一种高效恒流开关型电源变换器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及一种电源变换器，具体地说，涉及一种小体积隔离式高频高压输 出高效恒流的开关型电源变换器。
【背景技术】
[0002] 目前，国外高压开关直流电源比较成熟，像Spellman、Classman等高压电源公司 已生产出小型化、高效化、智能化的高压直流电源，然而价格比较昂贵，国内直流高压开关 电源研究起步较晚，与先进国家相比有较大差距。尤其在高频、高性能直流高压开关电源方 面。目前在农业领域中，迫切需要物美价廉，能满足多种不同工况要求的多规格、多品种、系 列化的高质量、高性能的高压直流电源。我国是一个农业大国，农业生产领域需要的科学技 术非常之多，有些领域对高压直流电源技术的需要十分迫切，但目前能适合农业领域要求 的高压直流电源很少，针对农业领域的具体情况，研究开发多种高压直流电源具有较强的 现实意义，也蕴藏着很大的商机。
[0003] 20世纪70年代世界电源史上发生了一场革命，即20Hz的开关频率结合脉宽调制 技术（PffM)在电源领域的应用。到目前为止，电源的频率已经达到数千赫，应用先进的准谐 振技术甚至可以达到兆赫水平。提高振荡器输出频率可降低高压变压器、电抗器、平滑电容 器、高压电容器等电子器件基本性能要求和结构体积，进而缩小高压电源体积。高频化使高 压电源体积大幅度的减小，轻巧便携，实用性和使用方便性明显得到改善。高频带来了很多 优点，但同时也带来很多难点，例如开关元器件的高频开关损耗如何解决；高频电路板如何 设计；以及高频下变压器选择和设计等多种难点。
[0004] 隔离式高频高电压输出电源变换器不仅存在着高频带来的问题，还存在高压输出 所带来的一系列问题，例如高电压下变压器会产生很大的寄生电容、绝缘等问题在设计和 绕制工艺中如何解决；在高频高压下如何选择输出整流管等多种难题。 【实用新型内容】
[0005] 本实用新型正是为了解决上述技术问题而设计的一种高效恒流开关型电源变换 器。
[0006] 本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0007] -种高效恒流开关型电源变换器，包括输入滤波电路、逆变电路、输出整流电路、 输出滤波电路和反馈电路；其直流输入顺次经输入滤波电路、逆变电路、输出整流电路和输 出滤波电路到直流输出，利用反馈电路进行电压调整；输入端为通用单端反激电路拓扑，脉 宽调制器为TI公司的LM5022 ;输出端采用恒流限流模式，使用TI公司的LMV842运算放大 器实现，支持长时间短路；隔离变压器T2次级为四路输出，其中第一路耦合输出225V，经4 个稳压二极管D4-D7串联稳压输出给储能电感L2 ;第二路耦合输出225V，经4个稳压二极 管D8-D11串联稳压输出给储能电感L3 ;第三路耦合输出50V，经2个稳压二极管D12、D13 串联稳压输出给储能电感L4 ;三路输出经三个储能电感L2、L3和L4累加产生500V高压输 出。
[0008] 所述一种高效恒流开关型电源变换器，其隔离变压器T2采用TDK公司标准型材 EPC19,材质为PC44磁材，变压器绕制顺序是：第一层绕制初级，将次级1绕制在所有次级的 最里层，然后将次级2绕在次级1的外面，然后将次级3绕制在次级1和次级2的最外层； 然后将反馈1和反馈2通过一对绞合的导线来增加绕组间的耦合，在所有的次级与次级之 间，次级与反馈之间均增加一层初级。
[0009] 所述一种高效恒流开关型电源变换器，其稳压二极管D4-D11采用超快恢复二极 管ESH2H)，稳压二极管D12和D13采用超快恢复二极管SS2PH10。
[0010] 本实用新型一种小体积隔离式高频高压输出高效恒流的开关型电源变换器，采用 通用测单端反激电路拓扑，脉宽调制器TI公司的LM5022,其外围元器件少，控制简单。输出 端采用限流模式为恒流式，使用TI公司的LMV842运算放大器实现，支持长时间短路，此电 源变换器内部变压器的绕制工艺，以及输出整流管的选择方面，是决定此高压输出电源变 换器效率提升的关键。
[0011] 本实用新型的工作过程是：直流输入先经输入滤波器进行滤波，再进入逆变电路， 逆变电路使高频变压器次级产生交替变换的交流电，此交流电经过输出端二极管整流和滤 波电路后变为直流输出。输出电压是通过输出采样、反馈、调整占空比来实现自动调整的。
[0012] 本实用新型与传统的DC/DC变换器相比有如下优点：
[0013] 1、高频高压输出。此电源变换器输出500V30W，频率高达360kHz。
[0014] 2、体积小。体积仅 49mmX 25. 4mmX 13mm。
[0015] 3、恒流式限流。支持长时间短路，而且保护电路简单。
[0016] 4、输入范围宽。此电源变换器输入范围15V至55V，符合GJB181中18V至50V过 欠压浪涌要求。
[0017] 5、转换效率高。此电源变换器输入范围15V至55V，输出500V30W效率最高可达 88%〇
[0018] 6、超小的纹波。此电源变换器全范围最大纹波小于0. 5%。
[0019] 本实用新型的有益效果是具有输入范围宽，高频高压输出，效率高，体积小，恒流 式保护电路，保护效果好和电路简洁等特点。
【附图说明】
[0020] 图1为本实用新型电路原理框图。
[0021] 图2为本实用新型电路原理图。
[0022] 图3为主开关管MOSFET的特性图。
[0023] 图4为稳压二极管正向导通电流流向图。
[0024] 图5为稳压二极管反向漏电流电流流向。
[0025] 图6为普通变压器绕制图。
[0026] 图7为本实用新型隔离变压器绕制图。
【具体实施方式】
[0027] 下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
[0028] 如图1、图2所示，本实用新型一种高效恒流开关型电源变换器，包括输入滤波电 路、逆变电路、输出整流电路、输出滤波电路和反馈电路；其直流输入顺次经输入滤波电路、 逆变电路、输出整流电路和输出滤波电路到直流输出，利用反馈电路进行电压调整；输入端 为通用单端反激电路拓扑，脉宽调制器为TI公司的LM5022 ;输出端采用恒流限流模式，使 用TI公司的LMV842运算放大器实现，支持长时间短路；隔离变压器T2次级为四路输出，其 中第一路耦合输出225V，经4个稳压二极管D4-D7串联稳压输出给储能电感L2 ;第二路耦 合输出225V，经4个稳压二极管D8-D11串联稳压输出给储能电感L3 ;第三路耦合输出50V， 经2个稳压二极管D12、D13串联稳压输出给储能电感L4 ;三路输出经三个储能电感L2、L3 和L4累加产生500V高压输出。
[0029] 所述一种高效恒流开关型电源变换器，其隔离变压器T2采用TDK公司标准型材 EPC19,材质为PC44磁材，变压器绕制顺序是：第一层绕制初级，将次级1绕制在所有次级的 最里层，然后将次级2绕在次级1的外面，然后将次级3绕制在次级1和次级2的最外层； 然后将反馈1和反馈2通过一对绞合的导线来增加绕组间的耦合，在所有的次级与次级之 间，次级与反馈之间均增加一层初级。
[0030] 所述一种高效恒流开关型电源变换器，其稳压二极管D4-D11采用超快恢复二极 管ESH2H)，稳压二极管D12和D13采用超快恢复二极管SS2PH10。
[0031] 本实用型专利主要从主功率元器件的选择进行优化和变压器的绕制工艺进行独 特设计，带来此高压输出电源变换器效率、纹波、体积等多方面的提升。【具体实施方式】如 下：
[0032] 1、主功率元器件的选择。此电源变换器主功率元器件主要是输入端的主开关管 MOSFET和输出端的整流二极管。
[0033] 在选择输入端的主开关管MOSFET时，由于开关频率为360kHz，输出又是低功率， 按最低的转换效率80%可以估算出输入最大的电流小于2A，在这些条件下就不能只注重 MOSFET同态的Rds QN损耗，还要考虑MOSFET栅极电容充电和放电，这部分功耗也是不能忽略 的。
[0034] 公式 1 :
[0035]
[0036] 计算公式如公式1所示，这里需要知道MOSFET栅极电容包含两个电容：栅源电容 和栅漏电容。通常容易犯的错误时将MOSFET的输入电容（C iss)当作MOSFET总栅极电容。 确定栅极电容的正确方法是看MOSFET数据手册中的总栅极电容（Qs)。这个信息通常显示 在任何MOSFET的电气特性表和典型特性曲线中。此电源变换器内部开关MOSFET选用英飞 凌的150V50A的N沟道M0SFET，表1显示了这个MOSFET在数据手册中的典型示例。数据手 册表中给出的数值只是典型值，还要留意一下它们的测试条件有关：栅极电压和漏极电压。 这些测试条件影响着栅极电荷的值。图3显示同一个从图3的曲线中选取Vtis= IOV的典 型值，我们得到总栅极电荷为23nC(VDS= 100V)。利用Q = C*V关系式，我们得到栅极电容 为2. 3nF，数值与典型值相近，有的MOSFET实际使用参数远高于典型值，这表明当计算栅极 电容值时，总栅极电容值应从总栅极电荷值推导而来。利用表1给出的MOSFET信息与图3 对照，在VGS为10V，通过使用图3曲线并找到IOV时对应的QG值可以得到CG的值。开关 频率F = 360kHz和漏源电压为100V时，由MOSFET栅极电容的充放电而产生的MOSFET驱动 器的功耗由公式1可以得出P c= 82. 8mW。需要特别留意的是，公式中的电压被取了平方。 因此减小栅极驱动电压可以显著减小驱动功耗。对于一些M0SFET，栅极驱动电压超过8V至 IOV并不会进一步减小MOSFET电阻（RdsJ。反而栅极电压减小，也降低了交越传导损耗。
[0037] 表1数据手册中栅极电荷的表示
[0038]
[0039] 管芯对栅极电容