专利名称：降压式开关电源的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种开关电源，特别适用于大功率直流电机的通过调节电压来调速的场合。
背景技术：
图I所示为常用小功率降压式开关稳压器的原理图。由于电感L只有单向电流流过，没有较大的电压降，输入与输出的电压降主要由开关管VT承受，当负载功率较大时，开关管将发热而无法工作。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种降压式开关电源，可以低成本高效地生成降压直流电源，供大功率的负载使用。本发明采用以下的技术方案降压式开关电源，包括上桥驱动信号模块、下桥驱动信号模块、上下桥模块、以及电感电容稳压模块，所述上下桥模块包括上桥IGBT和下桥IGBT,所述上桥驱动信号模块的输出端连接上桥IGBT的栅极，所述下桥驱动信号模块的输出端连接下桥IGBT的栅极，所述上桥IGBT的集电极连接高压直流电源，上桥IGBT的发射极通过二极管连接下桥IGBT的集电极，所述电感电容稳压模块包括串联的电感和电容，所述电感的一端连接下桥IGBT的集电极，下桥IGBT的发射极为低电平，所述二极管使得电流可以从上桥IGBT的发射极流向所述电感的一端，所述电感的另一端为输出直流电源。进一步，所述降压式开关电源还包括与所述上桥驱动信号模块连接的上桥欠驱动电压保护模块，所述上桥欠驱动电压保护模块用于检测上桥IGBT的栅极与发射极之间的上桥驱动电压，当该上桥驱动电压低于设定值时，上桥驱动信号模块输出低电平，上桥IGBT不导通。进一步，所述降压式开关电源还包括与所述下桥驱动信号模块连接的下桥欠驱动电压保护模块，所述下桥欠驱动电压保护模块用于检测下桥IGBT的栅极与发射极之间的下桥驱动电压，当该下桥驱动电压低于设定值时，下桥驱动信号模块输出低电平，下桥IGBT不导通。优选的，所述上桥IGBT的栅极与发射极之间连接有两个反向串联的稳压二极管。每个稳压二极管的电压为15V，若上桥IGBT的栅极与集电极之间的电压高于20V或低于-20V，上桥IGBT会立即被烧毁，所以在上桥IGBT的栅极与集电极之间加上两个反向连接的15V的稳压二极管可以起限压保护作用。优选的，所述下桥IGBT的栅极与发射极之间连接有两个反向串联的稳压二极管。每个稳压二极管的电压为15V，若下桥IGBT的栅极与集电极之间的电压高于20V或低于-20V，下桥IGBT会立即被烧毁，所以在下桥IGBT的栅极与集电极之间加上两个反向连接·的15V的稳压二极管可以起限压保护作用。
优选的，所述高压直流电源为500V。本发明的技术构思在于当上桥IGBT导通时，高压直流电源经过上桥IGBT、二极管、电感电容稳压模块的电感对电容充电,这时电感流过正向电流；当下桥IGBT导通时，输出直流电源经过电感电容稳压模块的电感流向下桥IGBT，这时电感流过反向电流；这样，电感通过的是正负交替变化的高频交流电，较小的电感可以获得大的感抗而起到良好的分压作用，高压直流电源与输出直流电源之间的压差主要由电感承担，这样上桥IGBT的压降小，从而能通过更大的电流(因为IGBT的最大耗散功率是恒定的)，这样，该降压式开关电源可以用于大功率负载的工作场合。另外，开关电路选用高效、耐高压的电压驱动的IGBT作为开关管，可以扩大该开管电源的电压及功率范围。本发明的有益效果在于(1)采用上下桥结构，利用了 IGBT作为开关管，提供了低成本、高效地生成降压直流电源的解决方案；(2)电感主要提供压降的作用，由于电感通过的是高频交流电，电感可以比较小，节省制作大电感所需的原材料，节约了成本。
图I是上桥驱动信号模块的电路图之一。图I续是上桥驱动彳目号I旲块的电路图之_■，其中，Iinel、line2、line3、line4是图I与图I续的连接点。图2是下桥驱动信号模块的电路图。图3是上桥欠驱动电压保护模块的电路图。图4是下桥欠驱动电压保护模块的电路图。图5是上下桥模块和电感电容稳压模块的电路图。附图标号1_上桥驱动信号模块；2_下桥驱动信号模块；3_上下桥模块；4_电感电容稳压模块；5_上桥欠驱动电压保护模块；6_下桥欠驱动电压保护模块。
具体实施例方式以下结合附图对本发明作进一步说明。参照图1-5 :降压式开关电源，包括上桥驱动信号模块I、下桥驱动信号模块2、上下桥模块3、以及电感电容稳压模块4，所述上下桥模块3包括上桥IGBT和下桥IGBT，所述上桥驱动信号模块I的输出端连接上桥IGBT QlO的栅极，所述下桥驱动信号模块2的输出端连接下桥IGBT Qll的栅极，所述上桥IGBT QlO的集电极连接500V的高压直流电源，上桥IGBT QlO的发射极通过二极管D15连接下桥IGBT Qll的集电极，所述电感电容稳压模块4包括串联的电感L6和电容，所述电容由C60与C61串联而成，所述电感L6的一端连接下桥IGBT Qll的集电极，下桥IGBT Qll的发射极为低电平G，所述二极管D15使得电流可以从上桥IGBT QlO的发射极流向所述电感L6的一端，所述电感L6的另一端为输出直流电源V_0UT。所述降压式开关电源还包括与所述上桥驱动信号模块I连接的上桥欠驱动电压保护模块5，所述上桥欠驱动电压保护模块5用于检测上桥IGBT QlO的栅极与发射极之间的上桥驱动电压(ZG+) -ZS,当该上桥驱动电压低于设定值(取决于Dl、R9和P3，对于图中参数该设定值为12V)，上桥驱动信号模块I输出低电平，上桥IGBT QlO不导通。图2中上桥欠驱动电压保护模块5检测的是+20_Z-ZS，由于上桥IGBT导通时(ZG+) =+20_Z (Q2截止，Q3导通)，所以检测+20_Z-ZS就是检测(ZG+) -ZS0所述降压式开关电源还包括与所述下桥驱动信号模块2连接的下桥欠驱动电压保护模块6，所述下桥欠驱动电压保护模块6用于检测下桥IGBT的栅极与发射极之间的下桥驱动电压(ZG-) -G,当该下桥驱动电压低于设定值时，下桥驱动信号模块2输出低电平，下桥IGBT不导通。图4中下桥欠驱动电压保护模块5检测的是+15V-G，由于下桥IGBT导通时(ZG-) =+15V (Q8截止，Q9导通)，所以检测+15V-G就是检测(ZG-) -G。所述上桥IGBT的栅极与发射极之间连接有两个反向串联的稳压二极管D12和D13。每个稳压二极管的电压为15V，若上桥IGBT的栅极与集电极之间的电压高于20V或低于-20V，上桥IGBT会立即被烧毁，所以在上桥IGBT的栅极与集电极之间加上两个反向连接的15V的稳压二极管可以起限压保护作用。所述下桥IGBT的栅极与发射极之间连接有两个反向串联的稳压二极管D18和 D19。每个稳压二极管的电压为15V，若下桥IGBT的栅极与集电极之间的电压高于20V或低于-20V，下桥IGBT会立即被烧毁，所以在下桥IGBT的栅极与集电极之间加上两个反向连接的15V的稳压二极管可以起限压保护作用。本实施例的电路原理说明如下I. Vcc,Gnd为外部数字电源，+500V、G为外部输入直流电源，+15V、G、_10V为下桥驱动用外部电源，+5V、+20_Z.ZS.-5_Z为上桥驱动用外部电源，V_0UT、G是本实施例降压式开关电源的输出。其中，+20_Z-ZS=15V，ZS- (_5_Z)=5V。2·Ρ1、Ρ2、Ρ3、Ρ4 为光耦。3. P_C为外部数字输入脉冲信号。当P_C=0时，Pl不导通，Pl的端口 4输出高电平，Ql导通，ClOO被充电，运放U50A的+输入端电压升高；iP_C=l时，Pl导通，Pl的端口4输出低电平，Ql截止，ClOO经R4放电，运放U50A的+输入端电压下降。因此通过控制脉冲信号P_C的占空比，就能获得确定的U50A的+输入端电压。4.当运放U50A的+输入端电压高于运放U50A的-输入端电压(_输入端电压即V_0UT经R5，R6分压后的电压)时，运放U50A输出端P_V输出高电平，电流经R7对C34充电，P2延时导通，P2的端口 4输出低电平，Q2截止，Q3导通，ZG+为+20_Z电平，上桥IGBTQlO的栅极与发射极之间的驱动电压(ZG+) -ZS为+20_ZZS，由于设定+20_Z_ZS=15V，所以上桥IGBT的栅极与发射极之间的驱动电压为15V，上桥IGBT导通，+500V高压直流电源经上桥IGBT Q10、二极管D15、电感L6对电容C60、C61充电，输出直流电源V_0UT电压升高，运放U50A的-输入端电压(V_0UT经R5，R6分压后的电压)亦升高，当高于U50A的+输入端电压时，U50A输出端P_V输出低电平，C34经D3迅速放电，放电完毕后P2截止，P2输出端4输出高电平，Q2导通，Q3截止，ZG+经D5电平降为_5_Z，此时上桥IGBT QlO的栅极与发射极之间的驱动电压(ZG+) - ZS成为(_5_Z) - ZS,由于设定ZS - (_5_Z)=5V，所以上桥IGBTQ10的栅极与发射极之间的驱动电压为-5V，上桥IGBT截止。需要说明的是，IGBT在栅极与发射极之间的驱动电压为15V时，导通效果最好，在栅极与发射极之间的驱动电压为-5V时,截止效果最好。5. U50A的输出端P_V同时接到下桥驱动信号模块2中，与Z、ZS的电平一起用于产生下桥驱动信号ZG-。由于稳压二极管D6、D7的压降为15V，所以当P_V为高电平，或Z低于5V电压，或ZS高于15V电压时，Q8基极为高电平而导通，ZG-经Dll电平降为-10V，下桥IGBT Qll截止。相反，上述3条件全不满足(B卩保证上下桥不同时导通)，Q8才截止，ZG-为高电平，下桥IGBT Qll导通，电流从V_OUT经过电感L6流向下桥IGBT Q11，此时电感L6获得反向电流流过。当上桥IGBT导通时，由于电感L6之前通的是反向电流，电感的电流不能发生突变，电流由反向变为O，再逐步正向增加，使电容充电。只要电感、电容根据负载设计适中，上、下桥交替导通的频率较高，会使输入+500V高压直流电源与输出直流电源V_OUT之间的压差主要由电感L6承担，上桥IGBT QlO的压降小而能通更大的电流，从而能适用于大功率负载的工作场合。下桥导通时，由于其发射极直接接G，其压降主要取决于驱动，当驱动能力强时，其压降在IV以下，这样，当下桥IGBT良好导通时，V_OUT与G之间的电压主要由电感L6承担，下桥IGBT的压降小也能通更大的电流，从而适用于大功率负载的场合。6.对于上桥欠驱动电压保护模块5，如果由于某种原因(如干扰或故障)，使得+20_Z与ZS的电压差小于设定值(取决于Dl、R9和P3，对于图中参数该值为12V)，光耦P3左端不导通，则光耦P3的输出端4输出高电平，Q2导通，Q3截止，ZG+输出低电平_5_Z，上下桥模块3的上桥IGBT的栅极与发射极之间的驱动电压(ZG+) - ZS=-5_Z - ZS=_5V，下桥 IGBT QlO不导通，从而起到当外部输入的驱动电压+20_Z - ZS小于设定值时，上桥IGBT不导通的保护作用。相反，当外部输入的驱动电压+20_Z - ZS大于设定值时，光耦P3导通，D2左边为低电平，Q2截止，Q3导通，ZG+输出高电平，上桥IGBT导通。7.对于下桥欠驱动电压保护模块6，如果由于某种原因(如干扰或故障)，使得+15V与ZS的电压差小于设定值(取决于D8、R19和P4，对于图中参数该值为12V)，光耦P4左端不导通，则光耦P4的输出端4输出高电平，Q8导通，Q9截止，ZG-输出低电平-10V，上下桥模块3的下桥IGBT Qll不通，从而起到当外部输入的驱动电压+15VZS小于设定值时，下桥IGBT不导通的保护作用。相反，当外部输入的驱动电压+15V-ZS大于设定值时，光耦P4导通，DlO左边为低电平，Q8截止，Q9导通，ZG-输出高电平15V，下桥IGBT Qll导通。本实施例中，选用IGBT作为开关管，可以扩大该开管电源的电压及功率范围的原因是IGBT开关管使用的电压范围较高，一般能达到1200V，电流也较大，常见的电流如15A，而它的控制只需要15V的电压驱动就可以了，所以，对大功率、高压的场合，一般优选IGBT作为开关管。而其他的开关管如场效应管，IOA以上的耐压就没那么高，一般在800V以下，达林顿功率管是电流驱动型，耐压更低，一般在200V以下，而可控硅的工作频率较低，一般用在交流电的场合。图I至图5中，上桥驱动信号模块I和上桥欠驱动电压保护模块5在节点UP_V处连接，下桥驱动信号模块2和下桥欠驱动电压保护模块6在节点D0WN_V处连接，上桥驱动信号模块I和上下桥模块3在节点ZG+处连接，下桥驱动信号模块2和上下桥模块3在节点ZG-处连接，上下桥模块3和电感电容稳压模块4在节点Z处连接。上述实施例仅仅是本发明技术构思实现形式的列举，本发明的保护范围不仅限于上述实施例，本发明的保护范围可延伸至本领域技术人员根据本发明的技术构思所能想到的等同技术手段。
权利要求
1.降压式开关电源，其特征在于包括上桥驱动信号模块、下桥驱动信号模块、上下桥模块、以及电感电容稳压模块，所述上下桥模块包括上桥IGBT和下桥IGBT，所述上桥驱动信号模块的输出端连接上桥IGBT的栅极，所述下桥驱动信号模块的输出端连接下桥IGBT的栅极，所述上桥IGBT的集电极连接高压直流电源，上桥IGBT的发射极通过二极管连接下桥IGBT的集电极，所述电感电容稳压模块包括串联的电感和电容，所述电感的一端连接下桥IGBT的集电极，下桥IGBT的发射极为低电平，所述二极管使得电流可以从上桥IGBT的发射极流向所述电感的一端，所述电感的另一端为输出直流电源。
2.如权利要求I所述的降压式开关电源，其特征在于所述降压式开关电源还包括与所述上桥驱动信号模块连接的上桥欠驱动电压保护模块，所述上桥欠驱动电压保护模块用于检测上桥IGBT的栅极与发射极之间的上桥驱动电压，当该上桥驱动电压低于设定值时，上桥驱动信号模块输出低电平，上桥IGBT不导通。
3.如权利要求I或2所述的降压式开关电源，其特征在于所述降压式开关电源还包括与所述下桥驱动信号模块连接的下桥欠驱动电压保护模块，所述下桥欠驱动电压保护模块用于检测下桥IGBT的栅极与发射极之间的下桥驱动电压，当该下桥驱动电压低于设定值时，下桥驱动信号模块输出低电平，下桥IGBT不导通。
4.如权利要求3所述的降压式开关电源，其特征在于所述上桥IGBT的栅极与发射极之间连接有两个反向串联的稳压二极管。
5.如权利要求4所述的降压式开关电源，其特征在于所述下桥IGBT的栅极与发射极之间连接有两个反向串联的稳压二极管。
6.如权利要求I所述的降压式开关电源，其特征在于所述高压直流电源为500V。
全文摘要
降压式开关电源，包括上桥驱动信号模块、下桥驱动信号模块、上下桥模块、以及电感电容稳压模块，上下桥模块包括上桥IGBT和下桥IGBT，上桥驱动信号模块的输出端连接上桥IGBT的栅极，下桥驱动信号模块的输出端连接下桥IGBT的栅极，上桥IGBT的集电极连接高压直流电源，上桥IGBT的发射极通过二极管连接下桥IGBT的集电极，电感电容稳压模块包括电感和电容，所述电感的一端连接下桥IGBT的集电极，下桥IGBT的发射极为低电平，二极管使得电流可以从上桥IGBT的发射极流向所述电感的一端，电感的另一端为输出直流电源。本发明提供一种降压式开关电源，可以低成本高效地生成降压直流电源，供大功率的负载使用。
文档编号H02M3/156GK102916583SQ201210347789
公开日2013年2月6日 申请日期2012年9月19日 优先权日2012年9月19日
发明者李军, 李绣峰 申请人:台州学院, 温岭市三木机电有限公司