总压受控分压不受控的串联反激开关电源

摘要

一种电压开关技术领域的总压受控分压不受控的串联反激开关电源，包括：电源电路、检测电路、控制电路和反激电路，检测电路产生两路电压检测信号并输出至控制电路的输入端，电源电路分别与控制电路、反激电路相连并输出工作电源，控制电路生成两路开启信号并输出至反激电路，反激电路输出所需的直流电压。本发明实现高压直流-低压直流变换，面向直流电压500V下限电压-1400V上限电压，变比为1∶2.8，而且通过对总输入电压监控，可以实现输入电压的过压与欠压保护；适合高宽输入电压，同时具有结构简单、控制容易和成本低廉的优点。

权利要求

1.一种总压受控分压不受控的串联反激开关电源，其特征在于，包括：电源电路、检测电路、控制电路和反激电路，其中：检测电路产生两路电压检测信号并输出至控制电路的输入端，电源电路分别与控制电路、反激电路相连并输出工作电源，控制电路生成两路开启信号并输出至反激电路，反激电路输出所需的直流电压；

所述的反激电路由高端反激电路、低端反激电路和整流滤波电路组成，高端反激电路与低端反激电路的输入端均与电源电路相连，输出端均与整流滤波电路相连；

所述的控制电路由总开启电路、相减运算电路、两个分开启电路与两个光耦隔离电路组成，其中：总开启电路产生总开启信号分别与低端和高端光耦隔离电路相连，相减运算电路产生偏差电压信号与低端分开启电路相连，低端分开启电路产生控制低端反激电路的开启信号并与低端光耦隔离电路相连，高端分开启电路产生控制高端反激电路的开启信号并与高端光耦隔离电路相连，低端光耦隔离电路与低端反激电路相连，高端光耦隔离电路与高端反激电路相连，低端分开启电路的输入端连接相减运算电路的第二减法电路的输出端，低端分开启电路的输出端与高端分开启电路的输入端相连，并与低端光耦隔离电路相连，高端分开启电路与高端光耦隔离电路相连，高端光耦隔离电路的输出端与高端反激电路的输入控制端相连，低端光耦隔离电路的输出端与低端反激电路的输入控制端相连。

2.根据权利要求1所述的总压受控分压不受控的串联反激开关电源，其特征是，所述的检测电路由第一检测电路和第二检测电路组成，其中：第一检测电路由两组串联且分别配有均压电容和均压电阻的电解电容组成，该两组串联的电解电容的两端分别与输入电压正极和输入电压负极相连，第二检测电路由四个串联电阻组成，该四个串联电阻的两端分别与输入电压正极和输入电压负极相连。

3.根据权利要求2所述的总压受控分压不受控的串联反激开关电源，其特征是，所述的第一检测电路和第二检测电路上均分别设有一个稳压二极管。

4.根据权利要求1所述的总压受控分压不受控的串联反激开关电源，其特征是，所述的电源电路由一个分压电路和一个与之并联的整流电路组成，其中：分压电路由四个串联电阻组成，整流电路为半波整流电路。

5.根据权利要求2所述的总压受控分压不受控的串联反激开关电源，其特征是，所述的总开启电路由窗口比较电路和反相电路组成，其中：窗口比较电路由分压支路和运放电路组成，其中：分压支路由三个串联电阻组成且由中间电阻输出电压与运放电路相连；运放电路由两个运放和两个二极管组成且二极管共阴极连接后与反相电路连接；反相电路由两个电阻和一个晶体管组成，其输出与低端和高端光耦隔离电路相连。

6.根据权利要求5所述的总压受控分压不受控的串联反激开关电源，其特征是，所述的相减运算电路由两个跟随电路与两个减法电路组成，其中，第一跟随电路其输入端连接第一检测电路，其输出端与第一减法电路相连，第二跟随电路其输入端与第二检测电路相连，其输出端与第一减法电路和窗口比较电路相连，第一减法电路与第二减法电路相连，第二减法电路与低端分开启电路相连。

说明书

总压受控分压不受控的串联反激开关电源

技术领域

[0001] 本发明涉及的是一种电压开关技术领域的装置，具体是一种总压受控分压不受控的串联反激开关电源。

背景技术

[0002] 高压变频调速、电力仪表检测、海底电缆等应用领域的电压等级高且变化范围宽，使得这些领域采用的开关电源设计思路必须相应改变。对于一般的开关电源设计，其适应的输入电压范围较小，不能满足这些特殊的工业应用场合。电力系统检测仪表电源的输入电压范围为交流90～600V，海底电缆电源输入电压范围为交流1500～2000V，工业变频器电源输入电压范围为交流140-800V。由于这些领域比较特殊，因此对其开关电源的研究与设计比较少，随着应用的增加以及对其开关电源性能要求的增加，高宽输入电压的开关电源研究已成为一个新的课题。主要追求的目标为采用新型开关器件和优化高频变压器设计，具有较强的变压变频能力，以便支持更高宽的输入电压，维持较高的变换效率，获得体积小、输出功率大大于100W、多路隔离输出的优点，同时具有齐全的保护功能，如过压保护和过流保护。

[0003] 经过对现有技术的检索发现，中国申请号：200710162358.4，记载了一种“宽输入电压范围的电源模块”，该技术采用半控逆变器，低压时两个变换器输出并联，高压时两个变换器输出串联，两个变换器输入串联均压；但是该技术不能解决较高输入电压问题，也无法做到两级变化器输入电压之间均压，对参数的一致性要求过高，要一致性较差整个设备就无法工作，也没有明确给出有关的工作原理。

[0004] 综上，对高宽输入电压的开关电源现有技术的检索发现，都没有充分开发利用好反激开关电源，输入电压范围尤其上限仍然较低，随输入电压而变压变频性能有限。反激开关电源中的高频变压器磁设计是关键，输入电压过高或过低，开关变压器的设计难度加重，影响变压器的磁路设计，同时由于效率过低和电压等级过高，功率MOSFET的选型非常难，散热处理较差。高压大电流的功率MOSFET的可选产品较少，同样电流能力的功率MOSFET，电压等级越高管压降越大，效率越低。输入电压波动范围越大，同时兼顾高低压，还要达到优化设计，没有理论支持。电压过高，占空比过小，磁芯损耗越大。电压过低，占空比过大，导通损耗越大。因此需要一种低压输入的开关电源，使得整个开关电源的设计与现有成熟和优化的开关电源设计相同。但是对于高宽输入电压而言，单级反激开关电源不能够承受，根据输入电压等级，需要两级或多级反激开关电源。如何设计一种结构简单、功能全面、适合高宽输入电压的开关电源，已成为本领域技术人员需要解决的问题。

发明内容

[0005] 本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种总压受控分压不受控的串联反激开关电源，实现高压直流-低压直流变换，面向更高更宽的输入电压范围，即直流电压500V下限电压-1400V上限电压，变比为1∶2.8，而且通过对总输入电压监控，可以实现输入电压的过压与欠压保护；适合高宽输入电压，同时具有结构简单、控制容易和成本低廉的优点。

[0006] 本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：电源电路、检测电路、控制电路和反激电路，其中：检测电路产生两路电压检测信号并输出至控制电路的输入端，电源电路分别与控制电路、反激电路相连并输出工作电源，控制电路生成两路开启信号并输出至反激电路，反激电路输出所需的直流电压。

[0007] 所述的反激电路由高端反激电路、低端反激电路和整流滤波电路组成，高端反激电路与低端反激电路的输入端均与电源电路相连，输出端均与整流滤波电路相连。

[0008] 所述的控制电路由总开启电路、相减运算电路、两个分开启电路与两个光耦隔离电路组成，其中：总开启电路产生总开启信号分别与低端和高端光耦隔离电路相连，相减运算电路产生偏差电压信号与低端分开启电路相连，低端分开启电路产生控制低端反激电路的开启信号并与低端光耦隔离电路相连，高端分开启电路产生控制高端反激电路的开启信号并与高端光耦隔离电路相连，低端光耦隔离电路与低端反激电路相连，高端光耦隔离电路与高端反激电路相连，高端分开启电路的输入端连接相减运算电路的第二减法电路的输出端，其输出端与连接高端分开启电路的输入端相连，并与低端光耦隔离电路相连，高端分开启电路与高端光耦隔离电路相连，高端光耦隔离电路的输出端与高端反激电路的输入控制端相连，低端光耦隔离电路的输出端与低端反激电路的输入控制端相连。

[0009] 所述的检测电路由第一检测电路和第二检测电路组成，其中：第一检测电路由两组串联且分别配有均压电容和均压电阻的电解电容组成，该两组串联的电解电容的两端分别与输入电压正极和输入电压负极相连，第二检测电路由四个串联电阻组成，该四个串联电阻的两端分别与输入电压正极和输入电压负极相连。

[0010] 所述的第一检测电路和第二检测电路上均分别设有一个稳压二极管。

[0011] 所述的电源电路由一个分压电路和一个与之并联的整流电路组成，其中：分压电路由四个串联电阻组成，整流电路为半波整流电路。

[0012] 所述的总开启电路由窗口比较电路和反相电路组成，其中：窗口比较电路由分压支路和运放电路组成，其中：分压支路由三串联电阻组成且由中间电阻输出电压与运放电路相连；运放电路由两运放和两二极管组成且二极管共阴极连接后与反相电路连接；反相电路由两电阻和一晶体管组成，其输出与低端和高端光耦隔离电路相连。

[0013] 所述的相减运算电路由两个跟随电路与两个减法电路组成，其中，第一跟随器其输入端连接第一检测电路，其输出端与第一减法电路相连，第二跟随器其输入端与第二检测电路相连，其输出端与第一减法电路和窗口比较电路相连，第一减法电路与第二减法电路相连，第二减法电路与低端分开启电路相连。

[0014] 本发明根据串联均压原理，将整个高宽输入直流电压分解为两级串联的低宽输入直流电压，分别为串联的两个反激电源供电，因此每级开关电源的均为低压类型，技术成熟，设计简单，选型灵活，效率得以提升。当整个电压处于设计范围时，开放反激式开关电源。高端与低端反激电路，即反激式开关电源的最终开启还要决定于均压的结果。电压较高的那个反激电路最终开启。为了防止反复振荡，反激电路切换时低端分开启电路设置了滞环电路。如果每级反激式开关电源采用了变压变频技术，可以进一步改进高频变压器和功率器件的设计。串联反激电源方案可以扩展到更多级数，适用更高的输入电压等级。各级反激电路采用不同的参考地，无需采用隔离器件。克服直接高宽输入电压的单级反激开关电源的各种不足，适合更高宽输入电压-低压电源输出、功率150W以下的各种应用场合，具有设计构思新颖、通用性强等特征，同时具有结构简单、成本低等优点。

附图说明

[0015] 图1为本发明的电路原理图。

[0016] 图2为本发明的电路原理图的检测电路和电源电路。

[0017] 图3为本发明的电路原理图的控制电路。

[0018] 图4为本发明的电路原理图的反激电路。

具体实施方式

[0019] 下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

[0020] 实施例

[0021] 如图1所示，本实施例包括：电源电路1、检测电路2、控制电路3和反激电路4，其中：检测电路2产生两路电压检测信号并输出至控制电路3的输入端，电源电路1分别与控制电路3、反激电路4相连并输出工作电源，控制电路3生成两路开启信号并输出至反激电路4，反激电路4输出所需的直流电压。

[0022] 所述的反激电路4由高端反激电路5、低端反激电路6和整流滤波电路7组成，高端反激电路5与低端反激电路6的输入端均与电源电路1相连，输出端均与整流滤波电路7相连。

[0023] 所述的整流滤波电路7由两个整流二极管D3、D4、一个电解电容E3和一个电阻假负载R37组成。

[0024] 所述的检测电路2由第一检测电路8和第二检测电路9组成，其中：第一检测电路8由两组串联且分别配有均压电容C1～C2和均压电阻R1～R4的电解电容E1～E2组成，该两组串联的电解电容E1～E2的两端分别与输入电压正极和输入电压负极相连，第二检测电路由四个串联电阻R5～R8组成，该四个串联电阻R5～R8的两端分别与输入电压正极和输入电压负极相连。

[0025] 所述的第一检测电路8和第二检测电路9上均分别设有一个稳压二极管ZD1～ZD2。

[0026] 所述的电源电路1由一个分压电路10和一个与之并联的整流电路11组成，其中：分压电路10由四个串联电阻R9～R12组成，整流电路11为半波整流电路。

[0027] 所述的半波整流电路11由二极管D5、电解电容E4、交流电容C3和稳压二极管ZD5组成，其中：二极管D5的阳极连接绕组的一端，其阴极与电解电容的正极E4、交流电容的C3一端和稳压二极管ZD5的阴极相连，绕组的另一端与电解电容E4的负极、交流电容C3的另一端和稳压二极管ZD5的阳极相连。

[0028] 所述的控制电路3由总开启电路12、相减运算电路13、两个分开启电路14、15与两个光耦隔离电路16、17组成，其中：总开启电路12产生总开启信号分别与低端和高端光耦隔离电路16、17相连，相减运算电路13产生偏差电压信号与低端分开启电路14相连，低端分开启电路14产生控制低端反激电路6的开启信号并与低端光耦隔离电路16相连，高端分开启电路15产生控制高端反激电路5的开启信号并与高端光耦隔离电路17相连，低端光耦隔离电路16与低端反激电路6相连，高端光耦隔离电路17与高端反激电路5相连，低端分开启电路14的输入端连接相减运算电路13的第二减法电路26的输出端，低端分开启电路14的输出端与连接高端分开启电路15的输入端相连，并与低端光耦隔离电路16相连，高端分开启电路15与高端光耦隔离电路17相连。

[0029] 所述的总开启电路12由窗口比较电路18和反相电路19组成，其中：窗口比较电路18由分压支路20和运放电路21[反相电路22：删除]组成，其中：所述的分压支路由三个串联电阻R13、R14、R15组成且由中间电阻R14输出电压与运放电路相连A1、A2、D1、D2；所述的运放电路由两个运放A1、A2和两二极管D1、D2组成且二极管共阴极连接后与反相电路R16、R17、TR1连接；所述的反相电路R16、R17、TR1连接由两电阻R16、R17和一晶体管TR1组成的反相电路，其输出与低端光耦隔离电路OP1、TR3、R18、R19、R36和高端光耦隔离电路OP2、R20、R21、R33相连。

[0030] 所述的相减运算电路13由两个跟随电路23、24与两个具体减法电路25、26组成，其中，第一跟随器23其输入端连接第一检测电路8，其输出端与第一减法电路25相连，第二跟随器24其输入端与第二检测电路9相连，其输出端与第一减法电路25和窗口比较电路18相连，第一减法电路25与第二减法电路26相连，第二减法电路26与低端分开启电路14相连。

[0031] 所述的高端光耦隔离电路的输出端与高端反激电路的输入控制端相连，低端光耦隔离电路的输出端与低端反激电路的输入控制端相连。

[0032] 所述的第一减法电路由四电阻R22、R23、R24、R25和运算放大器A5组成典型的减法电路。

[0033] 所述的第二减法电路由四电阻R26、R27、R28、R29和运算放大器A6组成典型的减法电路。

[0034] 所述的高端光耦隔离电路由光耦OP2、晶体管TR2和三电阻R20、R21、R33组成，其中光耦OP2和一电阻R33组成隔离信号传递电路，晶体管TR2和两电阻R20、R21组成高端光耦控制电路。

[0035] 所述的低端光耦隔离电路由光耦OP1、晶体管TR3和三电阻R18、R19、R36组成，其中光耦OP1和一电阻R36组成隔离信号传递电路，晶体管TR3和两电阻R18、R19组成低端光耦控制电路。

[0036] 本实施例中所述的检测电路、电源电路、控制电路和反激电路组成总压受控分压不受控的串联反激开关电源，其作用是通过对高宽输入直流电压进行均压得到串联的低宽直流电压，分别为串联的反激开关电源供电，如果总电压高于开启电压，输出总开启信号，每级反激电源的输入电压较高时，产生控制反激电路的分控制信号，该反激开关电源即启动，另一反激电源待机。同时，反激电源为控制电路提供工作电源。反激开关电源的输出并联，不仅使得后级反激变换器的设计与成熟的传统单端反激电源设计一致，简化高频变压器和开关电路的设计，而且可以很好地解决输入直流电压均压问题，增强供电的可靠性。

[0037] 本实施例中：直流输入电压高宽范围，例如上限电压1400V，下限电压500V。输出低压直流电压，如±24V、±15V、±12V、±5、±3.3V等。检测电路、反激电源部分的器件选择900V电压等级，控制电路、电源电路部分器件电压等级选择控制低压等级。

[0038] 本发明一组实施例的参数为：输入直流上限电压1400V，输出直流电压为单路如+15V等，额定总功率为100W。

[0039] 900V电压等级的器件：

[0040] 电阻R1、R3、R5、R7：330kΩ，2W，插件；

[0041] 电阻R2、R4、R6、R8：2.2kΩ，1W，插件；

[0042] 电阻R9、R10、R11：150kΩ，2W，插件；

[0043] 电阻R12：20kΩ，2W，插件；

[0044] 电解电容E1、E2：750V，220μF，插件，每个电容可以再由多个电容串联，以便提高耐压能力；

[0045] 反激开关电源SMPS1、SMPS2：900V电压等级；

[0046] 稳压二极管ZD1、ZD2：5V，2A；

[0047] 稳压二极管ZD3、ZD4、ZD5：15V，2A；

[0048] 普通二极管D1、D2：700V，0.5A；

[0049] 反向快速恢复二极管D3、D4、D5：700V，2A；

[0050] 电解电容E1、E1：1000V，220μF，插件，多只串联；

[0051] 电解电容E3、E4：50V，220μF，插件；

[0052] 电阻R37：100Ω，2W，插件；

[0053] 控制电压等级的器件：

[0054] 工作电源：+15V

[0055] 三极管TR1、TR2、TR3：NPN C9013

[0056] 运放A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7、A8：轨对轨运放，如TLC2272；

[0057] 电阻R13、R14、R15、R16、R17：5.1kΩ，1/4W；

[0058] 电阻R18、R19、R36：5.1kΩ，1/4W；

[0059] 电阻R20、R21、R33：5.1kΩ，1/4W；

[0060] 电阻R22、R23、R24、R25：5.1kΩ，1/4W；

[0061] 电阻R26、R27、R28、R29：5.1kΩ，1/4W；

[0062] 电阻R30、R31、R32：5.1kΩ，1/4W；

[0063] 电阻R34、R35：5.1kΩ，1/4W；

[0064] 光电耦合器OP1、OP2：PC817；

[0065] 本装置对输入电压进行两级均压，分别为串联结构的反激式开关电源供电，可以承受更高更宽的输入电压范围。对总输入电压进行监控，可以实现输入电压的过压与欠压保护，保护整个电路；分压较高的反激式开关电源处于工作状态，反激式开关电源之间工作状态采取滞环切换。