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CN101958649A - 一种谐振型稳流电源装置 - Google Patents

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Abstract

一种谐振型稳流电源装置属于电源技术领域。其目的是提供一种能够提高稳流电源的开关频率、功率密度及效率，降低开关电流谐波的谐振型稳流电源装置。包括有源功率因数校正电路或输入整流滤波电路(1)、谐振电路(2)、变压器及输出电路(3)和电流传感器(5)及控制电路(4)，谐振电路为串联谐振拓扑结构电路，谐振电容(2-6)、谐振电感(2-5)及变压器(3-1)串联在该拓扑结构电路的输出回路。相对于目前采用的PWM及移相调制技术，本发明提高了稳流电源的开关频率、功率密度及效率，使开关电流由“似方波”变为“似正弦波”，从而降低了开关电流的谐波。特别适合于10kW以下的中小功率稳流电源。

Description

一种谐振型稳流电源装置
技术领域
本发明属于电源技术领域，特别涉及粒子加速器装置中的磁铁稳流电源技术。
背景技术
在粒子加速器装置中，广泛使用二、四、六极磁铁、校正磁铁、螺线管等，以实现对束流的控制。目前磁铁稳流电源中，大功率的多采用斩波器方式，中小功率的多采用ZVS(零电压开关)移相PWM(脉冲宽度调制)技术，开关电流波形类似方波，开关频率一般只有几十KHz。近年来谐振电源如LLC谐振型拓扑在通讯电源、液晶电视电源等领域得到逐步应用，使电源开关频率、功率密度及效率得到进一步提高，但目前仍没有采用FM方式的谐振型磁铁稳流电源。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够提高稳流电源的开关频率、功率密度及效率，降低开关电流谐波的谐振型稳流电源装置。
本发明的技术方案是，一种谐振型稳流电源装置，包括有源功率因数校正电路或输入整流滤波电路、谐振电路、变压器及输出电路和电流传感器及控制电路，所述谐振电路为串联谐振拓扑结构电路，谐振电感、谐振电容和输出变压器的初级串联在拓扑结构电路的输出回路。
上述串联谐振拓扑结构电路，为半桥方式，由两个MOS管和两个桥臂电容构成；两个MOS管和两个桥臂电容分别串联后，一起并联在有源功率因数校正电路或输入整流滤波电路的输出端。
上述串联谐振拓扑结构电路，为全桥方式，由四个MOS管构成；四个MOS管两两串联后，一起并联在有源功率因数校正电路或输入整流滤波电路的输出端。
其技术效果是：本发明由于采用串联谐振拓扑，其串联谐振电路的电流增益可以大于1，对电压的增益小于1，故适合了磁铁稳流电源低压大电流的特点；且由于损耗小，电源能够以很高的工作频率工作，结合谐振变换器和频率调制(FM)变换器的优点，最终能够达到很高功率密度的整机性能。相对于目前采用的PWM及移相调制技术，本发明提高了稳流电源的开关频率、功率密度及效率，使开关电流由“似方波”变为“似正弦波”，从而降低了开关电流的谐波。特别适合于10kW以下的中小功率稳流电源。
附图说明
图1是本发明的电原理框图；
图2是采用半桥式串联谐振拓扑结构的电路原理图；
图3是谐振电流波形图；
图4是采用全桥式串联谐振拓扑结构的电路原理图。
具体实施方式
如图1所示，谐振型稳流电源，包括有源功率因数校正电路或输入整流滤波电路1、谐振电路2、变压器及输出电路3和电流传感器5及控制电路4。根据稳流电源固定负载、低压大电流输出的特点，谐振电路采用串联谐振拓扑结构电路。
串联谐振拓扑结构电路可为全桥方式，也可为半桥方式。
如图2所示，本例为输出30A/30V稳流电源装置，不带有源功率因数校正电路，直接采用市电220V供电。谐振电路采用半桥式串联谐振拓扑结构电路，最低工作频率选定为137kHz，最高工作频率为500kHz。谐振电流波形参见图4。交流220V市电输入整流滤波电路1中，经过整流桥1-1、滤波电容1-2后输出直流300V电压，用于谐振电路2的输入电压。MOS管2-1、2-2分别并联有体二极管2-11、2-12，二极管作为续流二极管，组成MOS管组件，两个MOS管组件串联在一起。串联的两组MOS管组件与两个串联的桥臂电容2-7、2-8一起并联连接在整流滤波电路1的输出端，谐振电容2-6、谐振电感2-5及变压器3-1初级三者相串联后(无先后顺序)，一端连接在两个串联MOS管的中点，另一端连接在两个串联桥臂电容的中点。
MOS管2-1，2-2在驱动信号控制下，轮流导通，在两个桥臂中点之间产生交替的方波电压波形，谐振电感2-5和谐振电容2-6回路上产生形似正弦的电流波形。桥臂电容2-7和桥臂电容2-8串联分压，其中点电压为母线电压的一半，即150V。谐振电感2-5和谐振电容2-6发生谐振，在变压器3-1的初级产生高频交替的电流波形，用于向变压器3-1的次级提供能量。变压器3-1次级输出经过二极管3-2、3-3整流、电容3-4滤波后，输出给负载LOAD。
电流传感器5对输出电路中的电流进行取样，并将电流信号转换为电压信号，送到控制电路4中作为闭环的反馈电压。同时控制电路中有基准电压产生电路，和取样得到的电压信号一起决定驱动信号频率，可以调节基准电压的大小，控制MOS管的导通频率，从而控制电源的输出电流。当输出电流升高时，取样电压升高，和基准比较后，控制电源的驱动信号频率升高，从而电源的输出能力下降，使输出电流降低；当输出电流降低时，取样电压降低，和基准比较后，控制电源的驱动信号频率降低，电源的输出能力升高，使输出电流稳定。
设置控制器产生的驱动信号达到频率上限500kH时进入断续模式，即当电源工作于5A以下时，通过控制振荡发生器的“通”与“断”保持输出电流的稳定，使电源的输出可调范围下限接近于零。
电源设置过压、过流故障保护，当取样电流、电压超过设定值后，使用门电路封锁MOS管驱动输出，并具有故障记忆功能，重新加电后，可以解除故障记忆。
本电源装置工作时，测得的谐振电流波形如图3所示。
如图4所述示，本例为输出40A/50V稳流电源装置，该电源装置带有源功率因数校正电路1，把市电220V供电变换成直流400V电压，提供给后级谐振电路2。有源功率因数校正电路，主要利用BOOST电路实现有源功率因数校正。通过PFC控制芯片控制高频电感中的电流，使回路中的电压和电流具有相同的相位和波形，相当于纯阻性的负载，电源的功率因数大大提高，可以达到0.97。
谐振电路2采用全桥式串联谐振拓扑结构电路，最低工作频率选定为150kHz，最高工作频率为500kHz。
交流220V输入由整流桥1-1整流得100Hz半正弦波，该半正弦波加到高频电感1-2的输入端，同时加到控制电路4中经处理作为参考信号来确定输入电流所要求的相位和波形。输入电流通过电感1-2并经过电流取样电阻1-3返回，把实际电流波形的取样值提供给控制电路4。为了在电感1-2上达到平均的100Hz的半正弦波电流，功率开关管1-4以80kHz的频率进行开和关，而每个半正弦周期中瞬时输入电压改变较慢，如果能在短时期内准确地控制高频开关的占空比，那么在此周期内，可以使电感1-2上的电流跟随半正弦波电压信号的波形和相位，使后面的电路等效为一个纯电阻负载。
MOS管2-1～2-4分别并联有体二极管2-11～2-14，二极管作为续流二极管，构成MOS管组件。每两组MOS管串联后，一起并联在有源功率因数校正电路1的输出端，谐振电感2-5、谐振电容2-6及变压器初级3-1三者相串联后(无先后顺序)，两端分别连接在两组串联MOS管的中点。
MOS管2-1、2-2、2-3、2-4在驱动信号控制下，轮流导通，在两个桥臂中点之间产生交替的电压波形，谐振电感2-5和谐振电容2-6回路上产生形似正弦的电流波形。谐振电感2-5和谐振电容2-6发生谐振，在变压器3-1的初级产生高频交替的电流波形，用于向变压器3-1的次级提供能量。变压器3-1次级输出经过二极管3-2、3-3整流、电容3-4滤波后，输出给负载LOAD。
电流传感器5对输出电路中的电流进行取样，并将电流信号转换为电压信号，送到控制电路4中作为电流闭环的反馈。同时控制电路中有基准电压产生电路，和取样得到的电压信号一起决定驱动信号频率，可以调节基准电压的大小，控制MOS管的导通频率，从而控制电源的输出电流。当输出电流升高时，取样电压升高，和基准比较后，控制电源的驱动信号频率升高，从而电源的输出能力下降，输出电流降低；当输出电流降低时，取样电压降低，和基准比较后，控制电源的驱动信号频率降低，电源的输出能力升高，使输出电流稳定。
设置控制器产生的驱动信号达到频率上限500kH时进入断续模式，即当电源工作于8A以下时，通过控制振荡发生器的“通”与“断”保持输出电流的稳定，使电源的输出的可调范围下限接近于零。
电源设置过压、过流故障保护，当取样电流、电压超过设定值后，使用门电路封锁MOS管驱动输出，并具有故障记忆功能，重新加电后，可以解除故障记忆。

Claims (5)

1.一种谐振型稳流电源装置，包括有源功率因数校正电路或输入整流滤波电路(1)、谐振电路(2)、变压器及输出电路(3)和电流传感器(5)及控制电路(4)，其特征在于：所述谐振电路(2)为串联谐振拓扑结构电路，谐振电容(2-6)、谐振电感(2-5)及变压器(3-1)串联在该拓扑结构电路的输出回路。
2.根据权利要求1所述的一种谐振型稳流电源装置，其特征在于：所述串联谐振拓扑结构电路为半桥方式，由两个MOS管和两个桥臂电容构成，两个MOS管(2-1、2-2)和两个桥臂电容(2-7、2-8)分别串联后，一起并联在有源功率因数校正电路或输入整流滤波电路(1)的输出端。
3.根据权利要求1所述的一种谐振型稳流电源装置，其特征在于：所述串联谐振拓扑结构电路为全桥方式，由四个MOS管构成，四个MOS管(2-1、2-2、2-3、2-4)两两串联后，一起并联在有源功率因数校正电路或输入整流滤波电路(1)的输出端。
4.根据权利要求1所述的一种谐振型稳流电源装置，其特征在于：所述电流传感器(5)为霍尔传感器或零磁通传感器。
5.根据权利要求1所述的一种谐振型稳流电源装置，其特征在于：所述控制电路(4)采用电流闭环
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PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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