一種高效恒流開關(guān)型電源變換器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種電源變換器，具體地說，涉及一種小體積隔離式高頻高壓輸出高 效恒流的開關(guān)型電源變換器。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，國外高壓開關(guān)直流電源比較成熟，像Spellman、Classman等高壓電源公司 已生產(chǎn)出小型化、高效化、智能化的高壓直流電源，然而價格比較昂貴，國內(nèi)直流高壓開關(guān) 電源研宄起步較晚，與先進國家相比有較大差距。尤其在高頻、高性能直流高壓開關(guān)電源方 面。目前在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中，迫切需要物美價廉，能滿足多種不同工況要求的多規(guī)格、多品種、系 列化的高質(zhì)量、高性能的高壓直流電源。我國是一個農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域需要的科學(xué)技 術(shù)非常之多，有些領(lǐng)域?qū)Ω邏褐绷麟娫醇夹g(shù)的需要十分迫切，但目前能適合農(nóng)業(yè)領(lǐng)域要求 的高壓直流電源很少，針對農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的具體情況，研宄開發(fā)多種高壓直流電源具有較強的 現(xiàn)實意義，也蘊藏著很大的商機。
[0003] 20世紀70年代世界電源史上發(fā)生了一場革命，即20Hz的開關(guān)頻率結(jié)合脈寬調(diào)制 技術(shù)（PWM)在電源領(lǐng)域的應(yīng)用。到目前為止，電源的頻率已經(jīng)達到數(shù)千赫，應(yīng)用先進的準(zhǔn)諧 振技術(shù)甚至可以達到兆赫水平。提高振蕩器輸出頻率可降低高壓變壓器、電抗器、平滑電容 器、高壓電容器等電子器件基本性能要求和結(jié)構(gòu)體積，進而縮小高壓電源體積。高頻化使高 壓電源體積大幅度的減小，輕巧便攜，實用性和使用方便性明顯得到改善。高頻帶來了很多 優(yōu)點，但同時也帶來很多難點，例如開關(guān)元器件的高頻開關(guān)損耗如何解決；高頻電路板如何 設(shè)計；以及高頻下變壓器選擇和設(shè)計等多種難點。
[0004] 隔離式高頻高電壓輸出電源變換器不僅存在著高頻帶來的問題，還存在高壓輸出 所帶來的一系列問題，例如高電壓下變壓器會產(chǎn)生很大的寄生電容、絕緣等問題在設(shè)計和 繞制工藝中如何解決；在高頻高壓下如何選擇輸出整流管等多種難題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明正是為了解決上述技術(shù)問題而設(shè)計的一種高效恒流開關(guān)型電源變換器。
[0006] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：
[0007] -種高效恒流開關(guān)型電源變換器，包括輸入濾波電路、逆變電路、輸出整流電路、 輸出濾波電路和反饋電路；其直流輸入順次經(jīng)輸入濾波電路、逆變電路、輸出整流電路和輸 出濾波電路到直流輸出，利用反饋電路進行電壓調(diào)整；輸入端為通用單端反激電路拓撲，脈 寬調(diào)制器為TI公司的LM5022 ;輸出端采用恒流限流模式，使用TI公司的LMV842運算放大 器實現(xiàn)，支持長時間短路；隔離變壓器T2次級為四路輸出，其中第一路耦合輸出225V，經(jīng)4 個穩(wěn)壓二極管D4-D7串聯(lián)穩(wěn)壓輸出給儲能電感L2 ;第二路耦合輸出225V，經(jīng)4個穩(wěn)壓二極 管D8-D11串聯(lián)穩(wěn)壓輸出給儲能電感L3 ;第三路耦合輸出50V，經(jīng)2個穩(wěn)壓二極管D12、D13 串聯(lián)穩(wěn)壓輸出給儲能電感L4 ;三路輸出經(jīng)三個儲能電感L2、L3和L4累加產(chǎn)生500V高壓輸 出。
[0008] 所述一種高效恒流開關(guān)型電源變換器，其隔離變壓器T2采用TDK公司標(biāo)準(zhǔn)型材 EPC19,材質(zhì)為PC44磁材，變壓器繞制順序是：第一層繞制初級，將次級1繞制在所有次級的 最里層，然后將次級2繞在次級1的外面，然后將次級3繞制在次級1和次級2的最外層； 然后將反饋1和反饋2通過一對絞合的導(dǎo)線來增加繞組間的耦合，在所有的次級與次級之 間，次級與反饋之間均增加一層初級。
[0009] 所述一種高效恒流開關(guān)型電源變換器，其穩(wěn)壓二極管D4-D11采用超快恢復(fù)二極 管ESH2H)，穩(wěn)壓二極管D12和D13采用超快恢復(fù)二極管SS2PH10。
[0010] 本發(fā)明一種小體積隔離式高頻高壓輸出高效恒流的開關(guān)型電源變換器，采用通用 測單端反激電路拓撲，脈寬調(diào)制器TI公司的LM5022,其外圍元器件少，控制簡單。輸出端采 用限流模式為恒流式，使用TI公司的LMV842運算放大器實現(xiàn)，支持長時間短路，此電源變 換器內(nèi)部變壓器的繞制工藝，以及輸出整流管的選擇方面，是決定此高壓輸出電源變換器 效率提升的關(guān)鍵。
[0011] 本發(fā)明的工作過程是：直流輸入先經(jīng)輸入濾波器進行濾波，再進入逆變電路，逆變 電路使高頻變壓器次級產(chǎn)生交替變換的交流電，此交流電經(jīng)過輸出端二極管整流和濾波電 路后變?yōu)橹绷鬏敵?。輸出電壓是通過輸出采樣、反饋、調(diào)整占空比來實現(xiàn)自動調(diào)整的。
[0012] 本發(fā)明與傳統(tǒng)的DC/DC變換器相比有如下優(yōu)點：
[0013] 1、高頻高壓輸出。此電源變換器輸出500V30W，頻率高達360kHz。
[0014] 2、體積小。體積僅 49mmX25. 4mmX13mm。
[0015] 3、恒流式限流。支持長時間短路，而且保護電路簡單。
[0016] 4、輸入范圍寬。此電源變換器輸入范圍15V至55V，符合GJB181中18V至50V過 欠壓浪涌要求。
[0017] 5、轉(zhuǎn)換效率高。此電源變換器輸入范圍15V至55V，輸出500V30W效率最高可達 88%〇
[0018] 6、超小的紋波。此電源變換器全范圍最大紋波小于0. 5%。
[0019] 本發(fā)明的有益效果是具有輸入范圍寬，高頻高壓輸出，效率高，體積小，恒流式保 護電路，保護效果好和電路簡潔等特點。
【附圖說明】
[0020] 圖1為本發(fā)明電路原理框圖。
[0021] 圖2為本發(fā)明電路原理圖。
[0022] 圖3為主開關(guān)管M0SFET的特性圖。
[0023] 圖4為穩(wěn)壓二極管正向?qū)娏髁飨驁D。
[0024] 圖5為穩(wěn)壓二極管反向漏電流電流流向。
[0025] 圖6為普通變壓器繞制圖。
[0026] 圖7為本發(fā)明隔離變壓器繞制圖。
【具體實施方式】
[0027] 下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。
[0028] 如圖1、圖2所示，本發(fā)明一種高效恒流開關(guān)型電源變換器，包括輸入濾波電路、逆 變電路、輸出整流電路、輸出濾波電路和反饋電路；其直流輸入順次經(jīng)輸入濾波電路、逆變 電路、輸出整流電路和輸出濾波電路到直流輸出，利用反饋電路進行電壓調(diào)整；輸入端為通 用單端反激電路拓撲，脈寬調(diào)制器為TI公司的LM5022 ;輸出端采用恒流限流模式，使用TI 公司的LMV842運算放大器實現(xiàn)，支持長時間短路；隔離變壓器T2次級為四路輸出，其中第 一路耦合輸出225V，經(jīng)4個穩(wěn)壓二極管D4-D7串聯(lián)穩(wěn)壓輸出給儲能電感L2 ;第二路耦合輸 出225V，經(jīng)4個穩(wěn)壓二極管D8-D11串聯(lián)穩(wěn)壓輸出給儲能電感L3 ;第三路耦合輸出50V，經(jīng) 2個穩(wěn)壓二極管D12、D13串聯(lián)穩(wěn)壓輸出給儲能電感L4 ;三路輸出經(jīng)三個儲能電感L2、L3和 L4累加產(chǎn)生500V高壓輸出。
[0029] 所述一種高效恒流開關(guān)型電源變換器，其隔離變壓器T2采用TDK公司標(biāo)準(zhǔn)型材 EPC19,材質(zhì)為PC44磁材，變壓器繞制順序是：第一層繞制初級，將次級1繞制在所有次級的 最里層，然后將次級2繞在次級1的外面，然后將次級3繞制在次級1和次級2的最外層； 然后將反饋1和反饋2通過一對絞合的導(dǎo)線來增加繞組間的耦合，在所有的次級與次級之 間，次級與反饋之間均增加一層初級。
[0030] 所述一種高效恒流開關(guān)型電源變換器，其穩(wěn)壓二極管D4-D11采用超快恢復(fù)二極 管ESH2H)，穩(wěn)壓二極管D12和D13采用超快恢復(fù)二極管SS2PH10。
[0031] 本實用型專利主要從主功率元器件的選擇進行優(yōu)化和變壓器的繞制工藝進行獨 特設(shè)計，帶來此高壓輸出電源變換器效率、紋波、體積等多方面的提升?！揪唧w實施方式】如 下：
[0032] 1、主功率元器件的選擇。此電源變換器主功率元器件主要是輸入端的主開關(guān)管 M0SFET和輸出端的整流二極管。
[0033] 在選擇輸入端的主開關(guān)管M0SFET時，由于開關(guān)頻率為360kHz，輸出又是低功率， 按最低的轉(zhuǎn)換效率80%可以估算出輸入最大的電流小于2A，在這些條件下就不能只注重 M0SFET同態(tài)的RDS_QN損耗，還要考慮M0SFET柵極電容充電和放電，這部分功耗也是不能忽略 的。
[0034]公式1:
[0035]
[0036] 計算公式如公式1所示，這里需要知道M0SFET柵極電容包含兩個電容：柵源電容 和柵漏電容。通常容易犯的錯誤時將M0SFET的輸入電容（CISS)當(dāng)作M0SFET總柵極電容。 確定柵極電容的正確方法是看M0SFET數(shù)據(jù)手冊中的總柵極電容（QJ。這個信息通常顯示 在任何M0SFET的電氣特性表和典型特性曲線中。此電源變換器內(nèi)部開關(guān)M0SFET選用英飛 凌的150V50A的N溝道M0SFET，表1顯示了這個M0SFET在數(shù)據(jù)手冊中的典型示例。數(shù)據(jù)手 冊表中給出的數(shù)值只是典型值，還要留意一下它們的測試條件有關(guān)：柵極電壓和漏極電壓。 這些測試條件影響著柵極電荷的值。圖3顯示同一個從圖3的曲線中選取Ves= 10V的典 型值，我們得到總柵極電荷為23nC(VDS= 100V)。利用Q=C*V關(guān)系式，我們得到柵極電容 為2. 3nF，數(shù)值與典型值相近，有的M0SFET實際使用參數(shù)遠高于典型值，這表明當(dāng)計算柵極 電容值時，總柵極電容值應(yīng)從總柵極電荷值推導(dǎo)而來。利用表1給出的M0SFET信息與圖3 對照，在VGS為10V，通過使用圖3曲線并找到10V時對應(yīng)的QG值可以得到CG的值。開關(guān) 頻率F= 360kHz和漏源電壓為100V時，由M0SFET柵極電容的充放電而產(chǎn)生的M0SFET驅(qū)動 器的功耗由公式1可以得出Pc= 82. 8mW。需要特別留意的是，公式中的電壓被取了平方。 因此減小柵極驅(qū)動電壓可以顯著減小驅(qū)動功耗。對于一些M0SFET，柵極驅(qū)動電壓超過8V至 10V并不會進一步減小M0SFET電阻（RDS_QN)。反而柵極電壓減小，也降低了交越傳導(dǎo)損耗。 [0037]表1數(shù)據(jù)手冊中柵極電荷的表示
[0038]
[0039] 管芯對柵極電容同樣也有不同程度的影