一种多电平高压反激式开关电源的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种多电平高压反激式开关电源，该开关电源包括整流模块、电流采样电阻模块、控制芯片、驱动隔离模块、变压器、n级串联的电容和n级MOS管，其中n为大于或等于2的自然数。本发明在变压器上设置多级初级线圈，且实现电容的多级串联，即为对输入的高电压进行均分电压、三分电压、四分电压等各种n分电压，实现n+1级电平输入，由此来降低每级初级线圈的承受耐压，同时也降低每级MOS管的承受电压，进而降低每级MOS管的承受电流。该开关电源的结构改进将输入功率转换为多级电压，小电流串联的方式，这样既解决了现在MOS管直接串联而致无法高耐压及发热严重的问题，同时也解决了MOS管无法过大电流的问题，将开关电源的应用范围变宽边广。
【专利说明】一种多电平高压反激式开关电源
[0001]
【技术领域】
[0002]本发明涉及开关电源【技术领域】，尤其涉及一种多电平高压反激式开关电源。
[0003]【背景技术】
[0004]现有的反激式开关电源主要有以下两种:
一是单管单端反激式开关电源即为原边单个线圈供电；这种开关电源在使用过程中存在以下问题:1) MOS管MOSFET的最大耐压只有1500V，所该种开关电源的输入电压的工作只能小于800V才能工作在安全工作区，无法使用在更高输入电压的情况；2)单线圈供电，MOS管上平均电流大，MOS管发热严重。
[0005]二是双管单端反激式开关电源即为原边单个线圈供电；这种开关电源在使用过程中也存在以下缺陷:1)采用双管串联工作的模式，使用钳位二极管钳位电压，但仍然无法保证两级MOS管MOSFET的开通及关断完全一致性的问题，每级MOS管MOSFET仍然会承受较高的电压，同样受制于MOS管MOSFET的最大耐压只有1500V，所该种开关电源的输入电压的工作只能小于800V才能工作在安全工作区，无法使用在更高输入电压的情况；2)单线圈供电，线圈及MOSFET承受整个功率电流，MOS管发热严重。 [0006]综合上述的描述，目前市面上的两种反激式开关电源已无法满足市场的需求了。
[0007]
【发明内容】
[0008]针对上述技术中存在的不足之处，本发明提供一种使用安全、可靠性能好及使用范围广的多电平高压反激式开关电源，该开关电源实现多级初级线圈供电，将输入功率转为多级电压，不仅提高输入电压，而且解决了高压无法输入的问题。
[0009]为实现上述目的，本发明提供一种多电平高压反激式开关电源，包括整流模块、电流采样电阻模块、控制芯片、驱动隔离模块、变压器、η级串联的电容和η级MOS管，其中η为大于或等于2的自然数；每相邻两个电容之间形成电容中点，所述变压器上设有多级初级线圈和分别与每级初级线圈连接的次级线圈；交流电源电压经整流模块整流后形成直流电压，首级初级线圈的一端接入直流电压的正电压端，首级初级线圈的另一端接入同级的MOS管的漏极，且该MOS管的源极接入其下级的电容中点；尾级初级线圈的一端接入其上级的电容中点，尾级初级线圈的另一端接入同级的MOS管的漏极，该MOS管的源极通过电流采样电阻模块后接入直流电压的负电压端；其余中间的每级初级线圈的一端连接同级的电容中点，每级初级线圈的另一端接入同级的MOS管的漏极，且该MOS管的源极接入其下级的电容中点；其中MOS管的栅极均悬空；
所述控制芯片的输入端连接电流采样电阻模块并采样电流采样电阻模块上输出侧的电压，所述控制芯片的输出端连接驱动隔离模块。
[0010]其中，所述电流采样电阻模块由多个采样电阻并联而成，且所述电流采样电阻模块通过连结电阻连接控制芯片。
[0011]其中，所述驱动隔离模块包括光耦器、第一三极管、第二三极管和隔离变压器；所述光耦器连接控制芯片的输出端，所述第一三极管和第二三极管的发射极、集电极均与控制芯片的输出端连接，且所述第一三极管和第二三极管的基极公共端也连接控制芯片的输出端，所述第一三极管和第二三极管的发射极公共端连接隔离变压器的初级线圈。
[0012]其中，所述控制芯片的型号为UC2844。
[0013]其中，所述开关电源包括整流模块、第一级电容、第二级电容、第一级MOS管、第二级MOS管、第一级初级线圈、第二级初级线圈、次级初级线圈、电流采样电阻模块、控制芯片和驱动隔离模块；第一级电容与第二级电容之间形成电容中点，所述第一级初级线圈和第二级初级线圈分别与次级线圈连接，交流电源电压经整流模块整流后形成直流电压，第一级初级线圈的一端接入直流电压的正电压端，第一级初级线圈的另一端接入第一级MOS管的漏极，且第一级MOS管的源极接入电容中点，第二级初级线圈的一端接入电容中点，第二级初级线圈的另一端接入第二级MOS管的漏极，且第二级MOS管的源极通过电流采样电阻模块后接入直流电压的负电压端；其中第一级MOS管和第二级MOS管的栅极均悬空；所述控制芯片的输入端连接电流采样电阻模块并采样电流采样电阻模块上输出侧的电压，所述控制芯片的输出端连接驱动隔离模块。
[0014]其中，所述电流采样电阻模块由五个采样电阻并联而成。
[0015]本发明的有益效果是:与现有技术相比，本发明提供的多电平高压反激式开关电源，在变压器上设置多级初级线圈，实现多级线圈供电，且实现电容的多级串联，即为对输入的高电压进行均分电压、三分电压、四分电压等各种η分电压，实现n+1级电平输入，由此来降低每级初级线圈的承受耐压，同时也降低每级MOS管的承受电压，进而降低每级MOS管的承受电流。该开关电源的结构改进将输入功率转换为多级电压，小电流串联的方式，这样既解决了现在MOS管直接串联而致无法高耐压及发热严重的问题，同时也解决了 MOS管无法过大电流的问题，提高了开关电源的可靠性，将开关电源的应用范围变宽边广。进一步的，该开关电源通过驱动隔离模块可调节变压器的储能量及控制输出电压的稳定，提高了整个电源工作的可靠稳定性。本发明具有结构简单、设计合理、使用安全、工作效率高及使用寿命长等特点。
[0016]
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1为本发明的多电平高压反激式开关电源的工作方框图；
图2为本发明中三电平输入的拓扑结构图；
图3为本发明中四电平输入的拓扑结构图；
图4为本发明中五电平输入的拓扑结构图；
图5为图2的工作原理图；
图6为本发明中输出电压为24V时,开关噪音的纹波效果图；
图7为在图6的基础上串联二极管的纹波效果图； 图8为本发明中输入电压为280V时，MOS管ds的波形图；
图9为本发明中输入电压为280V时，MOS管ip的波形图；
图10为本发明中输入电压为550V时，MOS管ds的波形图；
图11为本发明中输入电压为550V时，MOS管ip的波形图；
图12为本发明中输入电压为900V时，MOS管ds的波形图；
图13为本发明中输入电压为900V时，MOS管ip的波形图；
图14为本发明中输入电压为900V，输入功率为46.8W时，MOS管ds的第一时刻波形
图；
图15为本发明中输入电压为900V，输入功率为46.8W时，MOS管ds的第二时刻波形
图；
图16为本发明中输入电压为900V，输入功率为90.7W时，MOS管ds的第一时刻波形
图；
图17为本发明中输入电压为900V，输入功率为90.7W时，MOS管ds的第二时刻波形
图；
图18为本发明中输入电压为550V，输入功率为90.7W时，各温度的波形图；
图19为本发明中输入电压为900V，输入功率为90.7W时，各温度的波形图。
[0018]主要元件符号说明如下:
10、整流模块11、电流采样电阻模块
12、控制芯片13、驱动隔离模块
C、电容Q、M0S管
T、变压器L、初级线圈
LL、次级线圈
【具体实施方式】
[0019]为了更清楚地表述本发明，下面结合附图对本发明作进一步地描述。
[0020]请参阅图1，本发明的多电平高压反激式开关电源，包括整流模块10、电流采样电阻模块11、控制芯片12、驱动隔离模块13、变压器Τ、η级串联的电容C和η级MOS管Q，其中η为大于或等于2的自然数；每相邻两个电容C之间形成电容中点，即可形成η-l级电容中点，即从第二级初级线圈L的连接处开始形成第一级电容中点，变压器T上设有多级初级线圈L和分别与每级初级线圈L连接的次级线圈LL ;交流电源电压经整流模块10整流后形成直流电压，首级初级线圈的一端接入直流电压的正电压端DC+，首级初级线圈L的另一端接入同级的MOS管Q的漏极，且该MOS管Q的源极接入其下级的电容中点，尾级初级线圈L的一端接入其上级的电容中点，尾级初级线圈L的另一端接入同级的MOS管Q的漏极，该MOS管Q的源极通过电流采样电阻模块12后接入直流电压的负电压端DC-;其余中间的每级初级线圈L的一端连接同级的电容中点，每级初级线圈L的另一端接入同级的MOS管Q的漏极，且该MOS管Q的源极接入其下级的电容中点；其中MOS管Q的栅极均悬空；控制芯片12的输入端连接电流采样电阻模块11并采样电流采样电阻模块11上输出侧的电压，控制芯片12的输出端连接驱动隔离模块13。
[0021]请进一步参阅图2-4，图2为三电平输入的拓扑结构图，该图中有两级初级线圈L、两级电容C和两级MOS管Q，该结构为两级电容C的串联，进而实现输入高电压的均分，三电平的输入；图3为四电平输入的拓扑结构图，该图中有三级初级线圈L、三级电容C和三级MOS管Q，该结构为电容C的串联，进而实现输入高电压的三均分电压，四电平的输入；图4为四电平输入的拓扑结构图，该图中有四级初级线圈L、四级电容C和四级MOS管Q，该结构为四级电容C的串联，进而实现输入高电压的四均分电压，五电平的输入。本发明中多电平高电压输入的规律可描述为:n级电容C串联、η级初级线圈L通过η级MOS管Q实现串联，可实现n+1级电平输入。可根据开关电源的实际情况不断增加输入电平，提高输入电压的等级。
[0022]相较于现有技术，本发明提供的多电平高压反激式开关电源，在变压器T上设置多级初级线圈L，实现多级线圈供电，且实现电容C的多级串联，即为对输入的高电压进行均分电压、三分电压、四分电压等各种η分电压，实现n+1级电平输入，由此来降低每级初级线圈L的承受耐压，同时也降低每级MOS管Q的承受电压，进而降低每级MOS管Q的承受电流。该开关电源的结构改进将输入功率转换为多级电压，小电流串联的方式，这样既解决了现在MOS管直接串联而致无法高耐压及发热严重的问题，同时也解决了 MOS管无法过大电流的问题，提高了开关电源的可靠性，将开关电源的应用范围变宽边广。进一步的，该开关电源通过驱动隔离模块可调节变压器的储能量及控制输出电压的稳定，提高了整个电源工作的可靠稳定性。本发明具有结构简单、设计合理、使用安全、工作效率高及使用寿命长等特点。[0023]在本实施例中，电流采样电阻模块11由多个采样电阻并联而成，且电流采样电阻模块11通过连结电阻连接控制芯片12。本电流采样电阻模块11可有五个或六个等不同数量的采样电阻并联而成，可根据实际需要改变采样电阻的数量。
[0024]请进一步参阅图5,为n=2的【具体实施方式】,该实施例中的开管电源包括整流模块、第一级电容Cl、第二级电容C2、第一级MOS管Q1、第二级MOS管Q2、第一级初级线圈L1、第二级初级线圈L2、次级线圈、电流采样电阻模块、控制芯片U2和驱动隔离模块；第一级电容Cl与第二级电容C2之间形成电容中点，第一级初级线圈LI和第二级初级线圈L2分别与次级线圈连接，交流电源电压AC经整流模块整流后形成直流电压DC，第一级初级线圈LI的一端接入直流电压的正电压端DC+，第一级初级线圈LI的另一端接入第一级MOS管Ql的漏极，且第一级MOS管Ql的源极接入电容中点，第二级初级线圈L2的一端接入电容中点，第二级初级线圈L2的另一端接入第二级MOS管Q2的漏极，且第二级MOS管Q2的源极通过电流采样电阻模块后接入直流电压的负电压端DC-;其中第一级MOS管Ql和第二级MOS管Q2的栅极均悬空；控制芯片Ul的输入端连接电流采样电阻模块并采样电流采样电阻模块上输出侧的电压，控制芯片U2的输出端连接驱动隔离模块。
[0025]在该图中整流模块有第一安规电容Cyl、第二安规电容Cy2、第三安规电容Cy3和第四安规电容Cy4构成整流桥将交流电源AC220-400V变为300-600V的直流电压DC，在第一级电容Cl与第一级MOS管Ql之间安设有第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5和第六电阻R6，这六个电阻起限流作用；在第二级电容C2与第二级MOS管Q2之间安设有第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻Rll和第十二电阻R12，这六个电阻也起限流作用。第一级初级线圈LI的两端之间电连接有第十三电阻R13、第三电容C3和第一二极管D1，第二级初级线圈L2的两端之间电连接有第十四电阻RH、第四电容C4和第二二极管D2。由第十五电阻R15、第十六电阻R16、第十七电阻R17、第十八电阻R18和第十九电阻R19并联构成电流采样电阻模块对上述两级初级线圈进行电流采样；并联后的电流采样电阻模块通过连结电阻R20连接控制芯片Ul的输入端；第一级初级线圈LI和第二级初级线圈L2作为变压器Tl的初级绕组，变压器Tl的次级绕组的上部输出端通过第四二极管D4依次连接并联的第五电容C5、第六电容C6、第七电容C7后连接第二十二电阻R22，变压器Tl的次级绕组的下部输出端通过第五二极管D4依次连接并联的第八电容C8、第九电容C9、第十电容CIO、第二十三电阻R23后连接第二十四电阻 R24。
[0026]驱动隔离模块包括光耦器T2、第一三极管Q3、第二三极管Q4和隔离变压器T3，光耦器T2的输入端安设有第二十五电阻R25、第二十六电阻R26、第二十七电阻R27、第二十八电阻R28和二十九电阻R29，第二十六电阻R26并联有第十二电容C12，第二十八电阻R28通过第十一电容Cll连接第一稳压管Z1，光耦器T2的输出端连接至控制芯片Ul上，控制芯片Ul上依次连接有第十三电容C13、串联的第三十电阻R30和第十四电容C14及串联的第三十一电阻R31和第十五电容C15，控制芯片Ul通过第三十二电阻R32连接至第一三极管Q3和第二三极管Q4的基极公共端，且控制芯片Ul与第二十电阻R20的连接端上连接有第十六电容C16，第一三极管Q3的集电极连接并联的第十七电容C17、第二稳压管Z2和第十八电容C18，第二稳压管Z2和第十八电容C18的公共端依次通过第二十一电阻R21和第三二极管D3后连接至变压器Tl的初级绕组。第一三极管Q3和第二三极管Q4的发射极公共端通过第三十三电阻R33和第二十电容C20后连接隔离变压器T3的初级线圈，即为初级绕组，隔离变压器T3的次级绕组分别连接第三十四电阻R34和第三十五电阻R35。该控制芯片Ul的型号为UC2844。
[0027]本实施例中采用控制芯片Ul的控制，控制芯片Ul通过采样直流输出侧的电压，调节输出占空比，通过两个三极管的开关度，调节变压器的储能量，控制输出电压的稳定，从而达到DC/DC转换的功能，完成整个电源的工作过程。
[0028]实验数据
一、开关电源测试:
1、测试条件:电源输出侧在低压、额定、高压时，分别在输出侧空载、轻载、重载条件下，进行开关电源质量测试，包括电源调整率，负载调整率，工作效率等；
2、测试记录:负载条件:见表1.1
表1.1
【权利要求】
1.一种多电平高压反激式开关电源，其特征在于，包括整流模块、电流采样电阻模块、控制芯片、驱动隔离模块、变压器、η级串联的电容和η级MOS管，其中η为大于或等于2的自然数；每相邻两个电容之间形成电容中点，所述变压器上设有多级初级线圈和分别与每级初级线圈连接的次级线圈；交流电源电压经整流模块整流后形成直流电压，首级初级线圈的一端接入直流电压的正电压端，首级初级线圈的另一端接入同级的MOS管的漏极，且该MOS管的源极接入其下级的电容中点；尾级初级线圈的一端接入其上级的电容中点，尾级初级线圈的另一端接入同级的MOS管的漏极，该MOS管的源极通过电流采样电阻模块后接入直流电压的负电压端；其余中间的每级初级线圈的一端连接同级的电容中点，每级初级线圈的另一端接入同级的MOS管的漏极，且该MOS管的源极接入其下级的电容中点；其中MOS管的栅极均悬空； 所述控制芯片的输入端连接电流采样电阻模块并采样电流采样电阻模块上输出侧的电压，所述控制芯片的输出端连接驱动隔离模块。
2.根据权利要求1所述的多电平高压反激式开关电源，其特征在于，所述电流采样电阻模块由多个采样电阻并联而成，且所述电流采样电阻模块通过连结电阻连接控制芯片。
3.根据权利要求1所述的多电平高压反激式开关电源，其特征在于，所述驱动隔离模块包括光耦器、第一三极管、第二三极管和隔离变压器；所述光耦器连接控制芯片的输出端，所述第一三极管和第二三极管的发射极、集电极均与控制芯片的输出端连接，且所述第一三极管和第二三极管的基极公共端也连接控制芯片的输出端，所述第一三极管和第二三极管的发射极公共端连接隔离变压器的初级线圈。
4.根据权利要求1-3任一项所述的多电平高压反激式开关电源，其特征在于，所述控制芯片的型号为UC2844。
5.根据权利要求1所述的多电平高压反激式开关电源，其特征在于，所述开关电源包括整流模块、第一级电容、第二级电容、第一级MOS管、第二级MOS管、第一级初级线圈、第二级初级线圈、次级初级线圈、电流采样电阻模块、控制芯片和驱动隔离模块；第一级电容与第二级电容之间形成电容中点，所述第一级初级线圈和第二级初级线圈分别与次级线圈连接，交流电源电压经整流模块整流后形成直流电压，第一级初级线圈的一端接入直流电压的正电压端，第一级初级线圈的另一端接入第一级MOS管的漏极，且第一级MOS管的源极接入电容中点，第二级初级线圈的一端接入电容中点，第二级初级线圈的另一端接入第二级MOS管的漏极，且第二级MOS管的源极通过电流采样电阻模块后接入直流电压的负电压端；其中第一级MOS管和第二级MOS管的栅极均悬空；所述控制芯片的输入端连接电流采样电阻模块并采样电流采样电阻模块上输出侧的电压，所述控制芯片的输出端连接驱动隔离模块。
6.根据权利要求5所述的多电平高压反激式开关电源，其特征在于，所述电流采样电阻模块由五个采样电阻并联而成。
【文档编号】H02M7/537GK103944435SQ201310472487
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2013年10月11日 优先权日:2013年10月11日
【发明者】郭光裕 申请人:深圳市伟创电气有限公司