专利名称：Dc/dc全桥移相电力调压模块的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及直流变换器，特别是一种电力系统操作电源的调压变换装置。
背景技术：
目前，电力系统中控制母线电压大多采用降压硅链来稳压。其原理为，控制单元检测母线电压并与设定值比较，当母线电压高于(低于)设定值的上限(下限)时，控制器发出信号，驱动继电器，通过执行继电器的分断与闭合，改变硅链串联的数目，从而确保母线电压值在规定范围内。由于每个硅管的压降几乎是固定的，也就是说这种降压方式是一种有级降压，因而输出电压稳定度差。而且，输入输出间的电压差都降在硅管上，并以热的形式损耗掉，使得硅链降压方式变换效率很低。另外，这种变换方式的输入输出是不隔离的，只能降压不能升压，体积大，配置起来不灵活，应用面窄。
随着电力电子技术的飞速发展，近几年利用高频脉宽调制(PWM)技术的开关电源逐步应用到电力系统中，它是通过改变开关晶体管的导通时间和截止时间来控制输出电压，使之稳定在预定的电压值上。采用相应的变换器电路和控制电路的结合，可以实现对电力系统中控制母线电压的稳压控制。
发明内容
为了克服现有降压方式的不足，本实用新型提供一种以带钳位二极管的零电压开关PWM全桥直流变换器进行调压的装置。
本实用新型的DC/DC全桥移相电力调压模块，它包括主电路和控制电路两个部分，主电路中设有零电压开关PWM移相全桥电路，其特征是在所设的零电压开关PWM移相全桥电路基础上设有两个起钳位作用的二极管，使电路中的谐振电感上的能量在换流过程中不再与输出电路起作用，并由谐振电感的存在，减小了开通时原边峰值电流，使得主变压器漏感上贮能减小，对输出整流二极管上的尖峰电压进行钳位，其中，一个钳位管二极管的阳极、与另一个钳位管二极管的阴极接在隔直电容和谐振电感的公共节点上，而其相应的一个钳位管二极管的阴极接到输入母线正端，一个钳位管二极管的阳极接到输入母线负端。
本实用新型具有以下优点(1)由于采用了PWM技术，它实现了在输入电压范围内的无级调压，保证了输出电压有较高的稳定度，其稳压精度≤0.5％。
(2)由于采用自然冷却方式，因此无可闻噪音。
(3)由于采用了钳位拓扑，抑制了输出整流二极管的尖峰电压，减小了开关损耗，同时省去了输出整流二极管的吸收电路，变换效率可高达95％，该变换器体积小，效率高，重量轻，便于运输和维护。
(4)本装置输入电压范围宽，升压降压均可，而且通过内置CPU，可方便的实现微机监控及三遥。
(5)它采用了输入输出隔离，应用模块化结构，故其配置灵活方便，应用范围更广。
图1是现有技术中硅链降压方式的电路原理图。
图2是本实用新型的基本原理图。
图3是本实用新型实施例的主电路原理图。
图4是图3的控制电路原理图。
具体实施方式
以下结合实施例及其附图对本实用新型作进一步的说明参见附图。
图1给出了一种现有技术的结构原理，它利用了硅堆结构方式，由控制单元检测控制母线A电压，与设定值比较，获得控制信号，驱动继电器，通过执行继电器的分断与闭合，改变硅链C串联的数目，使控制母线B的电压值稳定在规定范围内。显然，这种有级降压以硅结的固定压降为级差，因而直接影响到输出电压的稳定度。
图2所示为本实用新型创新所在的基本内容。本实用新型的DC/DC全桥移相电力调压模块，它包括主电路和控制电路两个部分，主电路中设有零电压开关PWM移相全桥电路，如图所示在所设的零电压开关PWM移相全桥电路基础上设有两个起钳位作用的二极管，使电路中的谐振电感L1上的能量在换流过程中不再与输出电路起作用，又由于谐振电感L1的存在减小了开通时原边峰值电流，使得主变压器T2漏感上的贮能减小，从而钳位了输出整流二极管上的尖峰电压，其中，一个钳位管二极管D8的阳极、与另一个钳位管二极管D27的阴极接在隔直电容C4和谐振电感L1的公共节点上，而其相应的一个D8的阴极接到输入母线正端M，一个D27的阳极接到输入母线负端N。图示A-B、B-A为滞后驱动信号端、C-D、D-C为超前驱动信号端。
图3为本实用新型实施例的主电路，它由5个电路部分组成。分别为基本拓扑电路，全桥整流输出电路(I框)，4个MOS管驱动单元(II框为其中之一)，辅助电源电路(III框)，输入电源滤波器(EMI)。
其中①A是驱动信号A的输出端，②B是驱动信号B的输出端，③C是驱动信号C的输出端，④D是驱动信号D的输出端，⑨是测量电压采样信号输出端，⑩是输出电压采样信号输出端，是输出电流采样信号输出端。
图3中，D43～D46分别是场效应管M1～M4的体二极管，C3、C5、C13、C14分别是M1～M4的寄生电容或为改善零压开通条件所外接的电容，L1是谐振电感，C4是隔直电容，T2是高频升压变压器，D8、D27是钳位二极管，D26、D28、D41、D42是输出整流二极管，C15、C16、C35、C36和GM1是π型共模滤波电路，L3和C38平滑滤波，D34是防反冲二极管，MOS驱动电路采用了较简单的变压器隔离驱动的方式。辅助电源是用TOPSWITCH公司的TOP227Y芯片做成的反激式电源，该电路是较典型的反激式接法。驱动信号C和驱动信号D相差180°，互补导通，驱动信号A和驱动信号B相差180°，互补导通，驱动信号C和驱动信号D分别超前于驱动信号A和驱动信号B一个移相角，因此称M1和M3为超前管，M2和M4为滞后管。
由于在这种零电压电路中，光靠变压器漏感往往不足以实现零电压条件，所以通常都加有谐振电感，谐振电感的加入限制了原边电流峰值，减小了变压器漏感贮能，钳位二极管D8、D27的钳位作用使得谐振电感的能量不参与副边的谐振，从而避免副边整流二极管出现过高的电压尖峰，可保证整流管安全运行，省去了副边输出整流二极管的耗能吸收电路，简化了输出电路，提高了变换器的变换效率。
工作时t0时刻，MOS管M1、M4开通，输入电流流经MOS管M1、变压器T2、隔直电容C4、谐振电感L1、MOS管M4，输入向副边传送功率；t0-t2时段，MOS管M1关断、M4保持开通状态，由于寄生电容或外接电容C3、C13两端电压不能突变，C3充电，C13放电，电流流经寄生电容C3、C13、变压器T2、隔直电容C4、谐振电感L1、钳位二极管D27，MOS管M4，由于钳位二极管D27的作用，变压器原边电压开始下降；t2时刻，MOS管M3的寄生二极管自然导通，此时驱动信号开通MOS管M3，M3被零电压开通。t3时刻，原边电压下降到零，副边被短路，原边不再向副边传送功率，负载电流靠输出滤波电感的蓄能维持；t4时刻，关断MOS管M4，谐振电感L1上的能量给寄生电容C5放电，C14充电；t5时刻，寄生二极管D44自然导通，此时开通MOS管M2，实现MOS管M2的零电压开通。t6时刻，电流流向开始改变，经MOS管M2、谐振电感L1、隔直电容C4、变压器T2、MOS管M3返回，当原边电流增大到副边电流在原边的折算值时，输入开始重新向副边传送能量。这就完成了半周期中一对开通桥臂M1、M4关断，另一对关断桥臂M2、M3开通的转换。同样的，在下半个周期中，桥臂M2、M3开通一段时间后，MOS管M3先被关断，接着MOS管M1零电压开通，然后，MOS管M2被关断，最后，MOS管M4零电压开通，电流流向再次改变。这样的周期反复进行，输入直流电压经带钳位二极管的零电压开关PWM全桥变换电路的变换，变成交流矩形波，再经升压变压器升压、输出整流滤波后，再次得到平滑的直流电压。输出电压采样信号⑩、输出电流采样信号(12)分别被送入控制电路，经PI调节器1(由IC3B、C22、R34、R35构成)、PI调节器2(由IC2A、C20、R5、R6构成)，处理过的误差信号送入移相控制芯片UC3879的EA-脚，调节UC3879输出驱动信号OUTA、OUTB、OUTC、OUTD间移相角度，进而控制桥臂的导通时间，整个电路就成了一个闭环控制系统。
图4所示是与图3主电路配用的控制电路。其中，模块的接口接端有①A是驱动信号A接于控制接口芯片IC4的OUTA；②B是驱动信号B接于控制接口芯片IC4的OUTB；③C是驱动信号C接于控制接口芯片IC4的OUTC；④D是驱动信号D接于控制接口芯片IC4的OUTD；⑤是基准参考源接于基准稳压器IC14的阴极；⑥是电流信号接于运放IC1A的输出脚；⑦是电流整定信号接于CPU芯片IC15的P4.2口；⑧是电压整定信号接于CPU芯片IC15的P4.1口；⑨是测量电压采样信号接于主电路输出部分的R24的高电位端；⑩是输出电压采样信号接于主电路输出部分的R25的高电位端；是输出电流采样信号接于主电路输出部分的R23的低电位端。
控制芯片IC4(UC3879)采用了Unitrode公司的移相控制芯片。其引脚功能及应用如下参考电压脚VREF(pin1)提供一精确的5V电压，它由内部短路电流所限制，当芯片工作电压低于门槛电压UVLO时，VREF无效；当VREF低于4.75V时，该电路也无效。通常在该脚并接一低寄生电阻和低寄生电感的电容。
误差放大器输出脚COMP(pin2)该脚是反馈控制增益级的输出端。当该脚电压低于0.9V时，输出移相角为零。由于误差放大器有一个相对低驱动能力，在驱动一个过低的阻抗时，可能会出现过载。
误差放大器反相输入端EA-(pin3)该脚一般接反馈电压。同时在该端与输出端COMP之间接一补偿电路。
电流检测端CS(pin4)该脚是电流比较器的同相输入端。其反相输入端在内部设置成2.0V或2.5V。当该脚超过2.0V时，误差放大器输出电压将超过RAMP端的电压，过流比较器将限制移在一个基本的值上。当该脚电压超过2.5V时，输出被关断，软启动脚被拉至零。如果在该脚加入超过2.5V的直流电压时，四个移相输出端被关闭，并重新开始软启动。当CS端的电压低于2.5V时，在SS端电压开始上升前，开始以0度移相角输出，即脉宽为0。
输出驱动的死区控制脚DELAYSETC-D(pin5)/DELAYSETA-B(pin15)在同一桥臂的一对开关管断开和开通间设置延时时间以防止一个桥臂的直通。在该引脚与信号地之间并接一个电阻和电容，就可以设置不同的死区时间。
软启动脚SS(pin6)在该脚与地之间连接一电容，可以设置软启动时间，使全桥变换器地脉宽从0开始慢慢增大。当VIN脚地电压低于UVLO门槛电压，该脚的电压保持为零电压。当VIN和VREF有效时，该脚的电压由内部9uA的电流源拉升到4.8V。当电流检测端的电压超过2.5V时，该脚电压也为零。
输出脚OUTA～OUTD(pin7、pin8、pin12、pin13)这四个输出脚都是图腾柱输出，提供100mA的驱动电流，可以直接驱动场效应管。每对中的两个输出占空比为50％。C-D对用以驱动全桥电路的超前桥臂的开关管，且与时钟信号同步。A-B对则驱动全桥电路滞后桥臂的开关管，它们相对于C-D对输出信号移相了一定的角度。
输出级电源电压VC(pin9)该脚为输出级及其相关的偏置电路提供电源。在该脚与电源地PWRGND之间应连接一个低ESR/ESL(低寄生电阻/寄生电感)的电容。
信号级电源电压VIN(pin10)该脚为芯片内部逻辑与模拟电路提供电源。正常工作时应在该脚接入一稳定的符合芯片要求的电压。为了确保工作正常，在VIN低于UVLO门槛电压时，芯片不工作。在该脚与GND之间应连接一低ESR/ESL的电容。
电源地PWRGND(pin11)在电源VC引脚和PWRGND间接低ESR/ESL地旁路电容。
振荡频率设置脚CT(pin14)当选择好RT以确定最大占空比后，可用下式确定CT以选择所需地开关频率CT=Dmax1.08×RT×f]]>其中f为要设置的开关频率，Dmax为最大占空比。
为了保证较高的精度和减少寄生分布的影响，该容值不能低于200pF，PWM控制信号地最高频率可达600KHz。
UVLO开门电压设置脚UVSEL(pin16)该脚为VIN地欠压锁定输出设置脚。将该脚与VIN相连，可设置有1.5V迟滞地10.75V开门电压；如果将该脚开路，则设置有6V迟滞地15.25V开门电压。
时钟信号/同步信号占空比设置脚RT(pin18)UC3879振荡器产生一锯齿波，锯齿波的上升边由连接在RT与GND之间的电阻和连接在CT与GND之间的电容来决定。锯齿波的下降边由输出死区时间决定。RT的选择由所需的最大占空比来决定RT=2.510mA×(1-Dmax)]]>锯齿波电压端RAMP(pin19)该引脚是PWM比较器的输入脚。如果是电压控制型，则将它连接在CT脚；如果是电流型，则将它连接在CS端，同时将它连接到电流检测变换电路的输出端。锯齿波的斜率补偿由从CT脚到RAMP的电压来决定。
信号地GND(pin20)所有电压都是相对于GND测量的。
IV框所示为均流电路，其IC3(UC3902)是Unitrode公司的自主均流芯片，电路接法采用了Unitrode公司提供的器件资料中的典型接法。其中P端接到另一台模块的均流母线正节点，Q端接到另一台模块的均流母线负节点。
V框所示为中心控制器，IC15为内置CPU部分，采用的是TI公司的MCS430F149。LM35是温度感应器，TL431是基准电压源。
具体实施中，利用了MOS管本身的寄生二极管，采用MOS管双管并联的方式，以增加通流量。该实施例是220V15A的自然冷却的调压模块，输入电压范围为180～300Vdc，输出电压范围210～232Vdc，输出额定电流15A，稳压精度≤0.5％。
权利要求1.一种DC/DC全桥移相电力调压模块，它包括主电路和控制电路两个部分，主电路中设有零电压开关PWM移相全桥电路，其特征是在所设的零电压开关PWM移相全桥电路基础上设有两个起钳位作用的二极管，使电路中的谐振电感(L1)上的能量在换流过程中不再与输出电路起作用，并由谐振电感(L1)的存在，减小了开通时原边峰值电流，使得主变压器(T2)漏感上贮能减小，对输出整流二极管上的尖峰电压进行钳位，其中，一个钳位管二极管的(D8)阳极、与另一个钳位管二极管(D27)的阴极接在隔直电容(C4)和谐振电感(L1)的公共节点上，而其相应的一个钳位管二极管(D8)的阴极接到输入母线正端(M)，一个钳位管二极管(D27)的阳极接到输入母线负端(N)。
专利摘要本实用新型公开了一种电路装置模块。DC/DC全桥移相电力调压模块，包括主电路和控制电路两个部分，主电路中设有零电压开关PWM移相全桥电路，其中设有两个起钳位作用的二极管，使电路中的谐振电感上的能量在换流过程中不再与输出电路起作用，并由谐振电感的存在，减小了开通时原边峰值电流，使得主变压器漏感上贮能减小，对输出整流二极管上的尖峰电压进行钳位，一个钳位管二极管的阳极、与另一个钳位管二极管的阴极接在隔直电容和谐振电感的公共节点上，而其相应的一个钳位管二极管的阴极接到输入母线正端，一个钳位管二极管的阳极接到输入母线负端。实现了无级调压和模块结构化，稳压精度≤0.5％。该模块用作电力系统操作电源的调压变换装置。
文档编号H02M3/04GK2691158SQ200320109339
公开日2005年4月6日 申请日期2003年10月27日 优先权日2003年10月27日
发明者范德育 申请人:杭州中恒电气股份有限公司