專利名稱：一種諧振型穩(wěn)流電源裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電源技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及粒子加速器裝置中的磁鐵穩(wěn)流電源技術(shù)。
背景技術(shù)：
在粒子加速器裝置中，廣泛使用二、四、六極磁鐵、校正磁鐵、螺線管等，以實現(xiàn) 對束流的控制。目前磁鐵穩(wěn)流電源中，大功率的多采用斬波器方式，中小功率的多采用 ZVS (零電壓開關(guān))移相PWM(脈沖寬度調(diào)制)技術(shù)，開關(guān)電流波形類似方波，開關(guān)頻率一般 只有幾十KHz。近年來諧振電源如LLC諧振型拓?fù)湓谕ㄓ嶋娫?、液晶電視電源等領(lǐng)域得到逐 步應(yīng)用，使電源開關(guān)頻率、功率密度及效率得到進(jìn)一步提高，但目前仍沒有采用FM方式的 諧振型磁鐵穩(wěn)流電源。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種能夠提高穩(wěn)流電源的開關(guān)頻率、功率密度及效率，降低 開關(guān)電流諧波的諧振型穩(wěn)流電源裝置。本發(fā)明的技術(shù)方案是，一種諧振型穩(wěn)流電源裝置，包括有源功率因數(shù)校正電路或 輸入整流濾波電路、諧振電路、變壓器及輸出電路和電流傳感器及控制電路，所述諧振電路 為串聯(lián)諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電路，諧振電感、諧振電容和輸出變壓器的初級串聯(lián)在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電路 的輸出回路。上述串聯(lián)諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電路，為半橋方式，由兩個MOS管和兩個橋臂電容構(gòu)成；兩 個MOS管和兩個橋臂電容分別串聯(lián)后，一起并聯(lián)在有源功率因數(shù)校正電路或輸入整流濾波 電路的輸出端。上述串聯(lián)諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電路，為全橋方式，由四個MOS管構(gòu)成；四個MOS管兩兩串 聯(lián)后，一起并聯(lián)在有源功率因數(shù)校正電路或輸入整流濾波電路的輸出端。其技術(shù)效果是本發(fā)明由于采用串聯(lián)諧振拓?fù)?，其串?lián)諧振電路的電流增益可以 大于1，對電壓的增益小于1，故適合了磁鐵穩(wěn)流電源低壓大電流的特點；且由于損耗小，電 源能夠以很高的工作頻率工作，結(jié)合諧振變換器和頻率調(diào)制(FM)變換器的優(yōu)點，最終能夠 達(dá)到很高功率密度的整機(jī)性能。相對于目前采用的PWM及移相調(diào)制技術(shù)，本發(fā)明提高了穩(wěn) 流電源的開關(guān)頻率、功率密度及效率，使開關(guān)電流由“似方波”變?yōu)椤八普也ā保瑥亩档土?開關(guān)電流的諧波。特別適合于IOkW以下的中小功率穩(wěn)流電源。


圖1是本發(fā)明的電原理框圖；圖2是采用半橋式串聯(lián)諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電路原理圖；圖3是諧振電流波形圖；圖4是采用全橋式串聯(lián)諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電路原理圖。
具體實施例方式如圖1所示，諧振型穩(wěn)流電源，包括有源功率因數(shù)校正電路或輸入整流濾波電路 1、諧振電路2、變壓器及輸出電路3和電流傳感器5及控制電路4。根據(jù)穩(wěn)流電源固定負(fù)載、 低壓大電流輸出的特點，諧振電路采用串聯(lián)諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電路。串聯(lián)諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電路可為全橋方式，也可為半橋方式。如圖2所示，本例為輸出30A/30V穩(wěn)流電源裝置，不帶有源功率因數(shù)校正電路，直 接采用市電220V供電。諧振電路采用半橋式串聯(lián)諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電路，最低工作頻率選定為 137kHz，最高工作頻率為500kHz。諧振電流波形參見圖4。交流220V市電輸入整流濾波電 路1中，經(jīng)過整流橋1-1、濾波電容1-2后輸出直流300V電壓，用于諧振電路2的輸入電壓。 MOS管2-1、2-2分別并聯(lián)有體二極管2-11、2-12，二極管作為續(xù)流二極管，組成MOS管組件， 兩個MOS管組件串聯(lián)在一起。串聯(lián)的兩組MOS管組件與兩個串聯(lián)的橋臂電容2-7、2-8 —起 并聯(lián)連接在整流濾波電路1的輸出端，諧振電容2-6、諧振電感2-5及變壓器3-1初級三者 相串聯(lián)后(無先后順序)，一端連接在兩個串聯(lián)MOS管的中點，另一端連接在兩個串聯(lián)橋臂 電容的中點。MOS管2-1，2-2在驅(qū)動信號控制下，輪流導(dǎo)通，在兩個橋臂中點之間產(chǎn)生交替的方 波電壓波形，諧振電感2-5和諧振電容2-6回路上產(chǎn)生形似正弦的電流波形。橋臂電容2-7 和橋臂電容2-8串聯(lián)分壓，其中點電壓為母線電壓的一半，即150V。諧振電感2-5和諧振 電容2-6發(fā)生諧振，在變壓器3-1的初級產(chǎn)生高頻交替的電流波形，用于向變壓器3-1的次 級提供能量。變壓器3-1次級輸出經(jīng)過二極管3-2、3-3整流、電容3-4濾波后，輸出給負(fù)載 LOAD。電流傳感器5對輸出電路中的電流進(jìn)行取樣，并將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，送 到控制電路4中作為閉環(huán)的反饋電壓。同時控制電路中有基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路，和取樣得到 的電壓信號一起決定驅(qū)動信號頻率，可以調(diào)節(jié)基準(zhǔn)電壓的大小，控制MOS管的導(dǎo)通頻率，從 而控制電源的輸出電流。當(dāng)輸出電流升高時，取樣電壓升高，和基準(zhǔn)比較后，控制電源的驅(qū) 動信號頻率升高，從而電源的輸出能力下降，使輸出電流降低；當(dāng)輸出電流降低時，取樣電 壓降低，和基準(zhǔn)比較后，控制電源的驅(qū)動信號頻率降低，電源的輸出能力升高，使輸出電流 穩(wěn)定。設(shè)置控制器產(chǎn)生的驅(qū)動信號達(dá)到頻率上限500kH時進(jìn)入斷續(xù)模式，即當(dāng)電源工作 于5A以下時，通過控制振蕩發(fā)生器的“通”與“斷”保持輸出電流的穩(wěn)定，使電源的輸出可 調(diào)范圍下限接近于零。電源設(shè)置過壓、過流故障保護(hù)，當(dāng)取樣電流、電壓超過設(shè)定值后，使用門電路封鎖 MOS管驅(qū)動輸出，并具有故障記憶功能，重新加電后，可以解除故障記憶。本電源裝置工作時，測得的諧振電流波形如圖3所示。如圖4所述示，本例為輸出40A/50V穩(wěn)流電源裝置，該電源裝置帶有源功率因數(shù)校 正電路1，把市電220V供電變換成直流400V電壓，提供給后級諧振電路2。有源功率因數(shù) 校正電路，主要利用BOOST電路實現(xiàn)有源功率因數(shù)校正。通過PFC控制芯片控制高頻電感 中的電流，使回路中的電壓和電流具有相同的相位和波形，相當(dāng)于純阻性的負(fù)載，電源的功 率因數(shù)大大提高，可以達(dá)到0. 97。諧振電路2采用全橋式串聯(lián)諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電路，最低工作頻率選定為150kHz，最
4高工作頻率為500kHz。交流220V輸入由整流橋1-1整流得IOOHz半正弦波，該半正弦波加到高頻電感 1-2的輸入端，同時加到控制電路4中經(jīng)處理作為參考信號來確定輸入電流所要求的相位 和波形。輸入電流通過電感1-2并經(jīng)過電流取樣電阻1-3返回，把實際電流波形的取樣值提 供給控制電路4。為了在電感1-2上達(dá)到平均的IOOHz的半正弦波電流，功率開關(guān)管1-4以 80kHz的頻率進(jìn)行開和關(guān)，而每個半正弦周期中瞬時輸入電壓改變較慢，如果能在短時期內(nèi) 準(zhǔn)確地控制高頻開關(guān)的占空比，那么在此周期內(nèi)，可以使電感1-2上的電流跟隨半正弦波 電壓信號的波形和相位，使后面的電路等效為一個純電阻負(fù)載。MOS管2-1 2-4分別并聯(lián)有體二極管2_11 2_14，二極管作為續(xù)流二極管，構(gòu) 成MOS管組件。每兩組MOS管串聯(lián)后，一起并聯(lián)在有源功率因數(shù)校正電路1的輸出端，諧振 電感2-5、諧振電容2-6及變壓器初級3-1三者相串聯(lián)后(無先后順序)，兩端分別連接在 兩組串聯(lián)MOS管的中點。MOS管2-1、2-2、2-3、2_4在驅(qū)動信號控制下，輪流導(dǎo)通，在兩個橋臂中點之間產(chǎn)生 交替的電壓波形，諧振電感2-5和諧振電容2-6回路上產(chǎn)生形似正弦的電流波形。諧振電 感2-5和諧振電容2-6發(fā)生諧振，在變壓器3-1的初級產(chǎn)生高頻交替的電流波形，用于向變 壓器3-1的次級提供能量。變壓器3-1次級輸出經(jīng)過二極管3-2、3-3整流、電容3-4濾波 后，輸出給負(fù)載LOAD。電流傳感器5對輸出電路中的電流進(jìn)行取樣，并將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，送 到控制電路4中作為電流閉環(huán)的反饋。同時控制電路中有基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路，和取樣得到 的電壓信號一起決定驅(qū)動信號頻率，可以調(diào)節(jié)基準(zhǔn)電壓的大小，控制MOS管的導(dǎo)通頻率，從 而控制電源的輸出電流。當(dāng)輸出電流升高時，取樣電壓升高，和基準(zhǔn)比較后，控制電源的驅(qū) 動信號頻率升高，從而電源的輸出能力下降，輸出電流降低；當(dāng)輸出電流降低時，取樣電壓 降低，和基準(zhǔn)比較后，控制電源的驅(qū)動信號頻率降低，電源的輸出能力升高，使輸出電流穩(wěn) 定。設(shè)置控制器產(chǎn)生的驅(qū)動信號達(dá)到頻率上限500kH時進(jìn)入斷續(xù)模式，即當(dāng)電源工作 于8A以下時，通過控制振蕩發(fā)生器的“通”與“斷”保持輸出電流的穩(wěn)定，使電源的輸出的 可調(diào)范圍下限接近于零。電源設(shè)置過壓、過流故障保護(hù)，當(dāng)取樣電流、電壓超過設(shè)定值后，使用門電路封鎖 MOS管驅(qū)動輸出，并具有故障記憶功能，重新加電后，可以解除故障記憶。
權(quán)利要求
一種諧振型穩(wěn)流電源裝置，包括有源功率因數(shù)校正電路或輸入整流濾波電路(1)、諧振電路(2)、變壓器及輸出電路(3)和電流傳感器(5)及控制電路(4)，其特征在于所述諧振電路(2)為串聯(lián)諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電路，諧振電容(2 6)、諧振電感(2 5)及變壓器(3 1)串聯(lián)在該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電路的輸出回路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種諧振型穩(wěn)流電源裝置，其特征在于所述串聯(lián)諧振拓?fù)?結(jié)構(gòu)電路為半橋方式，由兩個MOS管和兩個橋臂電容構(gòu)成，兩個MOS管(2-1、2-2)和兩個 橋臂電容(2-7、2-8)分別串聯(lián)后，一起并聯(lián)在有源功率因數(shù)校正電路或輸入整流濾波電路 (1)的輸出端。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種諧振型穩(wěn)流電源裝置，其特征在于所述串聯(lián)諧振拓?fù)?結(jié)構(gòu)電路為全橋方式，由四個MOS管構(gòu)成，四個MOS管(2-1、2-2、2-3、2-4)兩兩串聯(lián)后，一 起并聯(lián)在有源功率因數(shù)校正電路或輸入整流濾波電路(1)的輸出端。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種諧振型穩(wěn)流電源裝置，其特征在于所述電流傳感器(5) 為霍爾傳感器或零磁通傳感器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種諧振型穩(wěn)流電源裝置，其特征在于所述控制電路(4) 采用電流閉環(huán)。
全文摘要
一種諧振型穩(wěn)流電源裝置屬于電源技術(shù)領(lǐng)域。其目的是提供一種能夠提高穩(wěn)流電源的開關(guān)頻率、功率密度及效率，降低開關(guān)電流諧波的諧振型穩(wěn)流電源裝置。包括有源功率因數(shù)校正電路或輸入整流濾波電路(1)、諧振電路(2)、變壓器及輸出電路(3)和電流傳感器(5)及控制電路(4)，諧振電路為串聯(lián)諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電路，諧振電容(2-6)、諧振電感(2-5)及變壓器(3-1)串聯(lián)在該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電路的輸出回路。相對于目前采用的PWM及移相調(diào)制技術(shù)，本發(fā)明提高了穩(wěn)流電源的開關(guān)頻率、功率密度及效率，使開關(guān)電流由“似方波”變?yōu)椤八普也ā?，從而降低了開關(guān)電流的諧波。特別適合于10kW以下的中小功率穩(wěn)流電源。
文檔編號H02M3/338GK101958649SQ20101024674
公開日2011年1月26日 申請日期2010年7月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月30日
發(fā)明者尚雷 申請人:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)