专利名称：一种直流电源的制作方法
技术领域：
本发明涉及电子技术领域，具体而言，涉及一种直流电源。
背景技术：
众所周知，在半导体设备中常常设置或配置有一些精密仪器，比
如高真空规和质量流量计(MFC， Mass Flow Controller)。这些精密 仪器通常由直流电源对其进行供电。目前，直流电源根据其基本工作 原理可分为线性电源和开关电源。
其中，如图1所示，线性电源主要包括工频变压器、输出整流 滤波器、控制电路(图未示)和保护电路(图未示)等。通常，线性
电源的工作过程为先由工频变压器对输入的交流电进行变压，而后
再经输出整流滤波器进行整流滤波，以得到所需要的直流电压。
目前，线性电源的技术较为成熟，可以达到很高的稳定度，波纹 也很小，而且没有开关电源具有的干扰与噪音。但是在实际应用中，
其存在这样的缺点其一，由于整流电路中的滤波电容以及变压器的 体积较大，因而导致整个电源体积庞大且笨重；其二，线性电源中的 电压反馈电路通常工作在线性状态，其调整管上存在一定的电压降而 导致一定功耗，尤其是在输出较大工作电流时，调整管的功耗通常较 大，从而导致转换效率低，而且功耗较大还导致产生的热量较多，而 这就需要安装很大的散热片。
鉴于线性电源在实际使用中的上述缺点，其正在被开关电源所 取代。
如图2所示，开关电源主要包括输入整流电路、变换器、输出 整流电路。其中，上述各个部分的作用和工作原理为输入整流电路 对交流输入进行整流滤波，将交流输入变成直流电压，并输入到变换 器。变换器将直流电变换成高频交流电，并通过控制功率场效应管的开关频率，来调节输出直流电压的大小，也就是说交流输入电压变成 多大的直流电压是由这一部完成的；另外变换器还能起到将输出部分 与输入电网隔离的作用。输出整流电路将变换器输出的高频交流电压 整流滤波，以得到需要的直流电压；同时，输出整流电路还防止高频 噪声对负载的干扰。
通过上述描述可以看出，开关电源的工作过程通常包括下述三 个过程即，交流变成直流，直流变成所需的交流，而后对此交流进 行滤波以得到所需的直流。
相对于线性电源，普通开关电源具有体积小、重量轻、自身抗干 扰性强、输出电压范围宽、模块化等优点，然而在实际应用中，其缺 点也是明显的，例如，纹波较大、输出谐波含量丰富、对负载影响较 大，这主要是因为变换器工作过程中的中间逆变电压其相电压的波 形为只有两个电平的PWM波形，其dv/dt较大，如图3所示。
众所周知，普通开关电源的逆变电压为PWM波形，其采用的是 PWM (Pulse Width Modulation,脉冲宽度调制)控制，即脉冲宽度调 节控制。采用这种控制方法，开关频率保持恒定而接通时间的长短是可 变的， 一个周期内开关接通时间占整个周期的比例，称为占空比。调整 占空比即可调整输出电压的大小。而且，由傅立叶公式分析可知，PWM 电压波形含有大量的高次谐波，而高次谐波的产生主要是由于PWM波 形的dv/dt很高造成的。这些谐波使该开关电源输出电压的质量降低，并 影响输出直流电压的性能，从而对应用该开关电源的系统造成不可估 量的损失。
而且，在实际应用中，精密仪器对直流电源的纹波要求也很高，例 如要求纹波小于20mv。然而， 一般的开关电源纹波为1%，也就是说对 于15v的开关电源来讲，其纹波大约为150mv，这将不能满足上述要求。
因此，人们一直试图寻求到一种能够满足精密仪器供电要求的直流 电源。例如，现有技术一就提供了这样一种改进的直流电源。具体地， 这种改进的直流电源通过在图2所示普通开关电源的基础上增加简单的 滤波电路，以对这些精密的仪器进行供电，也就是说，将普通开关电源 输出的电压信号经过滤波电路进行滤波而降低纹波之后，再提供给这些
5精密仪器等负载。
然而在实际应用中，现有技术一提供的直流电源存在下述不足 其一，由于现有技术一提供的直流电源仅仅在图2所示开关电源的 基础上增加简单的滤波电路，也就是说，使图2所示开关电源的输出信 号传输至简单的滤波电路，由该滤波电路对其进行滤波，而并没有改变 开关电源中逆变电压的波形，这样，逆变电压PWM波形的dv/dt仍然很 大，其谐波含量仍然很丰富。因此，现有技术一提供的直流电源的输出 电压的质量依然不高，难以满足精密仪器的需要。
其二，由于现有技术一提供的直流电源是在图2所示开关电源的基 础上增加简单的滤波电路来实现的，而滤波电路本身也消耗功率，这样 便使得实际输出到负载上的电压小于滤波电路上游的电压，从而使得提 供给精密仪器的电压难以满足该仪器的需要，这将有可能对精密仪器甚 至是包含这些精密仪器的半导体设备造成损坏。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种谐波含量少、干扰较小 的直流电源。该电源输出的电压精度较高，能够满足精密仪器等设备 的需要。
为此，本发明提供了一种直流电源，其包括输入整流单元、逆变 单元和输出整流单元，其中，所述输入整流单元用于对来自电网的交流 电进行整流，以将其转换为直流电，并将所述直流电传输至逆变单元； 所述逆变单元用于对所述直流电进行逆变换，以将其转换为交流电，并 将所述交流电传输至输出整流单元；所述输出整流单元用于对来自所述 逆变单元的交流电进行整流，以将其转换为直流电并向外输出。其中， 所述逆变单元包括n个相互串联的逆变子模块，所述n个逆变子模块的载 波间相互错开360。 /n的电角度，从而使逆变电压的电平数增加而其总 电压值不变，以减小逆变电压的脉宽调制波形的dv/dt值，进而减少逆变 电压中的谐波含量，提高输出电压的质量。其中，n为大于等于2的整数。
其中，所述逆变子模块的数量为2个，所述2个逆变子模块的调制波 相同，而载波相差180。，并且逆变电压的电平数增加至4个而其总电压值保持不变。
其中，第一逆变子模块中的开关器件T1和T3相互串联，开关器件 T2和T4相互串联；第二逆变子模块中的开关器件T5和T7相互串联，开 关器件T6和T8相互串联，并且通过开关器件T2和T4之间的串接点与开 关器件T5和T7之间的串接点相连而实现所述第一逆变子模块和第二逆 变子模块相互串联；开关器件T1和T3之间的串接点作为所述逆变单元 的U相输出，开关器件T6和T8之间的串接点作为所述逆变单元的V相输 出。
其中，所述开关器件包括三极管、场效应管、晶闸管。
其中，所述逆变单元的上游还包括由若干个分压模块组成的分压电 路，所述分压模块的数量与逆变子模块的数量相对应，并且每一个分压 模块所获取的电压提供给相对应的逆变子模块。
其中，所述分压模块包括电容或电阻分压器件。
优选地，所述直流电源还包括DSP处理器，用以实时控制所述输入 整流单元、逆变单元和输出整流单元的工作，以进一步提高输出电压的 质量。
优选地，所述直流电源还包括检测单元，其设置在所述输出滤波单 元和DSP处理器之间，用以对输出滤波单元传输至负载的电压进行检 测，并将检测值传输至DSP处理器；所述DSP处理器根据所述负载电压 的检测值以及预先输入的负载电压期望值向所述逆变单元输出相应的 PWM控制信号，以控制逆变单元中开关器件的通断，调整其占空比， 进而调整逆变单元的输出电压，使负载电压的检测值趋近于负载电压的 期望值。
其中，所述DSP处理器采用TI公司的TMS320LF2407或TMS320F240 或TMS320C2812型号的处理器。
更为优选地，所述直流电源还包括输出滤波单元，其设置在所述输 出整流单元的下游，用以对来自输出整流单元的直流电进行滤波，以进 一步提高所述直流电源的输出电压的质量。
其中，所述输出滤波单元包括LC滤波器。
相对于现有技术，本发明具有下述有益效果g卩，由于本发明
7提供的直流电源中的逆变单元包括至少两个相互串联的逆变子模块， 而不像现有技术中的逆变单元那样仅包含一个逆变子模块，因此本发 明中的多个逆变子模块的载波间相互错开一定的电角度，这样可以使 逆变电压在其总电压值不变的前提下，增加其电平数，从而减小逆变 电压的PWM波形的dv/dt值，进而减少逆变电压中的谐波含量，这样 便可以使直流电源输出的电压质量较高、干扰较小。这样，不仅能够 满足精密仪器的用电要求，而且还能够有效地避免因供电质量问题而 对精密仪器造成的损坏。
图1为现有技术中线性电源的工作原理示意图2为现有技术中开关电源的工作原理示意图3为图2所示开关电源的逆变电压PWM波形示意图4为本发明第一实施例提供的直流电源的部分电路图5为图4所示直流电源的PWM波形示意图；以及
图6为本发明第二实施例提供的直流电源的原理框图。
具体实施例方式
为使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附 图对本发明提供的直流电源进行详细描述。
本发明的关键点是对现有技术提供的开关电源进行改进，具体地， 本发明通过减小现有开关电源中间逆变电压的相电压波形的dv/dt，来 减少谐波含量，进而提高电源的供电质量，减小对负载的干扰等不利影 响。
为此，本发明所提供的直流电源的技术核心是，该直流电源的逆变 单元采用多电平移相式PWM技术，即，逆变单元中包括多个逆变子模 块，同一相的逆变子模块输出相同幅值和相位的基波电压，但相互串联 的多个逆变子模块的载波间相互错开一定的电角度，而实现多电平 PWM，这使得逆变电压的电平数增加但总电压值不变，从而大大降低 PWM波形的dv/dt。这种情况下，如果逆变单元中包括n个相互串联的逆
8变子模块，贝IJPWM波形的dv/dt将只有原来的l/n，这样，谐波含量将大
大减小，从而提高了电源质量。
为了更清楚地说明逆变单元在采用多电平移相式PWM技术之前和 之后的效果，请一并参阅图3和图5。其中，图3为现有技术中开关电源 的逆变电压的PWM波形示意图；图5为本发明提供的一种直流电源的逆 变电压的PWM波形示意图，其中逆变单元采用了两级逆变子模块相互 串联的方式。
下面结合图4对本发明提供的直流电源的工作原理和工作过程进行 详细描述。
如图所示，本实施例中逆变单元由两个逆变子模块，即，第一逆变 子模块510和第二逆变子模块520串联而成。市电经二极管D1、 D2、 D3 和D4整流后，由两个等值电容C1和C2进行分压。第一逆变子模块510 的V相输出V1与第二逆变子模块520的U相输出U2彼此串接，这两个逆 变子模块调制波相同，但其载波相差180。。这样，上下两个逆变子模 块的输出电压大小相同，但由于载波相位相差一定角度，当这两个逆变 子模块的输出电压叠加时，便会产生由两个台阶组成的PWM波形(例 如图5所示)。这样，逆变电压电平数增加而逆变电压总值不变，dv/dt 降到原来的二分之一，从而使谐波含量得以减少。
尽管前述实施例中以两个相互串联的逆变子模块为例，对本发明进 行了详细描述，然而可以理解的是，逆变单元也可以由三个逆变子模块 串联而成，相应地，等值电容也就需要三个以进行分压，并且三个逆变 子模块的载波相差120。。同理，逆变单元也可以由四个逆变子模块串 联而成，相应地，等值电容也就需要四个，并且四个逆变子模块的载波 相差90° ，......，以此类推，逆变单元可以由n (n大于等于2)个逆变
子模块串联而成，相应地，等值电容也就需要n个，并且n个逆变子模块 的载波相差360。 /n，这样，dv/dt便降到原来的l/n，从而使谐波含量大 幅减少。
通过上面描述可以看出，本发明提供的直流电源相对于现有技术 的主要特点在于本发明直流电源中的逆变单元是由多个逆变子模块 相互串联而形成的。至于本发明提供的直流电源的其他部分的结构和工作原理，与现有技术中的相应部分类似，在此不再赘述。
另外，作为本发明的一个优选实施例，本发明提供的直流电源还 可以包括DSP处理器，例如图6所示。该直流电源100主要包括逆
变单元110、输出滤波单元120、检测单元130和DSP处理器140。
其中，逆变单元110采用前述实施例中所述的方式，即，其由至 少两个逆变子模块组成。在实际应用中，该逆变单元110对经过整流、 分压之后的市电进行逆变换，并将逆变之后的交流电传输至输出滤波 单元120。
输出滤波单元120对来自逆变单元IIO的电压值进行滤波，并将 滤波后的电压提供给负载200，同时将滤波后的电压传输至检测单元 130。在实际应用中，该输出滤波单元120例如可以包括LC滤波器等， 而且还可以通过仿真而得到的优化LC参数，从而进一步提高输出电压 的精度及减小纹波。
检测单元130对输出滤波单元120提供给负载200的电压进行检 测，并将检测值传输至DSP处理器140。在实际应用中，该检测单元 130例如可以采用分压电阻检测这样的方式。
DSP处理器140将该直流电源100提供给负载200的电压的检测 值与其期望值进行比较，并根据二者的差值向逆变单元110输出控制 信号。也就是说，DSP处理器140根据负载电压的检测值和期望值而 向逆变单元110中的驱动电路发出相应的PWM控制信号，该信号经过 放大等处理后，直接控制逆变单元110中开关器件的通断(即，保持 开关频率恒定而调整开关器件的接通时间，也就是调整其占空比)， 从而调整逆变单元110的输出电压的大小，进而调节整个直流电源100 输出的直流电压的大小。具体地，当负载电压的检测值小于其期望值 时，该DSP处理器140实时地增加占空比，以增大逆变单元110输出 的电压，进而增大该直流电源100的输出值。通过这种闭环控制，可 以使该直流电源100提供给负载200的电压的检测值逐渐趋近于其期 望值。
在实际应用中，DSP处理器140例如可以采用TI公司下列型号的 处理器TMS320LF2407、 TMS320F240以及TMS320C2812等。这些处理器专为实时信号处理而设计，30MIPS (Million Instructions Per Second,每秒钟一百万个指令)的执行速度使得指令周期可縮短到 33ns; 10位A/D转换器最小转换时间为500ns，并且具有两个事件管 理器模块(EVA与EVB)，其中每个事件管理器模块包括8个16位 的脉宽调制通道。具有上述性能参数的处理器能够集实时处理能力与 外设功能于一身，为高速、实时处理器的优选方案。
通过上述描述可以看出，本实施例中的直流电源因其逆变单元采 用的是多个逆变子模块相互串联的结构，并且该直流电源还包括具有 高速处理能力的DSP处理器，因此该直流电源输出的直流电压具有谐 波少与纹波低的特点，同时，该直流电源采用基于高速DSP控制的电 压闭环控制系统，以便对应于不同的负载电流均可实时、快速地调节 该直流电源的输出，从而向负载提供高精度的直流电压供给。而且， 由于本实施例中的直流电源控制的是PWM波的占空比，而不像现有技 术中的线性电源那样控制调整管的导通角，因此本发明所采用的这种 控制方式不会在调整管上产生功率损耗。由此可见，本实施例提供的 直流电源不仅具有谐波少、低纹波的特点，而且还具有功耗低、高精 度、实时可调等特点，同时，采用该直流电源还能够避免损伤用电设 备。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采 用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普 通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出 各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。
权利要求
1.一种直流电源，包括输入整流单元、逆变单元和输出整流单元，其中，所述输入整流单元用于对来自电网的交流电进行整流，以将其转换为直流电，并将所述直流电传输至逆变单元；所述逆变单元用于对所述直流电进行逆变换，以将其转换为交流电，并将所述交流电传输至输出整流单元；所述输出整流单元用于对来自所述逆变单元的交流电进行整流，以将其转换为直流电并向外输出，其特征在于所述逆变单元包括n个相互串联的逆变子模块，所述n个逆变子模块的载波间相互错开360°/n的电角度，从而使逆变电压的电平数增加而其总电压值不变，以减小逆变电压的脉宽调制波形的dv/dt值，进而减少逆变电压中的谐波含量，提高输出电压的质量，其中，n为大于等于2的整数。
2. 根据权利要求l所述的直流电源，其特征在于，所述逆变子模块 的数量为2个，所述2个逆变子模块的调制波相同，而载波相差18(T ， 并且逆变电压的电平数增加至4个而其总电压值保持不变。
3. 根据权利要求2所述的直流电源，其特征在于，第一逆变子模块 中的开关器件T1和T3相互串联，开关器件T2和T4相互串联；第二逆变 子模块中的开关器件T5和T7相互串联，开关器件T6和T8相互串联，并 且通过开关器件T2和T4之间的串接点与开关器件T5和T7之间的串接点 相连而实现所述第一逆变子模块和第二逆变子模块相互串联；开关器件 T1和T3之间的串接点作为所述逆变单元的U相输出，开关器件T6和T8 之间的串接点作为所述逆变单元的V相输出。
4. 根据权利要求3所述的直流电源，其特征在于，所述开关器件包 括三极管、场效应管、晶闸管。
5. 根据权利要求l所述的直流电源，其特征在于，所述逆变单元的上游还包括由若干个分压模块组成的分压电路，所述分压模块的数量与 逆变子模块的数量相对应，并且每一个分压模块所获取的电压提供给相 对应的逆变子模块。
6. 根据权利要求5所述的直流电源，其特征在于，所述分压模块包 括电容或电阻分压器件。
7. 根据权利要求1至6中任意一项所述的直流电源，其特征在于， 所述直流电源还包括DSP处理器，用以实时控制所述输入整流单元、逆 变单元和输出整流单元的工作，以进一步提高输出电压的质量。
8. 根据权利要求7所述的直流电源，其特征在于，所述直流电源还 包括检测单元，其设置在所述输出滤波单元和DSP处理器之间，用以对 输出滤波单元传输至负载的电压进行检测，并将检测值传输至DSP处理 器；所述DSP处理器根据所述负载电压的检测值以及预先输入的负载电 压期望值向所述逆变单元输出相应的PWM控制信号，以控制逆变单元 中开关器件的通断，调整其占空比，进而调整逆变单元的输出电压，使 负载电压的检测值趋近于负载电压的期望值。
9. 根据权利要求7所述的直流电源，其特征在于，所述DSP处理器 采用TI公司的TMS320LF2407或TMS320F240或TMS320C2812型号的处理器。
10. 根据权利要求7所述的直流电源，其特征在于，所述直流电源 还包括输出滤波单元，其设置在所述输出整流单元的下游，用以对来自 输出整流单元的直流电进行滤波，以进一步提高所述直流电源的输出电 压的质量。
11. 根据权利要求10所述的直流电源，其特征在于，所述输出滤波 单元包括LC滤波器。
全文摘要
本发明公开了一种直流电源，其包括输入整流单元、逆变单元和输出整流单元，其中，所述逆变单元包括n个相互串联的逆变子模块，所述n个逆变子模块的载波间相互错开360°/n的电角度，从而使逆变电压的电平数增加而其总电压值不变，以减小逆变电压的脉宽调制波形的dv/dt值，进而减少逆变电压中的谐波含量，提高输出电压的质量，其中，n为大于等于2的整数。本发明提供的直流电源输出的电压质量较高、谐波含量较少且干扰较小，这不仅能够满足精密仪器的用电要求，而且还能够有效地避免因供电质量问题而对精密仪器造成的损坏。
文档编号H02M1/14GK101527513SQ20081010132
公开日2009年9月9日 申请日期2008年3月4日 优先权日2008年3月4日
发明者武小娟 申请人:北京北方微电子基地设备工艺研究中心有限责任公司