一种模块化高压供电电路的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种模块化高压供电电路，包括：升压电路，用于将输入的低压宽范围直流电压升压为相对电压较高的直流电压输出；谐振升压隔离电路，连接所述升压电路，用于将升压电路输出的直流电压转化为谐振交流电并通过变压隔离后输出；倍压整流电路，连接所述谐振升压电路，用于将谐振升压隔离电路谐振变化后输出的交流电整流为直流电并进行倍压升压；控制电路，对所述升压电路进行电压闭环控制、对所述谐振升压隔离电路进行定频开环控制。电路各级短路结构相对固定，适合低压宽范围输入、高压高隔离多路输出，输出电压精度高，控制简单，功率密度高，易于模块化，特别适合模块化后作为MPM的供电电源。
【专利说明】一种模块化高压供电电路
【技术领域】
[0001] 本发明涉及检测技术、信号处理与电气控制领域，特别涉及一种基于单片机系统 电路的智能机械手控制系统。
【背景技术】
[0002] 高压电源是微波功率模块（MPM)所必须的供电装置，MPM的核心单元是行波管放 大器，其阴极，栅极、收集极均需要高压供电，且为了提高效率，其收集极常常又采用多级降 压收集极技术，需要多组高压电源，因此整个行波管的供电需要多路高压电源供电。MPM具 有宽带、高效、低噪、小体积、轻重量等优点而逐渐成为雷达、卫星通信星载系统、激光器、医 用X射线等领域的标准化通用放大器，其供电电源技术难点也相应地主要集中在高功率密 度化、高效率化、高可靠性、易于模块化等几个方面，因此选择合适的供电电路，是保证MPM 性能的前提。目前MPM供电电路大多采用移相全桥、谐振半桥/全桥、多谐振等电路方式，工 作在高频PWM模式或高频谐振模式，前端由直流电源或经过整流后的交流电源作为输入， 经高频变流后，通过高频隔离变压器在副边整流形成多组高压电源，其系统典型结构如图1 所示。
[0003] 移相全桥由于采用零电压开关（ZVS)方式，可以实现较大的功率等级和较高的转 换效率，但存在一些明显的缺陷，例如输入电压不能太低，变化范围不能太宽，输出需要滤 波电感，轻载时难以实现ZVS等，加之由于变压器升压变比高、匝数多而呈现较大的寄生参 数，尤其是漏感会在高频开关工作中引起电压尖峰而威胁器件安全，因此导致此种电路很 难实现更高等级的电压输出和更高的转换效率。
[0004] 谐振半桥/全桥电路一般有串联谐振、并联谐振两种模式，由于利用寄生电感电 容参与工作而避免了寄生参数对电路安全性的影响，同时由于可以实现功率开关管的零电 压开关（ZVS)或零电流开关（ZCS)，提高了转换效率，降低了 EMI噪声，提高了开关频率，实 现了高效率高功率密度，但同样存在低压输入场合时因隔离变压器升压变比较大导致在 兼顾高绝缘要求时变压器设计困难，尤其在输入电压变化范围较宽和负载变化较大时系统 闭环稳定性设计非常困难，轻载尤其是空载时难以实现输出电压的稳定。
[0005] 多谐振电路是一种结合了串并联谐振优点的电路，但这种电路由于谐振元件的增 力口，工作模态中呈现多个谐振过程，使得电路参数的设计和优化都变得十分复杂和繁琐，同 时它也不能解决在输入电压变化范围较宽和负载变化较大时系统闭环稳定性设计困难，轻 载时输出电压的稳定等问题。
【发明内容】
[0006] 本发明要解决的技术问题是提供一种能够低压宽范围输入、高压搞隔离多路输 出、输出电压稳定效率搞得高压供电电路。
[0007] 为解决上述技术问题，本发明的技术方案具体是这样实现的：本发明提供了一种 模块化高压供电电路，其特征在于，包括：升压电路，用于将输入的低压宽范围直流电压升 压为相对电压较高的直流电压输出；谐振升压隔离电路，连接所述升压电路，用于将升压电 路输出的直流电压转化为谐振交流电并通过变压隔离后输出；倍压整流电路，连接所述谐 振升压电路，用于将谐振升压隔离电路谐振变化后输出的交流电整流为直流电并进行倍压 升压。控制电路，对所述升压电路进行电压闭环控制、对所述谐振升压隔离电路进行定频开 环控制。
[0008] 优选的，所述升压电路包功率电感L1、功率开关Q1、功率二极管D1、输出电容C1， 所述升压电路为Boost升压电路。
[0009] 优选的，所述升压电路还包括对功率开关Q1进行采样提供闭环控制信号和输入 过流保信号的电流采样单元CT1。
[0010] 优选的，所述隔离电路包括桥式逆变电路、谐振电路、高频升压变压器T1和谐振 电流采样单元CT2。
[0011] 优选的，所述桥式逆变电路由功率开关单元Q2-Q5构成，其输入端电连接所述升 压电路的输出端，所述逆变电路的两个桥臂中点为输出端，所述输出端电连接谐振回路，所 述谐振电路路包括串联的功率电感L2和电容C2,所述谐振电路与所述高频升压变压器T1 的原边组成谐振回路，所述高频升压变压器的副边绕组连接倍压整流电路。
[0012] 优选的，所述隔离电路还包括谐振电流采样单元CT2。
[0013] 优选的，所述倍压整流电路包括与η个桥式整流电路和一个电压采样单元，所述 桥式整流电路有两个二极管和两个电容组成，所述η个桥式整流电路逐级串联，其中η对应 高频升压变压器的副边绕组个数。
[0014] 优选的，所述控制电路包括控制及保护单元、隔离辅助电源以及隔离驱动单元。
[0015] 本发明的ΜΡΜ行波管放大器高压供电电路，该电路采用前级宽范围输入升压、中 间级恒频谐振隔离、付边多路倍压整流多路串联的方案，在集成了谐振变换器优点的同时， 还可以达到以下的有益效果： (一） 前级升压电路的采用使得系统适合电压宽范围输入，突破了现有技术中输入电压 不能太低、范围不能太宽的限制； (二） 采用全桥式谐振隔离，提高了谐振级输入电压利用率，从而减轻隔离变压器的升 压负担，降低隔离变压器的设计和加工难度； (三） 付边采用倍压整流多路串联模式减少了变压器的匝数，从而进一步减小了变压器 的设计难度和加工工艺，使得隔离变压器易于实现高绝缘要求，提高系统的可靠性； (四） 采用恒频谐振全桥的隔离方式，可将谐振隔离环节从控制系统中等效为一个纯比 例环节，从而避免了传统方案中采用谐振变换做闭环的设计困难的问题，且由于采用前级 升压电路闭环而中间级谐振电路开环工作，可以很好的解决谐振全桥对于轻载时输出电压 难以保持稳定的固有缺陷； (五） 由于Boost电路本身有较高的转换效率，而全桥谐振采用定频工作模式后也易于 将工作点设置在最优效率点，同时由于其定频开环工作模式，克服了闭环系统对谐振电路 频率变化范围的要求，所以整个系统可以工作在较高的工作频率而具有较高的转换效率。
[0016] 本发明中得高压供电电路各级短路结构相对固定，适合低压宽范围输入、高压高 隔离多路输出，输出电压精度高，控制简单，功率密度高，系统转换效率高的优点功率等级 可从数百瓦到一千瓦，典型效率可达95%以上，功率密度高，易于模块化，特别适合模块化 后作为MPM的供电电源。
[0017]
【专利附图】
【附图说明】
[0018] 下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步的详细说明： 图1为现有系统典型结构图； 图2为本发明模块化高压供电电路实施例的电路结构图； 图3为本发明模块化高压供电电路实施例的电路闭环控制框图； 图4为本发明模块化高压供电电路实施例的电路工作流程图； 图5为本发明模块化高压供电电路实施例的根据负载要求的具体设计电路图。
[0019] 图6为本发明模块化高压供电电路实施例的根据负载要求的具体设计电路的波 形检测图； 图7为本发明模块化高压供电电路实施例的根据负载要求的具体设计电路的数据测 试图。
[0020]
【具体实施方式】
[0021] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明 的【具体实施方式】做详细的说明，使本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全 部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按比例绘制附图，重点在于示出本发 明的主旨。
[0022] 实施例： 本发明提供了一种模块化高压供电电路，包括：升压电路，用于将输入的低压宽范围 直流电压升压为相对电压较高的直流电压输出；谐振升压隔离电路，连接所述升压电路，用 于将升压电路输出的直流电压转化为谐振交流电并通过变压隔离后输出；倍压整流电路， 连接所述谐振升压电路，用于将谐振升压隔离电路谐振变化后输出的交流电整流为直流电 并进行倍压升压；控制电路，用于升压电路、谐振升压隔离电路以及倍压整流电路的驱动控 制。
[0023] 如图2所示，在本实施例中，模块化高压供电电路包括A、B、C、D四个部分。
[0024] 其中A部分为升压电路，该部分包括一个功率电感单元L1、一个功率开关单元Q1、 一个功率二极管单兀D1、一个输出电容单兀C1、一个电流米样单兀CT1 ; 功率电感L1、功率开关Q1、功率二极管D1和输出电容C1构成了基本的Boost升压电 路，其作用是将输入的低压宽范围直流电压通过高频PWM变换，升压为相对电压较高且平 稳的直流电压提供给后级B部分； 功率开关Q1其作用是高频PWM斩波；二极管D1其作用是整流输出；电容C1其作用是 输出滤波和储能；电流采样单元的CT1其作用是采样功率开关Q1的电流并提供给控制电路 用于闭环控制和输入过流保护。
[0025] 在本实施例中，功率开关Q1是一个高频可控变流开关IGBT，当然也可是M0SFET， 同样功率开关Q1可以是多个并联而成的高频可控变流开关，其主要是满足等效后的功率 开关可以满足商频PWM斩波。
[0026] 在本实施例中，二极管D1可以是单个二极管，当然也可以是多个二极管进行串联 或者并联组成的等效二极管，即可以是半波整流也可以全波整流，只要完成整流输出即可。 同样，本实施例中电容C1为单个电容，当然也可是多个电容串联或并联等效而成的电容。 电流采样单元的CT1可以是与功率开关串联的电流互感器、电流霍尔传感器、电阻等。
[0027] B部分为谐振升压隔离电路，该部分包括四个功率开关单元Q2~Q5、一个功率电感 单元L2、一个电容单元C2、一个高频升压变压器单元T1，和一个谐振电流采样单元CT2。
[0028] 功率开关Q2?Q5是一个或多个并联而成的高频可控变流开关如MOSFET、IGBT等， 其作用是高频PWM斩波以实现电流的开通与关断。功率管Q2~Q5构成桥式逆变电路，其输 入为前级Boost的升压输出，其输出从两个桥臂中点a，b端与电感L2、电容C2和高频隔离 变压器T1的原边绕组PW1构成谐振回路，作用是将直流电转化为谐振交流电并经过高频变 压器隔离后传递至付边； L2是功率电感，作用是与C2-起构成串联谐振腔；C2是由一个或多个电容串并联而成 的等效电容，其作用是和电感L2 -起构成串联谐振腔； T1是一个高频隔离升压变压器，它包括一个原边绕组PW1和η个付边绕组，原边绕组 PW1与电感L2、电容C2和全桥电路构成谐振回路，付边绕组SWl~SWn接后级C部分的整流 单元。T1的作用是将谐振高频交流电流传递到付边输出，从而实现能量的传递和电气隔离， 同时还通过变比实现对原边电压的升压； CT2可以是串联在谐振回路中的电流互感器、电流霍尔传感器或者电阻，作用是采样谐 振电流并送至控制电路用于过流保护。
[0029] C部分为倍压整流多路串联电路，该部分包括包括变压器T1的η个付边绕组，η个 由二极管和电容构成的倍压整流单元，每个单元由两个功率二极管和两个电容构成的桥式 整流电路，一个由电阻Ra、Rb构成的电压采样单元，该部分的作用是对谐振变换后输出到 付边的交流电整流为直流电并实现二倍升压，并经过逐级串联形成梯级高压； 为了描述的方便，将图2中由二极管D1、D2和电容Cl、C2构成的倍压整流单元定义为 第1整流单元，并以此顺次命名第2、第3···.直至将由Dnl，Dn2和Cnl和Cn2构成的倍压 整流单元命名为第η整流单元。
[0030] 各整流单元中的二极管是一个或多个二极管串并联而成的等效二极管，其作用是 导通或截止电流； 各整流单元中的电容是一个或多个电容串并联而成的等效电容，其作用是与该单元中 的二极管一起构成二倍压整流桥，将变压器Τ1的付边绕组输出的交流电压整流为直流电 压； 将第1整流单元的正端输出定义为参考电压0V，则各整流单元的输出电压分别为： 第1整流单元： VI， 第2整流单元：V2 - VI， 第η整流单元：Vn - Vn-1。
[0031] 由于各整流单元顺次串联，所以V1，V2……Vn电压沿同方向梯次升高，即负压梯次 升高。
[0032] D部分是控制电路部分，包括一个控制及保护单元、一个隔离辅助电源单元和一个 隔离驱动单元。
[0033] 控制及保护单元的作用是通过对主电路中输出电压采样反馈值Vfb，谐振电流 ir和Boost开关管电流iQ进行闭环运算，产生对Boost开关管的占空比逻辑，同时也通过 上述反馈参量对主电路进行输入过流、输出过流和输出过压的保护，控制单元内部电路主 要是信号调理电路、数字信号处理电路、专用PWM控制芯片等； 隔离驱动单元的作用是将控制单元产生的Boost占空比通过隔离传递到原边实现对 Boost开关管Q1的驱动；其内部电路主要为光耦、驱动增强电路等； 隔离辅助电源单元的作用是从输入端取电，产生多路隔离的输出电压分别提供给控制 电路和隔离驱动电路，其内部电路为常规的隔离型DCDC转换电路，如反激变换器等。
[0034] 本发明所描述的高压供电电路，其工作原理为： 前级Boost电路采用电压闭环控制，将输入电压升压后提供给中间级串联谐振全桥电 路。由于Boost电路本身的特点，可以将较宽范围的输入直流电压升高为稳定的直流电压 提供给后级，且输入电感的存在有利于减小前级电源的输出电流纹波； 串联谐振全桥电路采用开环定频控制，将Boost升压后的直流电压变为固定频率的高 频交流电压，通过高频变压器隔离传递至付边； 付边整流输出的直流电压Vn通过采样反馈至闭环控制单元，与设定的基准电压Vnref 进行比较产生的误差信号经过PID调节后转换成Boost的闭环占空比。考虑到Boost电路 由于拓扑本身容易出现次谐波震荡问题，所以将Boost开关管的斜坡电流引入到反馈控制 中进行次谐波震荡消除； 中间级串联谐振全桥采用定频开环控制，即功率管Q2~Q5的频率是固定的，且上下管 互补，即Q2和Q4采样一组固定频率固定占空比的完全相同的驱动，Q3、Q5采用另一组相同 频率和占空比驱动，这两组占空比之间为互补关系，考虑上下管不能直通，这两组占空比之 间设定固定的死区时间。Q2~Q5的占空比逻辑通过专用的IX：DC集成控制芯片很容易实现； 变压器付边个绕组输出均采用二倍压整流，并将各整流单元顺次串联，由此得到四路 电压不同的共地电压，作为行波管阴极、集电极和栅极的供电电压。由于行波管的阴极电压 最高(负电压）且电压精度要求最高，所以将串联电压的高电位点取为零电压参考，将最低 电位点（相对零参考点为最大负压）V4作为行波管阴极供电。由于行波管集电极和栅极供 电电压精度要求相对较低，所以将VI，V2, V3….作为它们的供电，串联谐振全桥多路输出 较好的交叉调整率可以满足要求，即使对于电压精度要求很高的应用场合，考虑到行波管 栅极和集电极电流很小(一般不超过数十毫安)，很容易通过增加后级线性稳压电路达到要 求； 闭环控制框图如图3所示，其中Gdv是Boost电路从占空比到输出的开环传递函数，K 是定频开环谐振变换器的等效开环传递函数。闭环控制的实现可以采用专用的DCDC集成 控制芯片，也可以采用单片机、DSP等数字信号处理芯片； 由于控制单元与付边输出共地，所以闭环产生的占空比逻辑需要经过隔离区动电路传 送至原边，以实现对Boost功率开关的高频控制。一般隔离驱动有磁隔离和光耦隔离两种， 考虑到Boost占空比比较大，所以可以采用光耦隔离； 隔离辅助电源系统，一般采用反激变换器等方式，从输入端直接获取电压，经过隔离转 化后产生所需的辅助电源提供给控制单元和驱动单元。采用具有输入过欠压保护功能的 (Brownout)专用的反激电路集成控制芯片，很容易实现输入电压的过欠压保护，保证电路 的输入端电压正常工作区间。
[0035] 本发明所描述的MPM行波管高压电源，如图4所示，其工作过程为： 当输入电压符合工作范围时，辅助电源系统启动； 辅助电源正常工作后，输出多路电压给控制及保护单元、驱动单元供电； 控制单元上电完成初始化后首先进入软启动模式，Boost电路的占空比从0开始线性 增大，Boost功率开关进入高频PWM工作，将输入电压升压后送至串联谐振全桥；串联谐振 全桥按照设定的频率进行定频开环PWM模式，将Boost升压后的电压你逆变为交流电压，经 变压器输出后，整理电压从0V开始逐渐上升； 当输出电压上升到一定程度后系统进入工作，经过闭环运算后产生实时的Boost PWM 占空比，该占空比经过驱动电路后控制Boost开关管，以保证输出电压达到设定的要求； 当输出电压过高时，通过Vfb的反馈，系统过压保护启动，封锁Boost的占空比，没有能 量传递至付边，直至输出电压恢复到正常范围； 当输出过流或者短路时，通过Boost开关管电流采样iQ和谐振电流采样iR,系统过流 保护启动，封锁Boost和串联谐振全桥的占空比，直至系统重新启动。
[0036] 根据上述描述的行波管供电电路专利的原理，以某型号行波管放大器为例进行实 际设计与测试。该行波管供电要求如下：
【权利要求】
1. 一种模块化高压供电电路，其特征在于，包括： 升压电路，用于将输入的低压宽范围直流电压升压为相对电压较高的直流电压输出； 谐振升压隔离电路，连接所述升压电路，用于将升压电路输出的直流电压转化为谐振 交流电并通过变压隔离后输出； 倍压整流电路，连接所述谐振升压电路，用于将谐振升压隔离电路谐振变化后输出的 交流电整流为直流电并进行倍压升压； 控制电路，对所述升压电路进行电压闭环控制、对所述谐振升压隔离电路进行定频开 环控制。
2. 根据权利要求1所述的模块化高压供电电路，其特征在于，所述升压电路包功率电 感L1、功率开关Q1、功率二极管D1、输出电容C1，所述升压电路为Boost升压电路。
3. 根据权利要求2所述的模块化高压供电电路，其特征在于，所述升压电路还包括对 功率开关Q1进行采样提供闭环控制信号和输入过流保信号的电流采样单元CT1。
4. 根据权利要求2所述的模块化高压供电电路，其特征在于，所述隔离电路包括桥式 逆变电路、谐振电路、高频升压变压器T1和谐振电流采样单元CT2。
5. 根据权利要求4所述的模块化高压供电电路，其特征在于，所述桥式逆变电路由功 率开关单元Q2-Q5构成，其输入端电连接所述升压电路的输出端，所述逆变电路的两个桥 臂中点为输出端，所述输出端电连接谐振回路，所述谐振电路路包括串联的功率电感L2和 电容C2,所述谐振电路与所述高频升压变压器T1的原边组成谐振回路，所述高频升压变压 器的副边绕组连接倍压整流电路。
6. 根据权利要求4所述的模块化高压供电电路，其特征在于，所述隔离电路还包括谐 振电流采样单元CT2。
7. 根据权利要求4所述的模块化高压供电电路，其特征在于，所述倍压整流电路包括 与η个桥式整流电路和一个电压采样单元，所述桥式整流电路有两个二极管和两个电容组 成，所述η个桥式整流电路逐级串联，其中η对应高频升压变压器的副边绕组个数。
8. 根据权利要求7所述的模块化高压供电电路，其特征在于，所述控制电路包括控制 及保护单元、隔离辅助电源以及隔离驱动单元。
【文档编号】H02M3/24GK104158400SQ201410345773
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年7月18日 优先权日:2014年7月18日
【发明者】蔡鹏 , 王小峰, 徐宏 申请人:江苏博纬新能源科技有限公司