航天电源用半桥变换器的自适应启动二次电源电路的制作方法

1.本发明涉及二次电源技术领域，具体涉及一种航天电源用半桥变换器的自适应启动二次电源电路。


背景技术：

2.在dc/dc半桥直流变换器中，其控制环路系统需要有稳定的直流供电电源来保证控制系统稳定运行。通常，在dc/dc半桥直流变换器主电路启动之前，需要外部直流电源让控制环路提前启动，输出稳定的pwm波形，保证主电路功率开关管稳定的导通和关断。但是这种启动控制逻辑有一个明显的缺陷，当控制系统外部直流供电电源出现故障，导致控制环路不能启动时，整个dc/dc半桥直流变换器就无法启动。
3.为解决上述启动问题，通常采用线性源电路，其输入端是dc/dc半桥直流变换器的主功率电源电压，输出端是能为控制环路供电的稳定直流电压。该线性源电路不仅可以为控制环路提供启动电源，而且通常用作控制环路稳定运行的供电电源。但是该线性源电路也存在一个缺陷，线性源电路是非隔离电路，当主功率电源电压为高压时，如果出现线性源的功率开关管被静电击穿等外部因素损坏，导致功率开关管短路，使得主功率电源电压直接加载在线性源输出端两端，不仅使得线性源输出端的稳压管流过过大的击穿电流而烧毁，而且使得控制环路系统承受主功率电源的高压而全部烧毁。由于上述控制环路存在供电启动及稳定运行供电的缺陷，很难应用于安全性、可靠性及稳定性很高的航空航天等领域。


技术实现要素：

4.为克服现有技术的缺陷和不足，提供了一种航天电源用半桥变换器的自启动二次电源电路，通过结合半桥变换器自身的结构和特点，利用输出滤波电感充放电产生的交变电压，将输出滤波电感铁芯上缠绕二次线圈，利用反激直流变换器的原理，构成隔离型二次电源的电路结构，为控制环路提供稳定的直流供电电源。从而解决了高压直流电源中非隔离型的线性源为控制环路供电带来的电路缺陷问题，可使对控制环路的供电更加安全、可靠和稳定。
5.本发明提供了一种航天电源用半桥变换器的自适应启动二次电源电路，所述二次电源电路包括：
6.二次线圈，绕设在半桥直流变换器主功率电路的输出滤波电感l1的铁芯上，所述二次线圈的同名端与公共地gnd连接；
7.隔离二极管d3，其阳极与线性启动源的输出电压v1连接，其阴极与控制环路的供电电源v
cc
连接；
8.隔离二极管d4，其阳极与所述二次线圈的异名端连接，其阴极与所述隔离二极管d3的阴极连接；
9.滤波电容c4，其一端与所述隔离二极管d4的阴极连接，其另一端与公共地gnd连接。
10.可选地，当所述半桥直流变换器主功率电路正常启动后，所述输出滤波电感l1释放能量，所述二次线圈的异名端感应出电压v2，电压v2大于线性源启动电路的输出电压v1。
11.可选地，所述线性源启动电路包括电压调整电路、稳压输出电路和误差放大电路，所述线性源启动电路具有稳定的输出电压v1，输出电压通过所述隔离二极管d3，得到稳定的直流启动电压v
cc
。
12.可选地，所述电压调整电路包括限流电阻r1、续流电阻r2和功率开关管q1；所述功率开关管q1的漏极与主功率电源正极v
in
连接，所述限流电阻r1并联在所述功率开关管q1的漏极与栅极之间，所述续流电阻r2并联在功率开关管q1的源极与公共地gnd之间。
13.可选地，所述稳压输出电路包括稳压二极管d1、隔离二极管d2和隔离二极管d3；所述隔离二极管d2的阳极与所述功率开关管q1的源极连接，所述隔离二极管d2的阴极分别于所述稳压二极管d1的阴极和所述隔离二极管d3的阳极连接，所述隔离二极管d3的阴极与控制环路的供电电源v
cc
连接。
14.可选地，所述误差放大电路包括采样电阻r4、限流电阻r3和三极管q2；所述采样电阻r4的一端与所述稳压二极管d1的阳极连接，所述采样电阻r4的另一端连接公共地gnd；所述限流电阻r3的一端与所述稳压二极管d1的阳极连接，所述限流电阻r3的另一端连接所述三极管q2的基极；所述三极管q2的射极与公共地gnd连接，所述三极管q2的集电极与所述功率开关管q1的栅极连接。
15.可选地，所述半桥直流变换器主功率电路包括半桥整流电路和输出滤波电路；当输出稳定的直流启动电压v
cc
后，所述半桥直流变换器主功率电路获得稳定的pwm波形并输出稳定电压v0。
16.可选地，所述半桥整流电路包括上桥臂电容c1、下桥臂电容c2、上桥臂功率开关管q3、下桥臂功率开关管q4、半桥变压器t1、输出整流二极管d5和输出整流二极管d6；当输出稳定的直流启动电压v
cc
，使得控制环路平稳的启动并输出稳定的pwm波形，其pwm波形使得上下桥臂功率开关管q3和q4在一个pwm波形周期内交替导通；当pwm控制信号使上桥臂功率开关管q3导通时，主功率输入电压v
in
产生的输入电流经过功率开关管q3、变压器t1的端子1和端子2，为下桥臂电容c2充电储能，同时在变压器t1的端子3上感应出正电压，通过整流二极管d5后，流入输出滤波电路；当pwm控制信号使下桥臂功率开关管q4导通时，下桥臂电容c2对外放电，其放电电流经过变压器t1的端子2、变压器t1的端子1、功率开关管q4到公共地gnd，同时在变压器t1的端子6上感应出正电压，通过整流二极管d6后，流入输出滤波电路。
17.可选地，所述输出滤波电路包括输出滤波电感l1、输出滤波电容c3和输出滤波电容c5、输出隔离二极管d7；在pwm控制信号使上桥臂功率开关管q3或下桥臂功率开关管q4导通期间，变压器t1的端子3或端子6感应出正电压并输出电流，其电流流经输出整流二极管d5或d6，流入输出滤波电感l1，将电能转换成磁场能量储存起来；流过输出滤波电感l1的电流会逐渐增大，在滤波电感l1的端子7上会感应出正电压。
18.可选地，所述输出滤波电感l1在上下桥臂功率开关管开通时，充电储能，所述输出滤波电感l1在上下桥臂功率开关管关断时，释放能量。
19.本发明提供的技术方案可以包括以下有益效果：
20.本发明通过利用半桥直流变换器输出滤波电感充放电的特征，结合反激式电路的工作原理，设计出了隔离型二次电源电路，该电路简单，可靠性及实用性高，成本低。
21.本发明的二次电源电路与线性源启动电路构成互补供电电路，弥补了高输入电压下，单独使用线性源启动电路为控制环路供电所存在的可靠性缺陷。
22.应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。
附图说明
23.为了更清楚地说明本发明专利实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明专利的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
24.图1本发明实施例中的总电路图；
25.图2为本发明实施例中线性源启动电路；
26.图3为本发明实施例中半桥直流变换器主功率电路；
27.图4为本发明实施例中二次电源电路。
具体实施方式
28.下面将参照附图更详细地描述本发明的实施方式。虽然附图中显示了本发明的实施方式，但是应该理解的是，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
29.在本发明使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明和所附权利要求书中所使用的单数形式的“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
30.应当理解，尽管在本发明可能采用术语“第一”、“第二”、“第三”等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本发明范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
31.下文将结合附图对本发明实施例的技术方案进行详细描述。
32.请参阅图1，本发明提供一种航天电源用半桥变换器的自启动二次电源电路，包括线性源启动电路、半桥直流变换器主功率电路和二次电源电路。本发明通过利用半桥直流变换器输出滤波电感充放电的特征，结合反激式电路的工作原理，设计出了隔离型二次电源电路，该电路简单，可靠性及实用性高，成本低。
33.请参阅图2，所述线性源启动电路包括电压调整电路、稳压输出电路和误差放大电路。电压调整电路包括功率开关管q1(以n沟道增强型mosfet功率开关管为例)、限流电阻r1和续流电阻r2；当主功率电源启动时，主功率电压v
in
通过限流电阻r1加载在功率开关管q1的栅极g上，使得功率开关管q1的栅源电压v
gs
(栅极g与源极s之间的电压差)升高；当v
gs
到达功
率开关管q1栅源门限阈值电压v
gs(th)
时，功率开关管q1开始导通；随着v
gs
继续增加，功率开关管q1从夹断区进入可变电阻区。
34.需要说明的是，所述可变电阻区是功率开关管的一种工作状态。在该状态下，功率开关管q1的漏极与源极之间可以等效成为一个可变电阻r
t
；在可变电阻区内，可变电阻r
t
与栅源电压v
gs
成反比关系。所以，当功率开关管q1进入可变电阻区后，功率开关管q1的漏源电压v
ds
(漏极d与源极s之间的电压差)开始下降；同时源极s对地的电压vs开始上升，并作用在稳压输出电路上。
35.请参阅图2，所述稳压输出电路包括稳压二极管d1、隔离二极管d2和隔离二极管d3。源极s对地的电压vs经过隔离二极管d2以后，使得输出电压v1开始增加。随着输出电压v
in
不断增加的过程中，稳压二极管d1两端电压不断增加，直至达到击穿电压v
d1(th)
并保持稳压状态。与此同时，流过稳压二极管d1的电流作用在误差放大电路上。
36.请参阅图2，所述误差放大电路包括采样电阻r4，限流电阻r3和三极管q2(以npn型三极管为例)。当流过采样电阻r4的电流增加，会使得采样电阻r4两端电压v
r4
升高；此电压v
r4
经过限流电阻r3作用于误差放大电路中的三极管q2的基极b上，使得三极管q2的基射电压v
be
(三极管的基极b与射极e之间的电压差)逐渐上升。当三极管q2的基射电压v
be
大于其导通电压v
be(th)
时，此时三极管q2的工作状态开始从截止区进入到放大区。此时流过三极管q2的集电极电流会迅速增加，从而使得流过限流电阻r1的电流会迅速上升，在限流电阻r1产生的压降随着流过电流的增加而增加，导致三极管的集电极电压vc(或功率开关管q1的栅极对地电压vg)迅速下降；使得功率开关管q1的栅源电压v
gs
开始下降，随即功率开关管q1的漏极d与源极s之间等效的可变电阻r
t
增加，导致功率开关管q1的源极s对地电压vs降低；再经过隔离二极管d2使得输出电压v1降低，从而电压调整电路、稳压输出电路和误差放大电路之间形成了一个完整的负反馈网络系统，使得最终线性启动源具有稳定的输出电压v1，通过隔离二极管d3，得到稳定的直流启动电压v
cc
，使得控制环路平稳的启动并输出稳定的pwm波形。
37.本实施例中，所述稳定后的输出电压v1可表示为：
[0038]v1
≈v
d1(th)
+v
be(th)
[0039]
请参阅图3，所述半桥直流变换器主功率电路包括半桥整流电路以及输出滤波稳压电路。所述半桥整流电路包括上桥臂电容c1、下桥臂电容c2、上桥臂功率开关管q3、下桥臂功率开关管q4、半桥变压器t1、输出整流二极管d5和输出整流二极管d6。当线性源启动电路输出稳定的直流启动电压v
cc
，使得控制环路平稳的启动并输出稳定的pwm波形，其pwm波形使得上下桥臂功率开关管q3和q4在一个pwm波形周期内交替导通；当pwm控制信号使上桥臂功率开关管q3导通时，此时主功率输入电压v
in
产生的输入电流经过功率开关管q3、变压器t1的端子1和端子2，为下桥臂电容c2充电储能，同时在变压器t1的端子3上感应出正电压，通过整流二极管d5后，流入输出滤波电路。同理，当pwm控制信号使下桥臂功率开关管q4导通时，此时下桥臂电容c2对外放电，其放电电流经过变压器t1的端子2、变压器t1的端子1、功率开关管q4到公共地gnd，同时在变压器t1的端子6上感应出正电压，通过整流二极管d6后，流入输出滤波电路。所述输出滤波电路包括输出滤波电感l1、输出滤波电容c3和c5、输出隔离二极管d7。在pwm控制信号使上桥臂功率开关管q3或下桥臂功率开关管q4导通期间，变压器t1的端子3或端子6会感应出正电压并输出电流，其电流流经输出整流二极管d5或d6，流入输出滤波电感l1，将电能转换成磁场能量储存起来(储能)，同时流过输出滤波电感l1的电流会逐
渐增大，在滤波电感l1的端子7上会感应出正电压，如图3所示，由于端子7对地短路，故没有输出；在上桥臂功率开关管q3或下桥臂功率开关管q4关断期间，流过输出滤波电感l1的电流会逐渐减少，滤波电感l1储存的磁场能量会换变成电能，一部分电能会给输出滤波电容c3和c5充电，另一部分通过在滤波电感l1的端子8上感应出电压v2，如图4的二次电源电路所示。
[0040]
请参阅图4，所述二次电源电路是利用半桥直流变换器电路输出滤波电感的充放电(电能与磁能的相互转换)特点，将反激式直流电源电路的工作原理引入其中，在输出滤波电感l1的铁芯上绕制二次线圈，重新设计出来的一种二次电源辅助电路。当上桥臂功率开关管q3或下桥臂功率开关管q4导通时，滤波电感l1开始充电储能，此时在滤波电感l1的端子7(即二次侧线圈同名端)会感应出电压，但是对地短路，没有输出；当上桥臂功率开关管q3或下桥臂功率开关管q4关断时，滤波电感l1开始释放能量，此时在滤波电感l1的端子8(即二次侧线圈异名端)感应出正电压v2。
[0041]
在设计二次电源电路时，必须保证二次电源电路的输出电压v2的设计值大于线性源启动电路的输出电压v1的设计值，并在线性源启动电路和二次电源电路的输出端各串联一个隔离二极管d3和d4；当半桥直流变换器正常启动后，二次电源电路会输出电压v2，由于电压值v2大于电压值v1，使得隔离二极管d3工作在反向截止状态，从而切断了线性启动电路的输出，由二次电源电路来代替线性源启动电路，在滤波电容c4的作用下，最终为控制环路提供稳定的直流供电电源v
cc
。
[0042]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应该涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。