸出調節(jié)范圍，較好的穩(wěn)壓精度， 一定的 輸出功率及完善的保護功能。這類電源往往需要功率因數(shù)校正，采用PFC技術后直流電壓為 400V左右，而輸出電壓在幾十伏到幾百伏變化，后級變換器既要有升壓功能，又要有降壓功 能，同時還能實現(xiàn)隔離和較大的功率輸出，且具有恒功率要求的限制，使得開關電源系統(tǒng)的 設計及實現(xiàn)面臨極大的挑戰(zhàn)。目前寬范圍直流開關電源的研究中主要采用的方法有調頻調 寬結合的混合調制方式，改變變壓器變比的方式，改進電路結構拓寬調節(jié)范圍的方式，采用 錯相控制的方式等。而現(xiàn)有的方法中，采用變頻或諧振的方法需要改變頻率，增加了變壓器 和濾波器的設計難度；利用開關切換改變變壓器變比的方法，只是增大了電壓的調節(jié)范圍， 并不適合大電壓或大電流的場合；錯相的控制方法可以實現(xiàn)電壓調節(jié)的平滑過渡，但調節(jié)范 圍有限。
通過增加切換功率開關管改變變壓器變比，增大電壓調節(jié)范圍的電路在分布式電源系統(tǒng) 的前端變換器中得到應用，但其調壓范圍有限，不能滿足輸出較大范圍可調且具有恒功率控 制的要求，而對輸出電壓電流均在較寬范圍內變化的直流開關電源的研究尚無報道和研究。
發(fā)明內容
針對現(xiàn)有技術存在的上述不足，本發(fā)明的目的是提供一種電路結構簡單、靈活性高、成 本相對較低，并能夠實現(xiàn)輸出電壓在較寬范圍內連續(xù)可調的具有恒功率要求的直流開關電源。
本發(fā)明提供技術方案是一種輸出寬范圍可調的變結構直流開關電源，該直流開關電源包 括一個全橋直流變換器、原邊一個繞組副邊兩個繞組的高頻變壓器、兩個單相二極管整流橋、 一個低頻切換功率開關管和兩個旁路二極管。高頻變壓器的原邊連接在全橋直流變換器上， 該高頻變壓器副邊的兩個繞組各自分別和各一個單相二極管整流橋連接，在兩個單相二極管 整流橋之間及輸出之間連接了包括一個低頻切換功率開關管、兩個旁路二極管、 一個輸出濾 波電感和一個并聯(lián)在該直流開關電源輸出端的濾波電容。其中第一個單相二極管整流橋的
4TH極輸出端與輸出濾波電感相連，第二個單相二極管整流橋的負極輸出端與濾波電容的負極
相連，該單相二極管整流橋的正極輸出端通過低頻切換功率開關管與第一個單相二極管整流
橋的負極輸出端相連； 一個旁路二極管的陰極和陽極分別連接在第一個單相二極管整流橋的 負極輸出端與該低頻切換功率開關管輸入端之間的節(jié)點處與濾波電容負極的節(jié)點處；另一個 旁路二極管的陰極和陽極分別連接在第一個單相二極管整流橋的正極輸出端與輸出濾波電感 之間的節(jié)點處與第二個單相二極管整流橋的正極輸出端與該低頻切換功率開關管輸出端之間 的節(jié)點處。
相比現(xiàn)有技術，本發(fā)明具有如下有益效果-
與現(xiàn)有的寬范圍直流開關電源相比，該變結構的直流開關電源結構簡單，可實現(xiàn)輸出電 壓和電流的大范圍調節(jié)，且在輸出高電壓時能夠串聯(lián)運行，輸出大電流時能夠并聯(lián)運行，組 合方式靈活，簡化了高頻變壓器的設計。同時，該變結構的直流開關電源的切換功率開關管 和旁路二極管都工作在低頻狀態(tài)下，其成本及開關損耗都比較小，而在靈活的組合方式下， 高頻整流二極管的電壓和電流應力都比較小，提高了系統(tǒng)的效率，降低了系統(tǒng)的成本，使之 能在工業(yè)中得到廣泛的應用。
下面結合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步的說明。
圖1——本發(fā)明的變結構直流開關電源的原理圖
圖2——副邊增加一個回路的本發(fā)明的原理圖
圖3a——串聯(lián)運行時整流橋FBR1輸出電壓波形
圖3b——串聯(lián)運行時整流橋FBR2輸出電壓波形
圖3c——串聯(lián)運行時圖1的原理圖中AB兩點間的電壓波形
圖4a——并聯(lián)運行時旁路二極管Dll上的電流波形
圖4b——并聯(lián)運行時旁路二極管D12上的電流波形
圖4c——并聯(lián)運行時輸出濾波電感L上的電流波形
圖4d——并聯(lián)運行時圖1原理圖的輸出電壓波形
圖5a——輸出電壓進行調節(jié)時切換功率開關管S1的驅動信號
圖5b——輸出電壓進行調節(jié)時圖1原理圖的輸出電壓波形
具體實施例方式
參見圖1， 一種輸出寬范圍可調的變結構直流開關電源，該直流開關電源包括一個全橋直流變換器(FBC),由原邊一個繞組和副邊兩個繞組構成的高頻變壓器(Tl),兩個單相二極 管整流橋(FBR1,FBR2)、 一個低頻切換功率開關管(Sl)和兩個旁路二極管(D11,D12);高 頻變壓器(Tl)的原邊繞組(npl)連接在一個全橋直流變換器(FBC)上，高頻變壓器(Tl) 副邊的兩個繞組(nsl， ns2)，它們各自分別和各一個單相二極管整流橋(FBR1,FBR2)連接， 在兩個單相二極管整流橋(FBR1，F(xiàn)BR2)的輸出之間分別連接了包括低頻切換功率開關管(S1)、 兩個旁路二極管(D11，D12)、 一個輸出濾波電感(L)和一個并聯(lián)在該直流電源輸出端的濾波 電容(C);其中，第一個單相二極管整流橋(FBR1)的正極輸出端與輸出濾波電感(L)相連， 第二個單相二極管整流橋(FBR2)的負極輸出端與濾波電容(C)的負極相連，該單相二極管 整流橋(FBR2)的正極輸出端通過低頻切換功率開關管(S1)與第一個單相二極管整流橋(FBR1) 的負極輸出端相連； 一個旁路二極管(D12)的陰極和陽極分別連接在第一個單相二極管整流 橋(FBR1)的負極輸出端與該低頻切換功率開關管(Sl)輸入端之間的節(jié)點處與濾波電容(C) 負極的節(jié)點處；另一個旁路二極管(D11)的陰極和陽極分別連接在第一個單相二極管整流橋 (FBR1)的正極輸出端與輸出濾波電感(L)之間的節(jié)點處與第二個單相二極管整流橋(FBR2) 的正極輸出端與該低頻切換功率開關管(Sl)輸出端之間的節(jié)點處。
進一步講，所述的高頻變壓器T1的原邊繞組(npl)可以與全橋直流變換器相連，也可 以與半橋直流變換器相連，也就是圖1中的全橋直流變換器FBC可以換成半橋直流變換器。
再進一步講，為簡化高頻變壓器磁芯和繞組的設計，所述的高頻變壓器可以由兩個變壓 器組成，其原副邊各一個繞組，其中原邊繞組并聯(lián)，副邊繞組(nsl)對應于第一個高頻變壓 器，副邊繞組(ns2)對應于另一個高頻變壓器。
更進一步講，為了使該直流開關電源輸出電壓電流的調節(jié)范圍更大，在所述的高頻變壓 器的副邊增加了一個繞組(ns3)、 一個單相二極管整流橋(FBR3)、 一個低頻切換功率開關管 (S2)和兩個旁路二極管(D21,D22)(參考圖2),進一步增大輸出的調節(jié)范圍。第三個單相 二極管整流橋(FBR3)的負極輸出端與濾波電容(C)的負極相連，該單相二極管整流橋(FBR3) 的正極輸出端通過一個低頻切換功率開關管(S2)與第二個單相二極管整流橋(FBR2)的負 極輸出端相連；旁路二極管(D22)的陰極和陽極分別連接在第二個單相二極管整流橋(FBR2) 的負極輸出端與該低頻切換功率開關管(S2)輸入端之間的節(jié)點處與濾波電容(C)負極的節(jié) 點處；另一個旁路二極管(D21)的陰極和陽極分別連接在第一個單相二極管整流橋(FBR1) 的正極輸出端與輸出濾波電感(L)之間的節(jié)點處與第三個單相二極管整流橋(FBR3)的正極 輸出端與該低頻切換功率開關管(S2)輸出端之間的節(jié)點處。若需要更大的輸出調節(jié)范圍， 可依照此接法，繼續(xù)增加高頻變壓器的副邊繞組個數(shù)。
下面結合上述具體實施方式
對其變結構及工作原理作進一步的說明。參見圖l，本發(fā)明輸出寬范圍可調的變結構直流開關電源，先設定輸出電壓的閾值l， 當需要的輸出電壓大于設定的閾值電壓V。,時，切換功率開關管S1導通，副邊的兩個單相二 極管整流橋FBR1和FBR2串聯(lián)輸出，減小輸出整流二極管的電壓應力當需要的輸出電壓小 于設定的閾值電壓Va時，切換功率開關管Sl關斷,副邊的兩個單相二極管整流橋FBR1和FBR2 并聯(lián)輸出，減小輸出整流二極管的電流應力；因為輸出既可以串聯(lián)輸出，又可以并聯(lián)輸出， 相當于改變了變壓器的變比，增大了輸出的調節(jié)范圍。圖3a、圖3b、圖3c分別是本發(fā)明中 切換功率開關管Sl導通時，即副邊的兩個單相二極管整流橋FBR1和FBR2串聯(lián)輸出時，單相 二極管整流橋FBR1、單相二極管整流橋FBR2和變結構直流開關電源的輸出濾波器(L,C)之 前(圖1中AB兩點間)的電壓波形，從圖3可以看出本發(fā)明中副邊的兩個單相二極管整流橋 FBR1和FBR2的輸出電壓之和等于輸出電壓，即FBR1和FBR2為串聯(lián)輸出。圖4a、圖4b、圖 4c、圖4d分別是本發(fā)明中切換功率開關管Sl關斷時，即副邊的兩個單相二極管整流橋FBR1 和FBR2并聯(lián)輸出時，旁路二極管Dll、旁路二極管D12和輸出濾波電感L上的電流波形以及 變結構直流開關電源的輸出電壓波形，從圖4可以看出本發(fā)明中流過副邊兩個單相二極管整 流橋FBR1和FBR2的電流之和等于流過輸出濾波電感L的電流，即FBR1和FBR2為并聯(lián)聯(lián)輸 出。圖5a、圖5b分別為切換功率開關管Sl的驅動信號波形及輸出電壓的波形，從圖5可以 看出當輸出電壓的調節(jié)區(qū)間跨越設定的閾值電壓時，本發(fā)明的輸出電壓可以較快地從一個電 壓設定值變化到另一個電壓設定值，并且可以保證很好的輸出穩(wěn)定度。 圖2及本發(fā)明涉及的其他變形結構的工作原理與之相同，不再累述。 本發(fā)明僅需要一個低頻切換功率開關管，增大了輸出的調節(jié)范圍，實現(xiàn)了輸出并聯(lián)/串聯(lián) 的靈活組合，減小了輸出整流二極管的電壓電流應力，簡化了高頻變壓器的設計，有效地降 低了成本。本發(fā)明中電感、電容、變壓器及功率開關管的選擇與現(xiàn)有的直流開關電源選擇的 原則類似，故具體參數(shù)在此不作披露。
權利要求
1、一種輸出可調的變結構直流開關電源，其特征在于，該直流開關電源包括直流變換器(FBC)、高頻變壓器(T1)、至少兩個單相二極管整流橋(FBR1，F(xiàn)BR2)、一個低頻切換功率開關管(S1)和兩個旁路二極管(D11，D12)；高頻變壓器(T1)的原邊繞組(np1)連接在一個直流變換器(FBC)上，高頻變壓器(T1)副邊的兩個繞組(ns1，ns2)分別和各一個單相二極管整流橋(FBR1，F(xiàn)BR2)連接，在兩個單相二極管整流橋(FBR1，F(xiàn)BR2)的輸出之間分別連接了包括低頻切換功率開關管(S1)、兩個旁路二極管(D11，D12)、一個輸出濾波電感(L)和一個并聯(lián)在該直流開關電源輸出端的濾波電容(C)；其中，第一個單相二極管整流橋(FBR1)的正極輸出端與輸出濾波電感(L)相連，第二個單相二極管整流橋(FBR2)的負極輸出端與濾波電容(C)的負極相連，該單相二極管整流橋(FBR2)的正極輸出端通過低頻切換功率開關管(S1)與第一個單相二極管整流橋(FBR1)的負極輸出端相連；一個旁路二極管(D12)的陰極和陽極分別連接在第一個單相二極管整流橋(FBR1)的負極輸出端與該低頻切換功率開關管(S1)輸入端之間的節(jié)點處與濾波電容(C)負極的節(jié)點處；另一個旁路二極管(D11)的陰極和陽極分別連接在第一個單相二極管整流橋(FBR1)的正極輸出端與輸出濾波電感(L)之間的節(jié)點處與第二個單相二極管整流橋(FBR2)的正極輸出端與該低頻切換功率開關管(S1)輸出端之間的節(jié)點處。
2、 根據(jù)權利要求l所述的輸出可調的變結構直流開關電源，其特征在于，所述直流變換 器(FBC)為全橋直流變換器或半橋直流變換器。
3、 根據(jù)權利要求1或2所述的輸出可調的變結構直流開關電源，其特征在于，所述高頻 變壓器(Tl)由一個或兩個變壓器組成，該高頻變壓器的原副邊至少各有一個繞組，其中原 邊繞組并聯(lián)，副邊第一繞組(nsl)對應于第一個高頻變壓器，副邊繞組(ns2)對應于第二 個高頻變壓器。
4、 根據(jù)權利要求l、 2或3所述的輸出可調的變結構直流開關電源，其特征在于，所述 的高頻變壓器(Tl)的副邊可以增加一個繞組(ns3)、 一個單相二極管整流橋(FBR3)、 一個 低頻切換功率開關管(S2)和兩個旁路二極管(D21,D22);其中，第三個單相二極管整流橋(FBR3)的負極輸出端與濾波電容(C)的負極相連，該單相二極管整流橋(FBR3)的正極輸 出端通過一個低頻切換功率開關管(S2)與第二個單相二極管整流橋(FBR2)的負極輸出端 相連旁路二極管(D22)的陰極和陽極分別連接在第二個單相二極管整流橋(FBR2)的負極 輸出端與該低頻切換功率開關管(S2)輸入端之間的節(jié)點處與濾波電容(C)負極的節(jié)點處； 另一個旁路二極管(D21)的陰極和陽極分別連接在第一個單相二極管整流橋(FBR1)的正極輸出端與輸出濾波電感(L)之間的節(jié)點處與第三個單相二極管整流橋(FBR3)的正極輸出端 與該低頻切換功率開關管(S2)輸出端之間的節(jié)點處。
全文摘要
一種輸出可調的變結構直流開關電源，該電源包括有全橋直流變換器、高頻變壓器、兩個單相二極管整流橋、一個低頻切換功率開關管和兩個旁路二極管。其中低頻切換功率開關管和旁路二極管分別連接在單相二極管整流橋的正負輸出端與開關電源的輸出之間，通過對低頻切換功率開關管的控制，靈活改變輸出的方式，既可以并聯(lián)運行也可以串聯(lián)運行，是一種變結構的直流開關電源。本發(fā)明特別適合于輸出可寬范圍調節(jié)的開關電源應用領域。與現(xiàn)有的寬范圍調節(jié)技術相比，輸出電壓和電流的調節(jié)范圍更大，同時又減小了輸出整流二極管的電壓電流應力，簡化了高頻變壓器的設計，提高了效率，也有效地減小了成本。
文檔編號H02M3/24GK101534056SQ200910103630
公開日2009年9月16日 申請日期2009年4月17日 優(yōu)先權日2009年4月17日
發(fā)明者盧偉國, 周雒維, 孫鵬菊, 雄 杜, 羅全明 申請人:重慶大學