一种DC-DC隔离变换电路和控制方法与流程

本发明涉及dc-dc变换电路，尤其涉及一种dc-dc隔离变换电路和控制方法。

[背景技术]

随着大数据、互联网+的发展，信息通信设备对供电装置的可靠性要求越来越高，但公用电网因检修、故障等因素无法做到时时为设备供电，一般的做法增加冗余电网或备用电池等第2能源，但第2能源需要启动时间，为了做到对信息通信设备的不间断供电，一般均会对供电装置增加保持时间(holduptime)功能，即在电网等供应能源中止后，供电设备有能力再维持对信息通信设备供电一段时间，等待第2能源启动，达到对信息通信设备无间断供电。信息通信设备的供电装置一般有整流电路、dc-dc隔离电路两部分组成，两部分之间由bus电容滤波储能，具体如图1所示。通常的holduptime功能实现方案有增加bus电容容量和扩大dc-dc隔离电路工作输入电压范围两种。增加bus电容容量会增加成本，扩大dc-dc隔离电路工作输入电压范围，会劣化其他性能指标，如效率或纹波等。申请号为201280002432.5的专利提出通过扩大专用电容工作电压范围的方式，避免了扩大dc-dc隔离电路工作输入电压范围而带来的劣化其他性能指标的影响，但增加了装置复杂性，影响系统可靠性。

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技术实现要素：
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本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单、在电网断网时保持时间长的dc-dc隔离变换电路。

本发明另一个要解决的技术问题是提供一种上述dc-dc隔离变换电路的控制方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是，一种dc-dc隔离变换电路，包括dc/ac原边电路、变压器、ac/dc副边电路、bus电容和控制电路，bus电容接dc/ac原边电路的直流输入端，包括匝比选择开关和bus电容电压检测电路，当匝比选择开关布置在变压器的原边时，dc/ac原边电路的交流输出端通过匝比选择开关接变压器的原边绕组；当匝比选择开关布置在变压器的副边时，变压器的副边绕组通过匝比选择开关接ac/dc副边电路的交流输入端；匝比选择开关的控制端和bus电容电压检测电路的输出端分别接控制电路。

以上所述的dc-dc隔离变换电路，变压器的原边绕组包括复数个抽头，匝比选择开关包括复数个电子开关，电子开关的一端接dc/ac原边电路的交流输出端，电子开关的另一端分别接对应的原边绕组的抽头。

以上所述的dc-dc隔离变换电路，变压器的副边绕组包括复数个抽头，匝比选择开关包括复数个电子开关，电子开关的一端接ac/dc副边电路的交流输入端，电子开关的另一端分别接对应的副边绕组的抽头。

一种上述dc-dc隔离变换电路的控制方法，当供电网电压中断时，根据bus电容的电压通过匝比选择开关调整变压器的匝比，bus电容的电压下降越多，选择变压器的匝比越小，所述的匝比是原边绕组匝数与副边绕组匝数的比值。

以上所述的控制方法，匝比选择开关包括复数个电子开关q，当前闭合的电子开关为qi，对应的变压器匝比为ni；ni+1表示下一个电子开关qi+1闭合对应的变压器匝比，mmax表示最大电路直流增益，vbus表示bus电容的电压，vout表示直流输出电压；当vbus≤mmax×ni+1×vout时，断开当前的电子开关为qi，闭合下一个电子开关qi+1；qi+1对应的变压器匝比ni+1，ni+1＜ni。

以上所述的dc-dc隔离变换电路，当vbus≤mmax×ni×vout时，确定变压器绕组电流过零时刻，在变压器绕组电流过零时刻先断开当前的电子开关为qi，然后闭合下一个电子开关qi+1。

本发明的电路结构简单，在不增大bus电容容量，不牺牲额定工作点性能指标的情况下，延长了保持时间，既降低了成本又保障了变换器的性能。

[附图说明]

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是现有技术dc-dc隔离变换电路的架构图。

图2是本发明实施例dc-dc隔离变换电路的架构图。

图3是本发明实施例dc-dc隔离变换电路的控制流程图。

[具体实施方式]

本发明实施例dc-dc隔离变换电路的架构如图2所示，包括dc/ac原边电路、变压器、ac/dc副边电路、bus电容、匝比选择开关、bus电容电压检测电路和控制电路。

bus电容接dc/ac原边电路的直流输入端，匝比选择开关的控制端和bus电容电压检测电路的输出端分别接控制电路。

当匝比选择开关布置在变压器的原边时，变压器的原边绕组包括多个抽头，匝比选择开关包括多个电子开关，电子开关的一端接dc/ac原边电路的交流输出端，电子开关的另一端分别接对应的原边绕组的抽头。

当匝比选择开关布置在变压器的副边时，变压器的副边绕组包括多个抽头，匝比选择开关包括多个电子开关，电子开关的一端接ac/dc副边电路的交流输入端，电子开关的另一端分别接对应的副边绕组的抽头。

当供电网电压中断时，根据bus电容的电压通过匝比选择开关调整变压器的匝比，bus电容的电压下降越多，选择变压器的匝比越小，所述的匝比是原边绕组匝数与副边绕组匝数的比值。

匝比选择开关包括复数个电子开关q，当前闭合的电子开关为qi，对应的变压器匝比为ni；ni+1表示下一个电子开关qi+1闭合对应的变压器匝比，mmax表示最大电路直流增益，vbus表示bus电容的电压，vout表示直流输出电压；当vbus≤mmax×ni+1×vout时，首先确定变压器绕组电流过零时刻，在变压器绕组电流过零时刻先断开当前的电子开关为qi，然后闭合下一个电子开关qi+1。qi+1对应的变压器匝比ni+1；ni+1＜ni。

dc-dc隔离变换电路输入输出关系式为vbus＝vout×n×m，其中n表示变压器匝比，即原边绕组匝数与副边绕组匝数的比值。m表示电路直流增益(n＝1时,m＝vout/vbus)。dc-dc隔离变换电路有pfm、pwm两种控制模式，pfm控制模式m则是开关频率f的函数如半桥llc电路：pwm控制模式m则是占空比d的函数，如反激电路(连续状态)：在公共电网等供应能源中止后，输出能量的提供只有靠bus电容来承担，电容释放能量公式：可知bus电容的容量c越大，允许vbus电压范围越宽，则可释放的能量就越大，holdup时间就越长。从输入输出关系式上可以看出m的变化范围大，允许vbus电压范围越宽，但m的变化范围宽，会引来其他问题，以反激电路进行举例说明。如连续状态的反激电路：通过增大占空比d的变化范围增大m的变化范围，这样在额定工作点，占空比d就会非常小，就会引起转换效率低、输出纹波大、副边管应力大、驱动电路设计难度高等问题，所以我们必须控制占空比d的变化范围，允许vbus一定的电压波动范围，但不宜过大。本发明引入通过改变变压器匝比n来扩大vbus电压范围，在不用增大bus电容容量，不牺牲额定工作点性能指标的情况下，可以延长holdup时间。

如图2所示，将匝比选择开关放在变压器的原边一侧，现以两个匝比n选择开关为例进行功能说明。电子开关q1导通时，对应的匝比为n1；电子开关q2导通时，对应的匝比为n2，其中n1＞n2；假定该电路直流增益变化范围为δm＝mmax-mmin，则vbus允许的电压变化范围为δm×n×vout。dc-dc隔离变换电路正常满载设计工作在mmin、q1导通、n1×mmin＜n2×mmax，正常工作时，q1导通，q2断开，当检测到公共电网等供应能源中止后，按q1继续导通工作；当vbus＜n2×mmax时，q1断开、q2导通，此时vbus可最低工作到电压为n2×mmin×vout，则vbus可允许的变化范围为：n1×mmax×vout～n2×mmin×vout，比任一单匝比的架构范围都要宽。当有n个匝比n选择开关时，n1＞n3…＞nn；同样道理，正常工作时，对应最大匝比n1的q1导通，当检测到公共电网等供应能源中止后，vbus将下降，判断vbus＜ni×mmax，顺次导通qi，则vbus可允许的变化范围为：n1×mmax×vout～nn×mmin×vout，进一步增大vbus可允许的变化范围。因为变压器是磁性器件，匝比n选择开关的开通、断开需选择在变压器原边电流为零或接近零的时刻段，如反激电路选择在副边续流状态。为了避免变压器匝间短路，匝比n选择开关需按先断开、后导通的时序进行。控制时序如图3所示。

图2所示的实施例是将匝比选择开关放在变压器原边一侧，也可以将它放在副边，仅是将匝比选择开关的开通、断开需选择在变压器副边电流为零或接近零的时刻段的差别，其他控制不变。

本发明以上实施例通过改变变压器匝比来扩大vbus电容电压的可用范围，在不用增大bus电容容量，不牺牲额定工作点性能指标的情况下，延长了holdup的时间，既降低了成本，又保障了变换器的性能。