一种多路输出列车控制电源电路

1.本实用新型涉及一种适用于列车控制电源系统中高效节能的多路输出dc—dc变换器，属于dc—dc变换器的范畴。


背景技术：

2.列车电气系统是整个列车安全、可靠运行的关键，而为列车控制系统提供工作电压的列车控制电源也成为列车的关键部件之一，其运行正常与否将直接影响和决定列车的运行安全。然而，列车综合控制柜里电源变换器功率相对较小，并未引起学术界和工业界的重视。目前，列车制电源仍采用反激、正激和半桥等硬开关变换器拓扑，不仅转换效率较低，而且发热严重，可靠性较差，更为重要的是，随着能源短缺问题的日趋严重，这种硬开关式控制电源无法满足未来节能和环保的发展要求。
3.列车综合控制柜内控制电源，输入电压为dc110v，输出电压主要有+24v，+12v等。是以半桥硬开关变换器拓扑电路通过多绕组组结产生电压 v01和v02，分别为列车控制系统的plc和传感器提供电源。在控制方面，只对输出电压v01 进行闭环调节，v02为开环工作。这种结构直接利用了拓扑本身的性能对输出电压进行调节，其主要优点是结构简单，成本低，但其存在如下问题：
①
变换器拓扑为硬开关拓扑，电源效率较低；
②
v02没有闭环调节，输出电压调整率受变压器二次侧漏感大小、二次侧功率元器件参数一致性及电路工作模式影响很大，稳压精度差；
③
低可靠性，低效率，发热严重，热损坏率大，无法适应列车控制系统的复杂工作环境和国家能源战略要求。
4.鉴于以上情况，需一种高效、节能、稳定的多路输出列车控制电源。


技术实现要素：

5.为了克服上述现有技术的不足，本实用新型提供了一种多路输出列车控制电源电路，该电路具有效率高、损耗低、功率密度高、易实现软开关等优点，通过调整参数选择相应的mosfet管、变压器、谐振电感、谐振电容、反馈电阻等元器件，即可得到不同的输出压和功率，来满足列车内不同控制电源的需求。
6.一种多路输出列车控制电源电路，其特征在于，包括：llc半桥谐振变换模块、变压器、整流滤波模块、输出电压模块、反馈模块、pfm控制模块、过流检测模块及驱动模块；
7.其中，llc半桥谐振变换模块包括mosfet管q1、q2、谐振电感lr、谐振电容cr、dc110v+端、dc110v－端、vs端、ob端、lo端、ho端；整流滤波模块包括二极管d1、d2、d3、d4、电容c1、c2、c3、c4、c5、c6、磁珠l1、l2、v10端；输出电压模块包括负载rl1、负载rl2、v01端、v02端；变压器为多绕组高频变压器tm，多绕组高频变压器tm设有至少两个用于输出不同电压的输出端和公共抽头端；
8.所述pfm控制模块用于实现主电路llc半桥谐振变换器的脉冲频率调制（pfm）、输出电压控制、软启动、过流保护和死区时间调整等，包括芯片u3、mosfet管q3、电阻rt1、rt2、dt1、r11、r12、r13、r14、电容c9、c10、c15、稳压二极管wd1、wd2、二极管d7、输入输出端等；
9.所述反馈模块用于实时采集输出电压v01和v02的变化，给pfm控制模块提供可靠地输出电压信息，包括光耦u1、可控精密稳压源u2、以及分压电阻和电容等；
10.所述过流检测模块用于检测主电路出现短路或者其它不正常的过流状态，输入端与llc半桥谐振变换模块的ob端连接，输出端与pfm控制模块的oc端连接；
11.所述驱动模块用于将pfm控制模块输出的方波信号转换为llc半桥谐振变换模块mosfet管q1和q2的驱动信号。
12.进一步的，所述驱动模块中为mosfet管q1提供驱动信号应为高压隔离信号，为了简化电路，减少脉冲变压器，避免功率电路对控制电路的影响，驱动模块中选用fan7390驱动芯片，该芯片以自举驱动电路为核心，内部集成高压与高速双通道和自举电路，外面电路简单，只要有二极管d7、电容c11、c12就能正常运行。
13.进一步的，所述一种多路输出列车控制电源电路采用脉冲频率调制（pfm）模式，工作过程为：反馈模块把采样到的输出电压（v01和v02）与给定电压进行比较算出偏差，反馈模块并把偏差送给pfm控制模块，pfm控制模块根据偏差信息调节相应工作频率，llc半桥谐振变换模块根据工作频率来稳定输出电压。
14.进一步的，当该电路在额定输入电压和额定负载下工作时，pfm控制模块的工作频率刚好在llc半桥谐振变换器谐振频率附近，电源变换器即可以实现mosfet管的零电压开通（zvs）又可以保证二次侧整流管零电流关断（zcs），从而获得最佳的工作效率；当输入电压下降或负载电流变大时，反馈模块检测到输出电压有变小趋势，把信息传递给pfm控制模块，pfm控制模块自动调节降低工作频率，使llc半桥谐振变换器的增益增大，输出电压回升，保持输出电压的稳定。反之，当输入电压下降或负载电流变小时，反馈模块检测到输出电压有变大趋势，把信息传递给pfm控制模块，pfm控制模块自动调节升高工作频率，使llc半桥谐振变换器的增益增减小，使输出电压回落，也保持输出电压的稳定。
15.该实用新型电路采用半桥llc谐振变换器拓扑结构，利用变压器的充磁电感，不借助任何辅助网络就能实现全负载范围内一次侧开关管的零电压开通（zvs）和二次侧整流管的零电流关断（zcs），降低一次侧环流能量损耗和开关管关断电流应力，具有较高的变换效率；并利用高频变压器的堆叠式绕法和所有输出回路闭环调节，减小漏感和体积，提高了每路输出电压的稳定性，进一步降低了损耗。
附图说明
16.结合附图并参考以下详细说明，该实用新型公开各实施例的上述和其他特征、优点及方面将变得更加明显。附图用于更好地理解本电路，不构成对本公开的限定在附图中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的元素，其中：
17.图1为本实用新型提供的多路输出列车控制电源电路结构示意图；图中：1-llc半桥谐振变换模块，2-变压器，3-整流滤波模块，4-输出电压模块，5-反馈模块，6-pfm控制模块，7-过流检测模块，8-驱动模块；
18.图2为本实用新型提供的pfm控制模块电路连接示意图；
19.图3为本实用新型提供的反馈模块电路连接示意图；
20.图4为本实用新型提供的过流检测模块电路连接示意图；
21.图5为本实用新型提供的驱动模块的电路连接示意图。
具体实施方式
22.下面结合附图对本实用新型所提供的一种多路输出列车控制电源电路进行详细说明：
23.图1所示，本实用新型一种多路输出列车控制电源电路，由llc半桥谐振变换模块、变压器、整流滤波模块、输出电压模块、反馈模块、pfm控制模块、过流检测模块、驱动模块组成；
24.所述llc半桥谐振变换模块包括mosfet管q1、mosfet管q2、谐振电感lr、谐振电容cr、dc110v+端、dc110v－端、vs端、ob端、lo端、ho端；
25.所述整流滤波模块包括二极管d1、二极管d2、二极管d3、二极管d4、电容c1、电容c2、电容c3、电容c4、电容c5、电容c6、磁珠l1、磁珠l2、v10端；
26.所述输出电压模块包括负载rl1、负载rl2、v01端、v02端；
27.所述变压器为多绕组高频变压器tm，多绕组高频变压器tm设有至少两个用于输出不同电压的输出端和公共抽头端；
28.其中，mosfet管q1的漏极连接dc110v+端并与列车dc110v电源正极端连接，mosfet管q1的源极分别连接mosfet管q2的漏极、谐振电感lr一端和vs端，mosfet管q1的栅极连接ho端，mosfet管q2的栅极连接lo端，谐振电感lr另一端连接多绕组高频变压器tm原边绕组一端，多绕组高频变压器tm原边绕组另一端连接谐振电容cr一端和ob端，mosfet管q2的源极连接谐振电容cr另一端和dc110v－端并与列车dc110v电源负极端连接，多绕组高频变压器tm的副边绕组的四个端分别连接二极管d1阳极、二极管d2阳极、二极管d3阳极和二极管d4阳极，多绕组高频变压器tm的副边绕组中心抽头端接地，二极管d1的阴极连接二极管d2阴极、电容c1一端、磁珠l1一端和v10端，电容c1另一端接地，电容c2与c1并联，磁珠l1另一端连接电容c3一端和v01端，电容c3另一端接地，负载rl1与电容c3并联，二极管d3的阴极连接二极管d4阴极、电容c4一端和磁珠l2一端，电容c4另一端接地，电容c5与c4并联，磁珠l2另一端连接电容c6一端和v02端，电容c6另一端接地，负载rl2与电容c6并联；
29.所述反馈模块两个输入端分别连接在所述输出电压模块的v01端和v02端上，所述反馈模块输出端连接pfm控制模；
30.所述pfm控制模块输入端连接在所述过流检测模块上，所述pfm控制模块输出端连接所述驱动模块；
31.所述过流检测模块还与所述llc半桥谐振变换模块的ob端连接；
32.所述驱动模块还与llc半桥谐振变换模块的vs端连接。
33.图2为本实用新型提供的pfm控制模块电路连接示意图，所述pfm控制模块是实现主电路llc半桥谐振变换器的脉冲频率调制（pfm）、输出电压控制、软启动、过流保护和死区时间调整等，包括芯片u3、mosfet管q3、电阻rt1、rt2、dt1、r11、r12、r13、r14、电容c9、c10、c15、稳压二极管wd1、wd2、二极管d7、dc110v+端、v02端、vcc端、fb端、oc端、gd1端和gd2端；芯片u3为ucc25600芯片，其第1引脚接电阻dt1；u3的第2引脚接电阻rt1和rt2，rt1另一端接电容c9和fb端；u3的第3引脚接oc端；u3的第4引脚接电容c10；u3的第5引脚接gd2端；u3的第7引脚接二极管d7阴极、稳压二极管wd2阴极、mosfet管q3源极以及vcc端，q3栅极、r14、r13串联，r13另一端接dc110v+端，q3漏极接稳压二极管wd1阴极、电容c15以及电阻r12，r12和r11串联，r11另一端接dc110v+端；u3的第8引脚接gd1端。
34.具体的，所述芯片u3内部集成了osc振荡器能够提供40khz到350khz的开关频率，还能够设置死区时间的大小，从而保证电源变换器在最小励磁电流下实现mosfet管的零电压开通（zvs）。该芯片内部还集成2.5v基准电压源与第1 引脚连接，只需设置相应电阻rt2或rt1，就可以设定相应最低或最高工作频率。该芯片还具有软启动功能，当电路处于启动或者故障后恢复过程中时，软启动电路能够抑制过高的谐振电流，并保证mosfet管零电压开通（zvs）的实现；电路软启动时，芯片的工作频率不断降低，来保证电路的稳定启动；软启动的时间，可以通过跨接在第4引管脚与地之间的电容c10来设置。该芯片的过流保护功能，是通过第3引脚oc端来实现的，当oc端的电压高于1v时，该芯片内功率电路关断；当oc端电压低于0.6v时，芯片重新进入软启动模式；当oc端电压高于2v时，整个系统将彻底停止工作，只有将芯片的供电电压降至9.5v以下才能重启芯片，从而保证系统的稳定性。
35.具体的，所述pfm控制模块中，电阻r11、r12、r13、r14、mosfet管q3、稳压二极管wd1、wd2、二极管d7和电容c15所组成的电路是为控制电路提供启动和工作电源。当电路启动时，dc110v经电阻r11、r12限流和wd1稳压后使q3导通，从而使dc110v电源经电阻r13、r14、q3漏极、q3源极、wd2稳压后，给控制电路供电；当启动结束后，输出电压v02便可以通过d7给控制电路供电。
36.图3为本实用新型提供的反馈模块电路连接示意图，所述反馈模块用于实时采集输出电压v01和v02的变化，给pfm控制模块提供可靠地输出电压信息，包括光耦u1、可控精密稳压源u2、电阻r1、r2、r3、r4、r5、r6、r7、r8、r9、r10、电容c7、c8、v10端、v01端、v02端和fb端；u1为pc817光耦，其第1引脚接电阻r6、r7，r6另一端接v10端；u2的第2引脚接电阻r7、r8以及u2 k端，电容c8与可控精密稳压源u2的k端和a端并联；u1的第4引脚接电阻r9，r9另一端接r10以及fb端；可控精密稳压源u2的r端接电阻r2、r4、r5以及电容c7，c7另一端接r8，r2与r1串联，r1另一端接v01端，r4与r3串联，r3另一端接v02端。
37.具体的，所述反馈模块能实时采集输出电压v01和v02的变化，为pfm控制模块提供可靠地输出电压信息。该反馈模块采用可控精密稳压源tl431与光耦pc817配合构成反馈电路，其电路简单，稳压性能最好，能够非常准确的反应v01和v02的变化；pfm控制芯片u3的工作频率与该芯片第2引脚流出的电流成正比；而输出电压（v01和v02）与llc半桥谐振变换模块两个mosfet管q1和q2的工作频率成反比；在pfm控制环路中，电源变换器自己就是一个反向器，需要用正反馈来控制输出电压。当输入电压上升或负载电流变小时，输出电压（v01或v02）有变大趋势，致u2的r端电压升高，流过u2的电流增大，光耦u1发光加强，感光端的光敏三极管的集电极与发射极导通程度增强，内阻变小，流出u3芯片第2引脚的电流增大，u3芯片工作频率上升，llc半桥谐振变换的直流电压增益降低，使得输出电压（v01或v02）回落，稳定了输出电压。同理，当输入电压下降或负载电流变大时，输出电压（v01或v02）有变小趋势，致u2的r端电压下降，流过u2的电流减小，光耦u1发光变弱，感光端的光敏三极管的集电极与发射极导通程度减弱，内阻变大，流出u3芯片第2引脚的电流减小，u3芯片工作频率下降，llc半桥谐振变换的直流电压增益增加，使得输出电压（v01或v02）回升，也稳定了输出电压。
38.图4为本实用新型提供的过流检测模块电路连接示意图，所述过流检测模块用于检测主电路出现短路或者其它不正常的过流状态，包括电阻rs1、rp1、电容cs1、cp1、二极管d5、d6、ob端和oc端；ob端接电容cs1，cs1与电阻rs1串联，rs1另一端接二极管d5阳极、d6阴
极，d5阴极接电阻rp1、电容cp1以及oc端。
39.具体的，所述过流检测模块检测谐振电容cr 两端的电压，经电容cs1、电阻rs1分压，二极管d5、d6整流，电容cp1滤波后在电阻rp1的oc端上得到主电路的保护信号，当oc端电压大于1v时，pfm控制模块中的u3芯片将进入过流保护模式。
40.图5为本实用新型提供的驱动模块的电路连接示意图，所述驱动模块用于将pfm控制模块输出的方波信号转换为llc半桥谐振变换模块mosfet管q1和q2的驱动信号，包括芯片u4、电阻r15、r16、r17、r18、r19、r20、电容c11、c12、c13、c14、二极管d7、d8、d9、gd1端、gd2端、vcc端、lo端、ho端和vs端；芯片u4为fan7390芯片，其第1引脚接gd1端；u4的第2引脚接gd2端；u4的第4引脚接电阻r15和r16，r15另一端接二极管d8阴极，d8阳极接r17、r16另一端以及lo端；u4的第5引脚接电容c13、c14、二极管d7阳极以及vcc端；u4的第6引脚接电容c11、c12、电阻r20以及vs端；u4的第7引脚接电阻r18和r19，r19另一端接二极管d9阴极，d9阳极接r18另一端、r20另一端以及ho端。
41.本实用新型通过设置pfm控制模块、反馈模块以及过流检测检测模块，实现软启动、过流保护、过压保护、过温保护、高低边输出以及死区时间设置等功能；通过多闭环控制提高了每路输出电压稳压精度；以llc半桥谐振变换拓补结构，减少了功率器件的硬损耗；本实用新型电路结构简单、效率高、体积小、功率密度大、电磁兼容性能好等优点。
42.本实用新型将llc谐振变换技术和变压器堆叠式绕法引入到列车控制电源中，进一步提高列车控制电源的效率和稳压精度，符合列车行车安全和国家能源发展战略的要求。
43.应当理解，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。