一种采样电路及包含该采样电路的多绕组串联变换器的制作方法

1.本实用新型涉及一种输入电压等级较高的开关电源电路，特别涉及一种采样电路，应用于多绕组串联变换器。


背景技术：

2.随着全球能源危机日益严重，对于清洁能源的开发和利用势在必行，因此太阳能发电迅猛发展。在光伏发电及电力传输中，控制系统的输入电压非常高，达到几千伏，常规单级电源拓扑因开关管电压应力无法满足设计需求而无法适用，因此常采用级联技术进行输入电压扩展，本技术称此类采用级联技术的变换器为多绕组串联变换器。
3.公知的多绕组串联变换器包括输入电路和输出电路；其中的输入电路包括至少两级，各级包括一均压单元和一初级开关单元，各级的初级开关单元相互串联，每相邻两初级开关单元之间形成绕组连接点，各级的均压单元相互串联，每相邻两均压单元之间形成均压串联点，每级的初级开关单元与均压单元并联。
4.每级初级开关单元包括初级绕组和开关管，各初级绕组的一端作为该初级开关单元的输入端、另一端连接该初级开关单元中的开关管的导通电流流入端，该初级开关单元中的开关管的导通电流流出端作为该初级开关单元的输出端。
5.首级初级开关单元的输入端连接直流电压的正电压端，中间各级的初级开关单元连接关系为前一级初级开关单元的输入端连接后一级初级开关单元的输出端，末级初级开关单元的输出端通过一采样电阻连接至直流电压的参考地。
6.各开关管的控制端施加同步的驱动信号，各级初级绕组同相控制且共磁芯。
7.图1是一种公知的具有自动均压功能的耐高压重叠式反激dc
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dc变换器电路结构，在《电工技术杂志》2001年第5期的《耐高压重叠式反激dc
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dc变换器设计》中详细讲解了双重叠结构，同时披露了图1，该电路结构就是本技术涉及的多绕组串联变换器，该多绕组串联变换器包括两级的均压单元和初级开关单元。
8.其中，第一级的均压单元，由电容c1组成；第二级的均压单元，由电容c2组成；第一级的初级开关单元包括初级绕组n1和开关管q1，初级绕组n1的一端作为第一级初级开关单元的输入端，初级绕组n1的另一端连接开关管q1的导通电流流入端，开关管q1的导通电流流出端作为第一级初级开关单元的输出端。第二级的初级开关单元包括初级绕组n2、开关管q2，初级绕组n2的一端作为第二级初级开关单元的输入端，初级绕组n2的另一端连接开关管q2的导通电流流入端，开关管q2的导通电流流出端作为第二级初级开关单元的输出端连接采样电阻rcs的一端，用于连接控制ic的电流采样引脚，采样电阻rcs的另一端用于接地。
9.该公知的电路结构，与一般的单端反激变换的不同之处在于，该耐高压重叠式反激变换器电路的初级绕组被分成完全相同的两部分，即初级绕组n1和初级绕组n2，初级绕组n1 和n2分别由开关管q1和q2来控制通断，开关管q1和q2的栅极施加有同步的驱动信号。这样，理想工作条件下，开关管q1、q2同时开通，同时关断，又因初级绕组n1、n2的一致性，第
一级均压单元和第二级均压单元之间的均压串联点a的电位被均压。虽然该电路可以解决开关管电压应力过高的问题，但该电路实际应用到产品的时候，存在很多可靠性的问题。因为两个开关管的开启电压，以及两个开关管的驱动信号，不可能完美一致，存在很多不可控的差异，这势必会导致该电路结构中的功率开关管q1、q2的开通与关断不同步，一旦不同步，就会有如下问题：
10.如图2所示，当开关管开通不一致时，假设开关管q1先开通，正好此时电容c1的端电压vc1又大于电容c2的端电压vc2，由于开关管q2还未开通，此时，初级绕组n2的极性为上正下负，初级绕组n2感应的正激电压v2将大于vc2，正激电压v2通过开关管q2的体二极管qd2给电容c2正激充电，此时正激电流会增大，会在采样电阻rcs上产生一个很大的负向电压，这会影响产品的控制ic正常采样。由于采样电阻rcs上是负压，达不到控制 ic的电流采样关断电压，控制ic仍然提供驱动，造成该周期原边峰值电流过大。
11.现有技术中，对于上述问题，有如下解决方法，如图3所示，在均压连接点a和绕组连接点之间串联电阻rx，当开关管开通不一致或输入电容不均压时，如图4所示，后导通的初级绕组感应的正激电压会经过电阻rx给电容充电，电阻rx起到限流作用，且电阻rx的阻值越大越好。但电阻rx只能减小正激电流，采样电阻rcs上的电压依然为负压，该开关周期内控制ic的电流采样引脚依然采样不到信号来关闭驱动，造成原边峰值电流过大，严重时会造成变压器磁芯饱和而出现开关管损坏现象。


技术实现要素：

12.有鉴于此，本实用新型要解决的技术问题是提供一种采样电路及包含该采样电路的多绕组串联变换器，解决多绕组串联变换器因为初级开关单元中的开关不同步或均压单元中的电容不均压，产生正激电流，造成控制ic电流采样错误，引起原边峰值电流过大而造成开关管损坏的问题，提高变换器的可靠性。
13.为解决上述技术问题，本实用新型提供的采样电路技术方案如下：
14.一种采样电路，应用于多绕组串联变换器，其特征在于：包括电流互感器、电阻和二极管组成的至少两级电流采样单元；
15.电流互感器的原边绕组数量与电流采样单元的级数相同，各原边绕组共磁芯；各级电流采样单元包括电流互感器的一个原边绕组，电流互感器的副边绕组、电阻和二极管在各级电流采样单元中复用；
16.各级电流采样单元中包含的电流互感器的原边绕组的同名端作为该级电流采样单元的电流输入端、异名端作为该级电流采样单元的电流输出端；
17.副边绕组的同名端与电阻的一端以及二极管的阳极相连，电阻的另一端与绕组的另一端、以及电路中的地相连，二极管的阴极作为信号采样点。
18.本实用新型提供的包含上述采样电路的多绕组串联变换器，其特征在于：在多绕组串联变换器某级的初级开关单元中串联一级电流采样单元。
19.本实用新型提供的另外一种采样电路的技术方案如下：
20.一种采样电路，应用于多绕组串联变换器，其特征在于：包括至少两级电流采样单元；
21.各级电流采样单元包括电流互感器、电阻和二极管；各级电流采样单元中的电流
互感器不共磁芯；
22.各级电流采样单元的连接关系为：电流互感器原边绕组的同名端作为该级电流采样单元的电流输入端、异名端作为该级电流采样单元的电流输出端，电流互感器副边绕组与电阻并联后一端与二极管的阳极相连、另一端连接电路中的地；
23.各级电流采样单元中二极管的阴极连接在一起作为信号采样点。
24.实用新型提供的包含上述采样电路的多绕组串联变换器，其特征在于：在多绕组串联变换器某级的初级开关单元中串联一级电流采样单元。
25.相关术语解释：
26.开关管的控制端：控制开关导通与截止的端口，对于mos管，指的是mos管的栅极；对于三极管，指的是三极管的基极。
27.开关管的导通电流流入端：开关导通后，电流流入的端口，对于n沟道mos管，指的是mos管的漏极，在导通时，电流由电压高的漏极流向电压低的源极；对于p沟道mos管，指的是mos管的源极，在导通时，电流由电压高的源极流向电压低的漏极；对于npn三极管，指的是三极管的集电极，在导通时，电流是由电压高的集电极流向电压低的发射极。对于npn三极管，指的是三极管的发射极，在导通时，电流是由电压高的发射极流向电压低的集电极。
28.开关管的导通电流流出端：开关导通后，电流流出的端口，对于n沟道mos管，指的是mos管的源极；对于p沟道mos管，指的是mos管的漏极；对于npn三极管，指的是三极管的发射极；对于pnp三极管，指的是三极管的集电极。
29.与现有技术相比，本实用新型的有益效果如下：
30.1、本方案通过电流互感器采样各级初级开关单元中的电流，后进行叠加，
31.即使初级开关单元中仍然存在开关管时序不一致或电容不均压造成电流异常，也可通过互感器采样到一个正确的电流波形，进而保证原边功率器件工作在可靠范围内，增加产品的可靠性；
32.2、本方案更改了采样方式，减小了回路中的阻抗，提高产品效率；
33.3、本方案结构简单，增加器件很少，成本低，且易于设计，可靠性高。
附图说明
34.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
35.图1为现有公知技术的耐高压重叠式反激dc
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dc变换器的电路原理图；
36.图2为现有公知技术的耐高压重叠式反激dc
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dc变换器在开关管开通不一致及电容不均压时的电流回路图；
37.图3为包含本实用新型采样电路的多绕组串联变换器第一实施电路图；
38.图4为第一实施例中的采样电路在多绕组变换器中的另一种连接方式；
39.图5为包含本实用新型采样电路的多绕组串联变换器第二实施电路图；
40.图6为包含本实用新型采样电路的多绕组串联变换器第三实施电路图；
41.图7为第三实施例中的采样电路在多绕组变换器中的另一种连接方式；
42.图8为包含本实用新型采样电路的多绕组串联变换器第四实施电路图。
具体实施方式
43.本实用新型的发明构思为采用互感器采样，多级采样共磁芯且采样共输出，或多级采样不共磁芯，多个互感输入同名端接二极管阳极后在将所有二极管阴极接在一起作为采样点。本实用新型巧妙的通过修改电流采样方式，将因开关管开关不一致或电容不均压产生错误电流波形综合，提高ic采样到的电流的准确性，增加产品可靠性；同时减小回路中的阻抗，提高产品效率，使得该电路拓扑能设计成更大功率输出的电源产品。
44.为了使本实用新型更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
45.第一实施例
46.如图3所示为包含本实用新型采样电路的多绕组串联变换器第一实施例的原理图。
47.本实施例中的采样电路包括：电流互感器tr1、电阻r1和二极管d1组成的第一级电流采样单元和第二级电流采样单元；第一级电流采样单元包括电流互感器的原边绕组nt1、电流互感器的副边绕组ns1、电阻r1和二极管d1；第二级电流采样单元包括电流互感器的原边绕组nt2、电流互感器的副边绕组ns1、电阻r1和二极管d1；副边绕组ns1的同名端与电阻r1的一端以及二极管d1的阳极相连，电阻r1的另一端与绕组ns1的另一端、以及电路中的地相连，二极管d1的阴极作为信号采样点。
48.图3所示的多绕组串联变换器与图1不同之处在于通过本实施例的采样电路采样，无需采样电阻rcs；采样电路中的原边绕组nt1和原边绕组nt2串联后连接在多绕组串联变换器第一级开关单元的输出端与第二级开关单元的输入端之间。
49.需要说明的是，图3中采样电路中的各电流采样单元可以串联在多绕组串联变换器各初级开关单元回路内的任一一处，如图4所示，第一级电流采样单元串联在了主功率变压器原边绕组n1的电流输出端与主功率开关管q1的漏极之间、第二级电流采样单元串联在了主功率开关管q1的源极和主功率变压器原边绕组n2的电流输入端之间，同样可以实现发明目的。
50.在上述连接中，电流互感器tr1的绕组nt1与nt2电流的流入端为同名端，变压器t1 的原边绕组n1与n2的电流流出端为同名端。变压器t1的初级绕组n1和n2共磁芯，电流互感器tr1的原边绕组nt1与nt2共磁芯。
51.本实施例的采样电路应用于多绕组串联变换器的工作原理如下：
52.如图3所示，当开关管q1和q2驱动时序因电路寄生参数导致不一致时，均压电容c1、 c2储能的电容能量给对应开关回路提供缓冲时间，保证初级绕组n1、开关管q1和初级绕组 n2、开关管q2上的电压平衡，采用共磁芯的初级绕组n1、n2组成自动耦合调整，通过初级绕组n1、n2绕组上的互感电流平衡原理，进一步稳定电容c1、c2上的电压。为了避免在动态过程中初级绕组n1、n2之间产生电流互感现象，影响控制ic电流采样，使ic持续性驱动开关管q1和q2，导致开关管q1和q2不关闭，最终造成原边电流过大而损坏开关管。
53.本实施例电路通过电流互感器tr1的绕组nt1与绕组nt2同时采样两个初级开关单元上的电流。将两个电流进行相加后转换为电压信号给控制ic进行采样，避免了单独采样第二级初级开关绕组上可能存在的错误电流，大大提高采样电流的准确性。
54.第二实施例
55.如图5所示为包含本实用新型采样电路的多绕组串联变换器第二实施例原理图，与图3 不同之处在于本实施例包括：n(n＞2)级相同的电源变换器初级开关单元和均压单元，m(1 ＜m≤n)级电流采样单元，且该电流采样单元由多级原边电流互感器、电阻和二极管组成电流互感器电流采样电路，当m＜n时，电流互感器的原边绕组任意串联在n及初级开关单元内。
56.本实施例的采样电路具体包括：
57.电流互感器tr1、电阻r1和二极管d1组成的第一级电流采样单元、第二级电流采样单元、......、第m级电流采样单元；
58.第一级电流采样单元包括电流互感器的原边绕组nt1、电流互感器的副边绕组ns1、电阻r1和二极管d1；第二级电流采样单元包括电流互感器的原边绕组nt2、电流互感器的副边绕组ns1、电阻r1和二极管d1；
59.......
60.第m级电流采样单元包括电流互感器的原边绕组ntm、电流互感器的副边绕组ns1、电阻r1和二极管d1。
61.本实施例多级电路串联叠加后电路的工作原理与第一实施例一样，可实现同等功效。
62.第三实施例
63.如图6所示为包含本实用新型采样电路的多绕组串联变换器第三实施例原理图。
64.本实施例的采样电路包括：第一级电流采样单元和第二级电流采样单元；第一级电流采样单元包括电流互感器tr1、电阻r1和二极管d1；第二级电流采样单元包括电流互感器tr2、电阻r2和二极管d2；各级电流采样单元的连接关系为：电流互感器原边绕组的同名端作为该级电流采样单元的电流输入端、异名端作为该级电流采样单元的电流输出端，电流互感器副边绕组与电阻并联后一端与二极管的阳极相连、另一端连接电路中的地；
65.二极管d2的阴极与二极管d1的阴极相连，连接点作为信号采样点，与主控ic进行相连，进行采样控制；
66.初级绕组n1与开关管q1的连接点与初级绕组n2与开关管q2的连接点为t1变压器原边的同名端，或者说变压器t1的初级绕组n1与n2的电流流出端为同名端),变压器t1初级绕组共磁芯；采用的电流采样单元电流互感器原边完全独立，并非共磁芯。
67.图6所示的多绕组串联变换器与图1不同之处在于通过本实施例的采样电路采样，无需采样电阻rcs；采样电路中的第一级电流采样单元和第二级电流采样单元串联后连接在多绕组串联变换器第一级开关单元的输出端与第二级开关单元的输入端之间。
68.需要说明的是，图6中采样电路中的各电流采样单元可以串联在多绕组串联变换器各初级开关单元回路内的任一一处，如图7所示，第一级电流采样单元串联在了主功率变压器原边绕组n1的电流输出端与主功率开关管q1的漏极之间、第二级电流采样单元串联在了主功率开关管q1的源极和主功率变压器原边绕组n2的电流输入端之间，同样可以实现发明目的。
69.本实施例的采样电路应用于多绕组串联变换器的工作原理与第一实施例不同之处在于：电流互感器将电流信号转行为电压信号后不是直接给控制ic进行采样，而是通过
二极管后给控制ic进行采样控制，当第一级初级开关单元上产生的电流比第二级初级开关单元上产生的电流大时，则采取第一级初级开关单元上的电流进行反馈，同理，当第二级初级开关单元上产生的电流比第一级初级开关单元上产生的电流大时，则采取第二级初级开关单元上的电流进行反馈，避免了单独采样单个初级开关单元内由于正激电流导致的初级开关单元内的异常电流，使采样的电源一直为正向电流。控制ic可以有效的控制mos管的开关，大大提高采样电流的准确性。
70.第四实施例
71.如图8所示为包含本实用新型采样电路的多绕组串联变换器第四实施例原理图，与图6 不同之处在于本实施例包括：n(n＞2)级相同的电源变换器初级开关单元和均压单元，m(1 ＜m≤n)级电流采样单元，电流采样单元由电流互感器、电阻和二极管组成电流互感器电流采样电路，当m＜n时，电流互感器的原边绕组任意串联在n及初级开关单元内。
72.本实施例的采样电路包括：包括第一级电流采样单元、第二级电流采样单元、......、第m 级电流采样单元；第一级电流采样单元包括电流互感器tr1、电阻r1和二极管d1；第二级电流采样单元包括电流互感器tr2、电阻r2和二极管d2；......第m级电流采样单元包括电流互感器trm、电阻rm和二极管dm。
73.本实施例的多级电路串联叠加后电路的工作原理与第三实施例一样，可实现同等功效。
74.按照本实用新型的上述内容，利用本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本实用新型上述基本技术思想前提下，本实用新型中具体实施电路还可以做出其它多种形式的修改、替换或变更，均落在本实用新型权利保护范围之内。