CN102891606B - 开关电源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种开关电源，其中所述开关电源包括：一反激输出单元、一线性稳压单元、一PWM信号单元和一正激输出单元；所述反激输出单元与所述正激输出单元之间分别串接有所述线性稳压单元和PWM信号单元；其中所述反激输出单元输出一反激电压信号和一反相PWM信号；所述线性稳压单元对所述反激电压信号进行稳压；所述PWM信号单元用于将所述反相PWM信号转化为一正相PWM信号；所述正激输出单元基于稳压后的所述反激电压信号和所述正相PWM信号输出正激电压信号。本发明的开关电源，通过反激环路控制、线性稳压、正激输出的方式将正反激结合起来，降低负载调整率对IGBT驱动电压的影响，并完善保护功能。

Description

开关电源

技术领域

本发明涉及一种开关电源，特别是涉及一种适用于变频器的开关电源。

背景技术

目前变频器用的小功率开关电源（尤其是50W以下的开关电源）多为单端反激式开关电源，因变频器通常需要多路隔离输出，开关电源变压器绕组呈多层机构，由于各个绕组的漏感不同，当各个绕组带载情况不同时，输出电压就会产生较大的变化。电压的波动对变频器的IGBT（绝缘栅双极型晶体管）逆变桥来说，会直接影响到IGBT开关的一致性，将导致变频器故障率上升。

目前多采用增加假负载或二次线性稳压的方式对IGBT驱动电压进行改善，但这两种方式都存在一定的不足。

适当的增加假负载，可以一定的程度上优化反激式开关电源的负载调整率，但是假负载会增加电源的额外损耗，降低电源的效率，而且假负载越大，负载调整率才能越好。由于受到开关电源效率的限制，假负载一般不能太大，电源的输出依然会随电源的负载变化有较大的波动。而且较大的电阻假负载也需要占据较大的PCB（印刷电路板）空间。

用二次线性稳压的方式可以很好的解决IGBT驱动电压波形的问题，但是多路的隔离输出需要隔离稳压电路，将导致整个开关电源器件繁多，电路复杂。而且在负载短路时，普通反激式开关电源的短路保护功能无法对线性稳压电路进行有效的保护，容易造成稳压电路失效，变频器停机甚至损害变频器电源。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中单端反激式开关电源的负载调整率影响IGBT驱动电压、无法在负载短路时为开关电源提供有效保护以及在开关电源的原边开关管短路时无法保护IGBT管的缺陷，提供一种开关电源，通过反激环路控制、线性稳压、正激输出的方式将正反激结合起来，降低负载调整率对IGBT驱动电压的影响，并完善保护功能。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：

本发明提供了一种开关电源，其特点是，所述开关电源包括：

一反激输出单元、一线性稳压单元、一PWM（脉宽调制信号）信号单元和一正激输出单元；

其中所述反激输出单元输出一反激电压信号和一反相PWM信号；

所述线性稳压单元对所述反激电压信号进行稳压；

所述PWM信号单元用于将所述反相PWM信号转化为一正相PWM信号；

所述正激输出单元基于稳压后的所述反激电压信号和所述正相PWM信号输出正激电压信号。

其中所述反激输出单元和正激输出单元均为本领域中惯用的电源输出单元，所以此处不再详细赘述。

而且本发明中所述反激输出单元输出的PWM信号和正激输出单元的PWM信号之间是反相关系，所以本发明中将反激输出单元输出的PWM信号定义为反相信号，将适合于正激输出单元的PWM信号定义为正相信号，所述PWM信号单元由反相电路构成，并实现PWM信号的反相。

较佳地，所述线性稳压单元为LDO电路（低压差线性稳压器）、自举升压电路、Buck电路（降压式变换电路）、Boost电路（开关直流升压电路）或Buck-Boost电路（降压或升压变换电路）等。

本发明中所述线性稳压单元用于稳定所述反激输出单元输出的反激电压信号，所以现有技术中任何一种可以实现稳压效果的电路均可作为本发明的线性稳压单元。

较佳地，所述PWM信号单元包括一分压电路和一反相电路，其中所述分压电路从所述反激输出单元获取反相PWM信号，所述分压电路和反相电路通过对所述反相PWM信号分压和反相获得所述正相PWM信号。

由于反激输出单元中的PWM信号的占空比一般均小于0.5，为了让正激输出单元能够正常工作，本发明中将所述反相电路对PWM信号进行反相，而且还通过分压电路来使得PWM信号能够匹配正激输出单元的PWM输入电压要求。

较佳地，所述开关电源还包括一电流限制单元，在反激电压信号的电流超过一阈值时，断开所述PWM信号单元和线性稳压单元与所述正激输出单元的电连接。

较佳地，所述电流限制单元可以采用峰值限制电路，此外所述电流限制单元还可以由闭锁电路构成。

本发明中通过电流限制单元在电流过大时，所述电流限制单元停止将所述正相PWM信号输送至所述正激输出单元，从而对所述PWM信号单元和线性稳压单元进行保护。所述峰值限制电路和闭锁电路均为现有技术中限制电流的常用电路技术，所以此处不再详细赘述。

较佳地，所述反激输出单元还包括一第一整流滤波单元，所述第一整流滤波单元用于对所述反激输出单元输出的反激电压信号整流并滤波，并输出至所述线性稳压单元。

较佳地，所述正激输出单元还包括一第二整流滤波单元，所述第二整流滤波单元用于对所述正激输出单元输出的正激电压信号整流并滤波，其中所述第二整流滤波单元将整流滤波后的所述正激电压信号维持在整流滤波前的所述正激电压信号的峰值。

本发明的积极进步效果在于：

本发明的开关电源，过反激环路控制、线性稳压、正激输出的方式将正反激结合起来，降低负载调整率对IGBT驱动电压的影响，并完善保护功能。

现有的开关电源是先进行隔离输出，然后对每路隔离输出进行线形稳压。有多少路隔离输出就有多少路线性稳压电路。电路复杂，元器件数量多，整个电路的可靠性被降低。

本发明将线形稳压放在隔离输出的前级，当负载短路时，正激输出由电流限制单元关断，前级的线形稳压电路停止输出能量。线形稳压电路就会被很好的保护起来。

此外，本发明的开关电源在原边开关管短路时，还能够有效地保护IGBT管。而且本发明将IGBT驱动电源由原来的反激输出变成正激输出，阻断其他路负载变化对IGBT驱动电压的影响。而且直接采用从反激输出借用PWM的方式进行正激输出，不需要额外的PWM发生电路。

附图说明

图1为本发明的变频器开关电源的较佳实施例的结构示意图。

图2为本发明的变频器开关电源的较佳实施例的电路结构框图。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。

如图1所示，本实施例的用于变频器的开关电源包括一反激输出单元1、一线性稳压单元2、一PWM信号单元3、一正激输出单元4和一电流限制单元5。

所述反激输出单元1分别与所述线性稳压单元2和PWM信号单元3电连接，所述线性稳压单元2和PWM信号单元3还与所述正激输出单元4电连接。

其中所述反激输出单元1和正激输出单元4均为本领域中惯用的电源输出单元，如图2所示，以Vo为反激输出单元1的反馈，从而可以为电路板主要的数字/模拟电路供电；Vo_U、Vo_V、Vo_W和Vo_N为正激输出单元4对变频器的IGBT驱动电源，Vo1和Vo2为变频器需要的其他隔离电源。

而且本实施例中所述反激输出单元1主要由变压器T1及相应匹配的外围电路构成，所述正激输出单元4同样主要由变压器T2及相应匹配的外围电路构成。其中图2中所述变压器T1的33和34脚作为反激输出单元1的输出端，即通过所述变压器T1的33和34脚输出反激电压信号。所述变压器T2通过Vo_U、Vo_V、Vo_W和Vo_N输出正激电压信号。

而且反激输出单元的副边和正激输出单元的副边都可以根据实际需要改变输出的路数，增加减少都可以。即所述正激输出单元4和反激输出单元1输出的路数可以调整，但是在正激输出和反激输出划分时应尽量注意：若负载变化较大，电压质量要求较高的一路作为反激输出，并用此路输出做反馈控制；若负载变化不大，电压质量要求较高，负载基本相同的几路输出作为正激输出；若负载变化较大，电压质量要求相对较低的几路输出，作为普通的反激输出。

所述反激输出单元1包括一第一整流滤波单元11，其中如图2所示，所述第一整流滤波单元为由二极管D28、电容C55和电容C56构成整流滤波电路。所述二极管D28、电容C55和电容C56构成整流滤波电路为本领域常用的整流滤波电路，所以此处不再详细赘述所述整流滤波电路的具体工作原理。

同样，由于所述正激输出单元4具有包括Vo_U、Vo_V、Vo_W和Vo_N的输出，而且本实施例中所述正激输出单元4包括一第二整流滤波单元41，其中二极管D19和电容C44作为Vo_U的整流滤波，即U路的IGBT驱动电源的整流滤波，二极管D20和电容C45作为Vo_V的整流滤波，即V路IGBT驱动电源的整流滤波，二极管D21和电容C46作为Vo_W的整流滤波，即W路IGBT驱动电源的整流滤波，二极管D22、电容C48作为Vo_N的整流滤波，即N路IGBT驱动电源的整流滤波。如上所述整流滤波电路结构，本实施例的所述第二整流滤波单元41能够将整流滤波后的所述正激电压信号维持在整流滤波前的所述正激电压信号的峰值。

此外本实施例中所述正激输出单元4中电阻R85、R86、R88和R89作为IGBT驱动电源输出的假负载，所述二极管D23用于去磁绕组整流。而且所述变压器T2、开关管Q9和电阻R96组成正激输出单元4中的原边回路。

本实施例的线性稳压单元2对所述变压器T1的33和34脚输出反激电压信号进行稳压。其中如图2所示，本实施例的线性稳压单元2为由三极管Q6、三端稳压管U2、电阻R73、R87、R83和R84以及电容C47、C49和C52组成的线性稳压电路。其中电阻R83和R84对反激电压信号进行分压，作为三端稳压管U2的反馈控制端，由三端稳压管U2控制三极管Q6的导通。

所以线性稳压单元2最终输出的电压U=三端稳压管U2的控制端阈值电压Vth*（R83+R84）/R84。

所述线性稳压电路为本领域惯用的稳压电路，所以此处不再详细赘述其工作流程，而且所述线性稳压单元2还可以采用任何能够实现稳压功能的稳压电路，例如LDO电路、自举升压电路、Buck电路、Boost电路或Buck-Boost电路等。

本实施例的所述PWM信号单元3用于将所述反激输出单元1输出的反相PWM信号转化为正相PWM信号。本实施例为了让正激输出单元4能够正常工作，通过将反激输出单元1输出的反相PWM信号进行反相，而且还通过分压电路来使得所述反相PWM信号能够匹配正激输出单元4的PWM输入电压要求。

所以如图2所示，本实施例的所述PWM信号单元3包括一分压电路和一反相电路。其中本实施例中二极管D24的阳极直接接到变压器T1的34脚上，从而引出反相PWM信号。即将变压器T1的线圈输出的反相PWM信号在滤波前引出，然后经二极管D24整流，产生一个只有正压的PWM信号。

然后电阻R93和R94构成的分压电路对反相PWM信号进行分压，所述驱动MOS管（金属氧化物半导体场效晶体管）Q7、电阻R81和R82构成反相电路，其中驱动MOS管Q7将反相PWM信号再次反相，与电阻R81和R82一起产生正相的PWM信号，从而正激输出单元4的开关管Q9。

本实施例的电流限制单元5用于在反激电压信号的电流超过一阈值时，所述电流限制单元5停止将所述正相PWM信号输送至所述正激输出单元4从而保护所述PWM信号单元3和线性稳压单元2。如图2所示，所述电流限制单元5包括电阻R96和R90、电容C57和三极管Q8。

采用三极管Q8作为电流限制单元5时，一旦峰值电流超过设定阈值，开关管Q9栅极被封锁拉低，开关管Q9关断。电容C57内的电量通过电阻R90和R96泻放，三极管Q8关断，开关管Q9栅极封锁被解除，再下一个导通信号到达时，开关管Q9可正常开关，正激输出电路部分能正常输出。

此外若采用闭锁电路代替三极管Q8，当峰值电流超过设定阈值时，闭锁电路将会把开关管Q9的栅极长时间拉低，只有开关电源彻底断电，重新上电才能解锁。否则正激输出部分会一直处于封锁状态。

所以通过电流限制单元5可以有效的对正激输出短路、重载等异常情况进行有效的保护。

本实施例中的反激输出单元1中反相PWM信号的最大占空比设定在0.5以下，就让正激输出单元4也能正常工作。而且正激输出单元4直接用电容滤波。电容量根据需要的输出电流及电源纹波要求决定。

即本实施例中直接采用大电容滤波的输出方式，不需要续流二极管，与LC滤波有很大的不同。最终得到的支流输出电压为：

最终直流输出电压=直流输入电压*变压器线圈匝比

根据输出电流大小，合理的确定滤波电容的容值，并在一定程度上控制PWM的最小占空比，那么变压器线圈匝比一定时，最终的直流输出电压只由直流输入电压决定。因正激电路的直流输入电压是由线形稳压电路得到，可以认为是固定的直流电压，所以会得到稳定的直流输出电压，此电压不受PWM占空比的影响，也就不会受到反激电路输出负载变化和输入电压波动的影响。另外，由于是正激工作模式，正激各路输出的负载在变化时，对其它路的电压影响很小。

本实施例中采用先进行线形稳压，再进行隔离输出的方式。只需一个线形稳压单元2就可实现稳压功能。而且本实施例将线形稳压放在隔离输出的前级，当负载短路时，正激输出的开关管Q9将被电流限制单元5关断，前级的线形稳压单元2停止输出能量，所以线形稳压单元2就会被很好的保护起来。

本实施例的开关电源可以作为变频器的比较放大电路的正负电源、风扇及继电器电源、CPU（中央处理器）及外围电路电源以及IGBT驱动电源等。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种开关电源，其特征在于，所述开关电源包括：一反激输出单元、一线性稳压单元、一PWM信号单元和一正激输出单元；

所述反激输出单元分别与所述线性稳压单元和PWM信号单元电连接，所述线性稳压单元和PWM信号单元还与所述正激输出单元电连接；

其中所述反激输出单元输出一反激电压信号和一反相PWM信号；所述线性稳压单元对所述反激电压信号进行稳压；所述PWM信号单元用于将所述反相PWM信号转化为一正相PWM信号；所述正激输出单元基于稳压后的所述反激电压信号和所述正相PWM信号输出正激电压信号，

所述PWM信号单元包括一分压电路和一反相电路，其中所述分压电路从所述反激输出单元获取反相PWM信号，所述分压电路和反相电路对所述反相PWM信号分压和反相获得所述正相PWM信号。

2.如权利要求1所述的开关电源，其特征在于，所述线性稳压单元为LDO电路、自举升压电路、Buck电路、Boost电路或Buck-Boost电路。

3.如权利要求1所述的开关电源，其特征在于，所述开关电源还包括一电流限制单元，在反激电压信号的电流超过一阈值时，所述电流限制单元停止将所述正相PWM信号输送至所述正激输出单元。

4.如权利要求3所述的开关电源，其特征在于，所述电流限制单元为峰值限制电路或闭锁电路。

5.如权利要求1所述的开关电源，其特征在于，所述反激输出单元还包括一第一整流滤波单元，所述第一整流滤波单元用于对所述反激输出单元输出的反激电压信号整流并滤波，并输出至所述线性稳压单元。

6.如权利要求1所述的开关电源，其特征在于，所述正激输出单元还包括一第二整流滤波单元，所述第二整流滤波单元用于对所述正激输出单元输出的正激电压信号整流并滤波，其中所述第二整流滤波单元将整流滤波后的所述正激电压信号维持在整流滤波前的所述正激电压信号的峰值。