CN202586757U

CN202586757U - 一种不隔离降压型直流-直流变换器

Info

Publication number: CN202586757U
Application number: CN201220253605.8U
Authority: CN
Inventors: 张黎明; 林杰
Original assignee: WUHAN YONGLI POWER SUPPLY TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: WUHAN YONGLI TECHNOLOGY CO LTD
Priority date: 2012-05-31
Filing date: 2012-05-31
Publication date: 2012-12-05
Anticipated expiration: 2022-05-31

Abstract

本实用新型公开了一种不隔离型直流-直流变换器，将一个全桥结构的直流-直流变换器等效为一个可变电阻，将该可变电阻与负载串联，该串联回路连接于输入电源与地之间，通过控制该可变电阻的阻值，使得负载端对地的分压为一个稳定的电压；该可变电阻所吸收的功率全部送给了负载，且上述可变电阻的阻值可通过该直流-直流变换器的稳压控制环路来控制。本实用新型在输出高电压大功率的应用条件下,同时具有高效率和高安全性，基本避免直通的危险。

Description

一种不隔离降压型直流-直流变换器

技术领域

本实用新型涉及直流-直流变换领域,具体涉及一种不隔离降压型直流-直流变换器。

背景技术

随着电力电子技术的进步，人们对电源设备的要求也越来越高，要求高效率及高功率密度。在不隔离的降压变换器中BUCK电路经常被采用，BUCK电路因其电路结构简单，效率较高的优点，得到了广泛的应用，尤其是在小功率的应用场合。但在大功率高输入输出电压的应用条件下，BUCK电路有其局限性，其一为该电路在大功率应用中，效率还不够高，一般其效率达到94%左右就不错了，其二还有一个令人担忧的危险，担心因为功率开关的损坏或者控制电路的损坏所导致的电路直通，使得输出电压大幅上升而导致用电设备的损坏。

BUCK电路的构成为：输入电源加在电子开关上，电子开关的一端接输出电感及续流二极管的负极，续流二极管的正极接地，输出电感的另一端接输出滤波电容C1，输出电感与滤波电容C1的相接点即为BUCK电路的输出。其电路原理示意图参见图1，其工作过程为:控制器根据输出稳压的要求，产生PWM控制信号，控制电子开关的工作，电子开关导通时，由电源给输出电感储能，并给输出电容充电及给负载供电，电子开关关断时，二极管续流由输出电感以所储存的能量和输出滤波电容共同给负载供电。由BUCK电路的上述结构及工作原理可见，BUCK电路在变换中要处理所输出的全部功率，其电子开关的开关损耗、电感的损耗及续流二极管的损耗，都与这个全功率相关，因此其效率很难做得很高。另外，因BUCK电路是由输入电源经串联电子开关的PWM调制后，不隔离直接输出的，当电子开关意外击穿时，更多的可能是因为控制电路失效时，由于是直接驱动，而导致电子开关直通的情况出现，此时将出现灾难性的后果，输入电压直接加在负载上，使得所供电的设备损坏。这是每个要采用BUCK电路的应用环境必须要关注的问题，尤其是在高输出电压，高输出功率的条件下更应考虑的问题。也正是因为这个安全因素，在有不少大功率高输出电压的应用中，人们不得不放弃采用该电路，使得BUCK电路在此类应用中受到较大的影响。

实用新型内容

为了克服现有BUCK电路在输出高电压大功率时存在的问题，本实用新型提出一种不隔离降压型直流-直流变换器，在输出高电压大功率的应用条件下,同时具有高效率和高安全性，基本避免直通的危险。

一种不隔离降压型直流-直流变换器，包括：分别反向并联有二极管的第一～第四电子开关器件S₁～S₄，第一、二谐振电容C₁、C₂，滤波电容C₁₀，隔直电容C₃，谐振电感L₁，高频变压器T₁，第一、二整流二极管D₁、D₂，输出滤波电感L₂，输出滤波电容C₂₀，移相全桥稳压控制电路，第一、二脉冲变压器T₂、T₃，以及纹波抑制电感L₃；

第一～第四电子开关器件S₁、S₂、S₃、S₄连接成全桥电路，第一、二电子开关器件S₁、S₂为左桥臂，第三、四电子开关器件S₃、S₄为右桥臂；滤波电容C₁₀的正极连接于S₁、S₃的正输入端，滤波电容C₁₀的负极连接于第二、四电子开关器件S₂、S₄的负输入端；第一、二电子开关器件S₁、S₂上分别并联有第一、二电容C₁、C₂，左桥臂的中点依次连接隔直电容C₃、谐振电感L和高频变压器T₁的初级的一端，高频变压器T₁的初级的另一端连接右桥臂的中点；高频变压器T₁的次级中心抽头，第一、二整流二极管D₁、D₂的正极分别与高频变压器T₁的次级的两端相连，第一、二整流二极管D₁、D₂的负极连接在一起后连接输出滤波电感L₂的一端，输出滤波电感L₂的另一端与输出滤波电容C₂₀的正极相连，输出滤波电感L₂与输出滤波电容C₂₀间的连接点作为电源输出的正极与负载相连，高频变压器T₁的次级中心抽头与输出滤波电容C₂₀的负极相连，次级中心抽头与输出滤波电容C₂₀间的连接点作为电源输出的负极与负载相连；电源输出的正极连接移相全桥稳压控制电路，该控制电路工作于移相全桥零电压零电流开关的控制模式，控制电路的输出G₁、G₂、G₃、G₄经脉冲变压器T₂、T₃隔离后驱动控制全桥电路的第一～第四电子开关器件S₁～S₄；纹波抑制电感L₃的一端与滤波电容C₁₀的负极相连，纹波抑制电感L₃的另一端与输出滤波电容C₂₀的正极相连。

所述第一、二脉冲变压器T₂、T₃为结构相同，其结构为：一个初级绕组两个次级绕组，两个次级绕组的匝数相同但相位相反。

本实用新型的技术效果体现在：

（1）高效率

由该电路的构成可见，该电路是一个串联分压电路。为便于定量的了解该电路的效率特性，现举例说明：令该电路的输出电压为输入电压的三分之二，因为串联电路的电流是相同的，此情况下负载上得到了三分之二的由电源提供的功率，而全桥直流-直流变换器作为一个“可变电阻”上吸收了三分之一由电源提供的功率；通过变压器隔离并将该所吸收的功率送回到负载两端，以目前的应用技术，在此条件下工作的全桥软开关直流-直流变换器的效率达到94%-95%是不困难的。由此，可以看到，通过对三分之一功率的处理，也就是以三分之一功率的6%的损耗，取得了百分之百的输出，效率的提高也是不言而喻的了。

（2）高安全性

其一，全桥结构电路在目前的电路结构下，相对于BUCK电路的电子开关工作于全电源电压，其工作电压为电源电压减去输出电压，电压应力的冗余度大幅度增加；其二，其电子开关为两个串联，两个电子开关同时损坏的可能性极小于单个电子开关损坏的可能性，现以单个功率电子开关损坏的可能性为10^-6为例，两个功率电子开关同时损坏的可能性就为10^-12了；其三，从控制电路的角度来看，BUCK电路为直接控制，不管是控制电路失效或者是驱动电路失效，均会造成直通的可能性，而工作于移相控制的全桥电路，采用脉冲变压器隔离驱动的方式，因其上下管是反向驱动的，控制上使得上下管同时导通的可能性完全没有，即使是驱动电路损坏，也因为脉冲变压器的隔离，对功率电子开关也产生不了影响，不会造成直通的可能性；综上所述，该电路基本不可能形成直通的故障，工作是安全可靠的。

附图说明

图1为现有BUCK变换器电路原理示意图；

图2为本实用新型不隔离降压型直流-直流变换器工作原理示意框图；

图3为本实用新型不隔离降压型直流-直流变换器电路原理示意图；

图4为本实用新型不隔离降压型直流-直流变换器输出电压波形图；

图5为本实用新型不隔离降压型直流-直流变换器输出电流波形图；

图6为本实用新型不隔离降压型直流-直流变换器的幅-频特性图及相-频特性图。

具体实施方式

如图2所示，本实用新型的技术思路为：本实用新型将一个全桥结构的直流-直流变换器，等效为一个“可变电阻”，将该“可变电阻”与负载串联，将该串联回路连接于输入电源与地之间，通过控制该“可变电阻”的阻值，使得负载端对地的分压为一个稳定的电压。同时该“可变电阻”所吸收的功率全部送给了负载，且上述“可变电阻”的阻值，是通过该直流-直流变换器的稳压控制环路来控制的，该稳压环路对负载两端的电压取样并进行稳压控制，这个控制过程自动地调整该全桥电路的等效阻抗。

如图3所示，本实用新型降压型直流-直流变换器，其电路包括：反向并联有二极管的电子开关器件S₁、S₂、S₃及S₄，谐振电容C₁、C₂，滤波电容C₁₀，连接于桥臂中点的隔直电容C₃，谐振电感L₁，高频变压器T₁，连接于变压器次级的整流二极管D₁、D₂，输出滤波电感L₂，输出滤波电容C₂₀，移相全桥稳压控制电路，脉冲变压器T₂、T₃及纹波抑制电感L₃构成。S₁、S₂、S₃及S₄，连接成全桥电路，S₁、S₂为左边的桥臂，S₃、S₄为右边的桥臂；滤波电容C₁₀的正极连接于S₁、S₃的正输入端，滤波电容C₁₀的负极连接于S₂、S₄的负输入端；S₁、S₂上分别并联有电容C₁、C₂，桥臂的中点连接电容C₃后连接电感L₁的一端，电感L₁的另一端连接高频变压器T₁的初级的一端，高频变压器T₁的初级的另一端连接S₃、S₄桥臂的中点；高频变压器T₁的次级中心抽头，整流二极管D₁、D₂的正极分别与变压器次级的两端相连，整流二极管D₁、D₂的负极连接在一起并且与输出滤波电感L₂的一端相连，输出滤波电感L₂的另一端与输出滤波电容C₂₀的正极相连，该点作为电源输出的正极与负载相连；高频变压器T₁的次级中心抽头与输出滤波电容C₂₀的负极相连，该点作为电源输出的地与负载相连；电源输出的正极送入移相全桥稳压控制电路，该控制电路工作于移相全桥零电压零电流开关的控制模式，控制电路的输出G₁、G₂、G₃、G₄经脉冲变压器T₂、T₃隔离，去控制全桥电路的S₁、S₂、S₃及S₄；其控制电路的输出G₁、G₂、G₃、G₄，为全桥控制集成电路的相关输出经驱动放大的控制信号，其脉冲变压器T₂、T₃为相同的变压器，均包括一个初级绕组和两个次级绕组，两个次级绕组的匝数相同但相位相反；纹波抑制电感L₃的一端与滤波电容C₁₀的负极相连，纹波抑制电感L₃的另一端与输出滤波电容C₂₀，的正极相连。

该全桥结构的直流-直流变换器的稳压控制电路，由市售全桥相移控制集成电路UCC2875或者相似相同功能的芯片为核心的稳压控制环路构成，工作于零电压-零电流的软开关的模式，该集成芯片的应用及该稳压电路的设计，可参见该类器件的手册及电力电子技术的相关教科书和杂志的相关文章。

该全桥结构的直流-直流变换器设计应注意的是，其工作电压为电源电压减去输出电压的值，其变压器的变压比应以此为依据来设计，其全桥电路的电子开关的电流值应以总输出功率为依据，其耐电压值仍应以电源电压为依据，以防止负载短路的情况发生。

本实用新型等效阻抗调整的具体的工作过程为：当负载端对地的电压偏高时，说明此刻该全桥结构的直流-直流变换器的等效阻抗偏小，其输出脉宽偏宽，将该输出电压送到移相全桥稳压控制电路，与控制电路内的基准比较，得到的误差电压经放大后，去控制其输出脉宽减小，令其等效阻抗加大，使得负载端对地的电压降低，直到恢复至稳压值。反之，当负载端对地的电压偏低时，其工作过程可类推之。

下面以三相直接整流滤波作为电源，三相电压为380V，滤波电感为1.5mH，滤波电容为1410μF，输出为20kW为例进行说明。图4、图5为该结构不隔离降压型直流-直流变换器的输出电压及输出电流波形图，图6为该电路的幅-频特性图及相-频特性图。从图4可见：其输出为350V，纹波为100mV左右，其稳压特性及纹波抑制能力是很优秀的；从图5可见：由全桥电路经L3直接提供给负载的电流为40A左右，此部分功率未经变换处理，从高频变压器次级经L2提供给负载的电流为18A左右，该电流为总输出电流的约三分之一，实例仅对这一部分功率进行了变换处理；从图6可见：其相位富裕度大于50度，其增益富裕度约为15db，结论为；其工作是稳定的。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种不隔离降压型直流-直流变换器，其特征在于，包括：分别反向并联有二极管的第一～第四电子开关器件（S₁～S₄），第一、二谐振电容（C₁、C₂），滤波电容（C₁₀），隔直电容（C₃），谐振电感（L₁），高频变压器（T₁），第一、二整流二极管（D₁、D₂），输出滤波电感（L₂），输出滤波电容（C₂₀），移相全桥稳压控制电路，第一、二脉冲变压器（T₂、T₃）以及纹波抑制电感（L₃）；

第一～第四电子开关器件（S₁、S₂、S₃、S₄）连接成全桥电路，第一、二电子开关器件（S₁、S₂）为左桥臂，第三、四电子开关器件（S₃、S₄）为右桥臂；滤波电容C₁₀的正极连接于（S₁、S₃）的正输入端，滤波电容（C₁₀）的负极连接于第二、四电子开关器件（S₂、S₄）的负输入端；第一、二电子开关器件（S₁、S₂）上分别并联有第一、二电容（C₁、C₂），左桥臂的中点依次连接隔直电容（C₃）、谐振电感（L）和高频变压器（T₁）的初级的一端，高频变压器（T₁）的初级的另一端连接右桥臂的中点；高频变压器（T₁）的次级中心抽头，第一、二整流二极管（D₁、D₂）的正极分别与高频变压器（T₁）的次级的两端相连，第一、二整流二极管（D₁、D₂）的负极连接在一起后连接输出滤波电感（L₂）的一端，输出滤波电感（L₂）的另一端与输出滤波电容（C₂₀）的正极相连，输出滤波电感（L₂）与输出滤波电容（C₂₀）间的连接点作为电源输出的正极与负载相连，高频变压器（T₁）的次级中心抽头与输出滤波电容（C₂₀）的负极相连，次级中心抽头与输出滤波电容（C₂₀）间的连接点作为电源输出的负极与负载相连；电源输出的正极连接移相全桥稳压控制电路，该控制电路工作于移相全桥零电压零电流开关的控制模式，控制电路的输出（G₁、G₂、G₃、G₄）经第一、二脉冲变压器（T₂、T₃）隔离后驱动控制全桥电路的第一～第四电子开关器件（S₁～S₄）；纹波抑制电感L₃的一端与滤波电容（C₁₀）的负极相连，纹波抑制电感（L₃）的另一端与输出滤波电容（C₂₀）的正极相连。

2.如权利要求1所述的不隔离降压型直流-直流变换器，其特征在于，所述第一、二脉冲变压器（T₂、T₃）为结构相同，包括一个初级绕组和两个次级绕组，两个次级绕组的匝数相同但相位相反。