式驱动的宽电压输入串联型开关电源

第43卷第12期 2009年12月 电力电子技术 PowerE1ectronics V01．43．No．12 December2009 浮地方式驱动的宽电压输入串联型开关电源 金永镐，徐红梅 (延边大学，吉林延吉133002) 摘要：提出了一种基于浮地方式驱动开关管的串联型开关稳压电源的设计方法。这种开关电源在内部采用了两个 地，即整个电路的地和场效应管驱动器部分的浮地，12—100v宽电压范围工作时，浮地和电源正端之间产生稳定的 约10V电压供场效应管的驱动器部分工作，因此驱动特性良好。整个电路使用一片通用的cD40106集成块设计，电 路以固定频率PwM方式工作，因此自身功耗很小。具有电路简单、工作稳定、成本低等特点，可用在各种工业用报警 器产品和爆闪式信号灯中。 关键词：开关电源；串联；浮地方式驱动；宽电压 中图分类号：TM910 文献标识码：A 文章编号：1000—100X(2009)12—0074一02 SeriesS谢tchingPowerS叩ply、7l，ithWideVoltageInputBased蛐FloatingDrive JINYong．gao，XUHong-mei (y∽6溉‰如ers妙，y耐i133002，吼i凡o) Abs咖ct：Se—esswitchjngregu】atjonpower8upplybased鲫noatingdliveispresented．弧erearetwoGNDsinthepower supply，船circuitGNDandnoatingGNDofMOSFETdriver．Intllewidemn99of12～100Vv01tage，10Vvoltagegenerated betweennoatingandpositivepowercanbeappliedtodriveMOSFET，sodrivingcharacteristiciswell．Itisdesignedwitha ge∞rationalCD40106，itcanworkinthewaysoffixed粕quencyPWM，sotllecircuitissimple，workssteadilyandhas lowc∞t．Itcanbe印pliedtoallkindsoftheindustriala1咖8ystemandtheburstnashingsignallamps． KeyworcIs：switchiIlgpowersupply；series；noatingdrive；widevoltage 1 引 言 串联型开关电源具有调压范围宽、稳定性好、控 制线路简单，尤其在开关管导通时，储能电感在储能 的同时还可向负载提供能量。因此功率传送能力大， 用较小的电感可输出较大的功率1。21。集成电路组成 的串联式开关电源具有效率较高、体积小、使用方便 等特点。但自身功率损耗较大，输入电压范围小【3卅， 因此在实际应用中受到一定的限制。提出了基于浮 地方式驱动开关管的串联型开关稳压电源，由于使 用了一片通用型CMOS门电路集成电路CD40106。 并采用了浮地方式驱动技术。因此电源自身的功率 损耗很小，在12～100V宽电压范围工作时，启动电流 仅为0．2～0．3mA。工作电流为1～2mA，且在固定频 率的PWM方式下工作，因此可减少谐波分量，具有 电路简单、扩展输入电压和输出功率方便等特点。 2通用串联型开关电源的工作原理 图1示出通用串联型开关电源的框图。输出电 压取样后经施密特触发器控制开关管工作。开关管 导通时．电感在储存能量的同时给滤波电容和负载 同时供电；断开时，电感上储存的能量释放，使负载 得到较稳定的连续电流。由于这种电源结构简单、成 本低。因此广泛使用在各种电子设备中。 定稿日期：2009一05—26 作者简介：金永镐(1964一)，男，吉林和龙人，博士，教授，研究 方向为智能开关技术及智能变换。 74 叫I||怄壑毯銮鬲卒c=}匡 一图l通用串联型开关电源框图 但由于驱动器跨接在开关管和地之间，因此在 宽电压范围工作时要求驱动管的耐压高，同时高电 压在驱动器上产生较大的功耗．因此需采用恒流驱 动等技术。设输入电压为U，驱动器的驱动电流为 i，开关管输入端输入为以，占空比为D，且设心时 开关管导通，则驱动器上的功率损耗为： 辟(“一玑)国 (1) 通常三极管的输入电压以=0．7～lV．MOSFET 的输入电压以=5～10V，可知输入电压越高，驱动管 的功耗越大。 3浮地方式驱动串联型开关稳压电源 3．1电路的组成 图2示出浮地方式驱动开关管的串联型开关稳 压电源的框图。 MOSFET开关管皱辫c：}唪＼浮地A l彳 图2浮地驱动方式的串联型开关电源框图 与通用串联型开关电源相比，驱动器、PWM发 生器等部分共同使用另一个“浮地”，浮地与电源的 正输入端之间通过恒流源产生工作电压。由于工作 万方数据 浮地方式驱动的宽电压输入串联型开关电源 频率高，电源的地与浮地间控制信号的传递不能采 用光电耦合器，而是使用小功率的高反压三极管。 3．2浮地方式驱动开关管的工作原理 图3示出实际电路图，电路具有两种“地”。整个 电路使用一片CD40106设计，其内部有6个施密特 输入特性的非门。由U1A，VD。，R。，尺6组成占空比为 90．95％的脉冲发生器．U1B为MOSFET的驱动器， 为了提高驱动能力。利用剩下的5个门并联驱动。 + 矾 C VDl。 P 一 如l 一 1面睫!VQ／ } UJB E VQ3 三l VD2 VD3 G c2为脉冲保持电容；VQ3为放电器 图3浮地驱动方式的微功耗串联型开关电源电路图 VD，，VQ。，R，组成恒流源，对C，充电，提供给 CD40106的工作电压玑=3。15V，但为了饱和驱动 MOSFET开关管，取玑=8～12V。 这种恒流源电路自动适应负载．输出小于稳压 管稳压值‰∥匾流电流为：i=芈 (2) 由于CD40106是CMOS芯片．静态工作电流小 于0．1mA。但为了高速驱动MOSFET需要较大的电 流．其电流值与电路的工作频率、MOSFET的输入电 容有关嘲，实验证明电流i的取值范围是1～2mA时 电路稳定工作，通过式(2)可计算出R，。 每个周期的脉冲高电平时，由于电容c2的电压 不能突变。因此E点的电平也是高电平。F点输出 陆坼一以电压，VQ，导通，玑上升，当蛄U唧+0．7V 时，VQ，开始导通，E点电压开始变低，F点输出变 高，睁坼近似为零，VQ，断开，从而形成固定频率的 PWM波形。 3．3工作原理波形分析 图4示出工作原理波形。设魄和以为施密特 门电路CD40106的上、下比较电平。每个工作周期 的高电平处VQ。导通，以上升，当玑上升到VQ。刚 刚导通时，c2被充电，E点电压开始下降，当下降到 砜时，UlB输出高电平，VQ。截止，玑开始下降，VQ， 截止。这种电路的最大PWM宽度是脉冲周期的高 电平时间。由于采用浮地驱动方式，且使用了5个施 密特门驱动，因此VQ。驱动电压的上升和下降沿非 常陡。大大减少了开关损耗，且在12～100V输入范 围内．开关管的驱动电压被严格限制在8—12V的安 全区。如需进一步减少恒流源的功率损耗，可在图3 的G点处接入如图5所示的辅助电源电路，利用电 源启动后的输出脉冲提供CD40106的工作电压。 o—’一 、、、0———一 —r - J J| l| I I f ．f‘——h~⋯』：：，～ I ．1 ] 一 ．{ H H h j IVQ卜oN；；vQ卜oN； f 0r一寸oN0—一{oN Us“ 己|1 图4工作原理波形 9KcF1—旦曲r言≮G 图5辅助电源电路 电源启动时恒流源电路工作，启动后由于VD。 的稳压值是10V而VD，的稳压值是12V，因此电源 正常工作时A点的电位低于C点的电位，VQ：自动 截止．从而减少恒流源部分的1mA左右静态电流 产生的功率损耗。 3．4工作时实际波形 图6示出输出电压为12V，电流为2A，频率为 43kHz时电源“地”与各点之间的工作波形。由图可 见．电源正端与“浮地”之间产生稳定的CD40106工 作电压玑，从F点的波形可见，利用5个门驱动 MOSFET时．驱动波形的上升沿和下降沿非常陡，因 此MOSFET的开关波形(G点波形)非常陡，从而大 大提高了效率，最大的PWM脉冲宽度为每个周期 的高电平时间(D点、G点波形)。 难 ≥ o e S S S 气 、％‘ 匿恐，1 站5 PWMji‘ |i∥h一阮 ] !㈠㈦： L_．。一l，≮秘阮： 弧d 建 兰苫 S2 若 i．嘲，_『!V#p— ：故‰． i坼．}；‘ 沈ND： ● r， f，【10us／格) f／(10us／格) (a)|D，G，E点电压 (b)，点电压、浮地电压和输出电压 图6“=45V，眙12V时的波形 为了观察浮地电源的动态特性．图7示出输入 脉动直流时B点和F点的波形，F点的波形中阴影 部分是加在MOSFET的G极和S极两端的电压。 图7输入100Hz脉动直流时的波形 由图可见．当输入电压改变时，“浮地”点的电压也 相应地改变，而阴影部分的宽度不变，说明CD40106 的工作电压玑稳定不变。 4结论 浮地方式驱动的串联型开关电源(下转第78页) 75万方数据 第43卷第12期 2009年12月 电力电子技术 PowerElectronics V01．43．No．12 December2009 输出功率只=1kW。按最低输入60V设计，由式(3) 得D。=0．739。占空比大于0．5，用峰值电流控制时要 加适当的斜波补偿，以消除次谐波振荡。 4仿真和实验 考虑过载，按1．5kw设计，由式(4)算得开关管 电压应力为230V，由式(6)算得电流应力为29．8A。 由式(8)折衷选择电感量为146斗H，因耦合匝比Ⅳ- 1，所以次级绕组也选146斗H。该耦合电感的磁芯设 计是关键，由于它是电感式的变压器，这一点与反激 变换器的变压器一样，应该尽量减小漏感，从而避免 开关管上过大的电压尖峰。耦合电感磁芯选用HP2 材质，EE65型号，其最大工作磁密为0．32T，计算得 初、次级匝数都为26，用厚0．2mm的铜皮绕制，经核 算，选用该磁芯窗口能够绕下。取疋=0．0085，K= 1．667，将之与计算得到的其他参数代入式(12)，波 特图如图4所示。 4’ 4 ， ＼上 删 』 、 、 一!． i 一÷ ∞／rad·s一1 (a)幅频特性 101 102 l03 l04 l05 u／rad·s～l (b)相频特性 图4波特图 由图可见右半平面零点是28620rad．s_1．它对 系统的影响在0dB线以下，且系统是以一20dB，dec 衰减穿越0dB线，相位裕度很大，故系统稳定。用 Psim进行仿真，结果如图5所示。 f，m8 图5仿真波形 (上接第75页)在12—10_0V宽电压范围内。提供稳定 的驱动器工作电源，驱动MOSFET的波形良好，无 负载时其自身的电流仅为l～2—·认，因此效率高。电 路简单、工作稳定。 更换MOSFET和VQ2，VQ3小功率管可设计出 输入电压12—200V，输出功率1～100W的电源．广 泛适用于各种工业用报警器产品和爆闪式信号灯。 所设计的宽电压工作产品提高了产品的竞争力。 参考文献 [1】王兆安，黄俊．电力电子技术[M]．北京：机械工业出版 78 图6示出厶=2．86A时的电压实验波形和实测 效率曲线。实验和仿真说明，对耦合电感式Boost电 路运用峰值电流控制是切实可行的，前面的理论分 析是正确的。 蝗 > o 宝 ￥ S 言 著 ：“ 也 - h 卜 h - +卜 --__：-●-- 23342762l815 962l 125 尼／W (a)输出电压干¨开关符漏源电压 (b)效碍夏曲线 图6实验结果 5 结 论 将所设计的电路应用在高升压比的蓄电池泵 升．适用于中小型UPS中的DC／DC变换。采用电流 型控制，带宽增益积大，能满足UPs的动态性能要 求。该分析设计方法可有效地指导耦合电感式Boost 电路的设计。 参考文献 [1】 1wadeT，KomiyamaS，TanimumY，eta1．ANovelSmall— scaleUPSu8ingaPamllelRedundant0pemtionSystem【A】． Telecom舢nicationsEnergyConfe呦ce，INTELEC’03．The 25thIntemational[C]．2003：480—484． [2】 HirachiK，KajiyamaK，IsokaneS，eta1．CoupledInductor AssistedBidirectionalChopperforSmall—scaleBattery EnergyStorageSystem叨．E1ectmnicsI七tters，2003，39(20)： 1467—1469． 【3】 HirachiK，NakaokaM．UPSCircuitCo曲guLationIncorpo- ratingBuck—BoostChopperCircuitwith7I’woMagnetically Coupledcoils[J】．Electmnic8Letters，2003，39(18)：1345— 1346． 【4】 YoshihikoYamakata，MakotoYat吕u，Eiki1wabuchi，eta1． DevelopmentofNewSerieseMINI—UPS[J】．Tmns．ofJapan SocietyforPowerElectronics，1999，25(1)：81—89． [5】 CookeP．ModelingAverageCurrentModeContmlofPower Converters[A】．IEEEAPEC’2000[C]．2000：256—262． 社．2006． [2】金永镐，徐红梅．基于同步方式恒流驱动模式的宽电压输 入串联型开关电源叨．电力电子技术，2008，42(8)：7l一72． 【3]王水平，刘畅生，王亚民，等．集成稳压器使用指南与应用 电路[M】．西安：西安电子科技大学出版社，2003． 【4】金永镐，郑春善．基于恒流驱动模式的宽电压输入串联型 开关电源叨．电子技术应用，2007，33(12)：166—168． [5]Br肌dBryant，MarianKKazimierczuk．Voltage-loopPowe卜 stageTransferFunctionswithMOSFETDelayforBoost PWMConvener0peratinginCCM【J】．IEEETmns．onIn— dustrailElectmnics，2007，54(1)：347—353． 万方数据 浮地方式驱动的宽电压输入串联型开关电源 作者： 金永镐， 徐红梅 作者单位： 延边大学,吉林,延吉,133002 刊名： 电力电子技术 英文刊名： POWER ELECTRONICS 年，卷(期)： 2009，43(12) 引用次数： 0次 参考文献(5条) 1.王兆安,黄俊.电力电子技术[M].北京:机械工业出版社,2006. 2.金永镐,徐红梅.基于同步方式恒流驱动模式的宽电压输入串联型开关电源[J].电力电子技术,2008,42(8):71-72. 3.王水平,刘畅生,王亚民,等.集成稳压器使用指南与应用电路[M].西安:西安电子科技大学出版社,2003. 4.金永镐,郑春善.基于恒流驱动模式的宽电压输入串联型开关电源[J].电子技术应用,2007,33(12):166-168. 5.Brand Bryant,Marian K Kazimierczuk.Vohage-loop Powerstage Transfer Functions with MOSFET Delay for Boost PWM Converter Operating in CCM[J].IEEE Trans.on Industrail Electronics,2007,54(1):347-353. 相似文献(10条) 1.会议论文 姚为正.刘进军.王群.王兆安 用于通信开关电源谐波抑制的三相串联型电力有源滤波器 1999 该文分析了适用于通信开关电源谐波抑制的串联型电力有源滤波器的基本工作原理，并对其控制方法和控制电路进行了研究。在该基础上，研制了 一台实验样机。实验结果明，串联型电力有源滤源器对通信开关电源产生的谐波具有良好的抑制作用。 2.学位论文 曾波 带隔离的E<'2>类DC/DC变换器 2007 直流-直流变换(DC/DC 变换)电源在工业和日常生活中的应用已经非常广泛。各种开关电源已经占据了主要地位。开关电源技术研究的重要内容是进 一步提高功率密度，即减小体积。而提高功率密度与变换效率又会产生矛盾。本文的主要目标是在保持效率的前提下，尽可能减小体积。 PWM控制 方式的开关电源是当今开关电源的主流控制方式。传统的PWM控制方式中，功率管工作在硬开关状态，功率管承受的应力大，开关损耗大。E类软开关电 路可以降低开关损耗，抑制开关产生的电磁干扰，有助于进一步提高开关频率，使电源向体积小，重量轻，效率高，功率密度大的方向发展。本文在传 统的E类逆变器以及E类整流器基础上提出了一种带隔离的E<'2>类DC/DC变换器，该仅使用一个电感性元件，既实现了输入、输出的隔离，又实现了 逆变和整流的双重E类软开关模式。有效地减小了整个变换器的体积。 本文首先对传统E类逆变器以及E类整流器的工作原理进行介绍，在此基础上 提出了一种带隔离的E<'2>类DC/DC变换器，并对其电路拓扑，工作原理和电路特性进行分析。基于对该DC/DC变换器的分析，本文设计了一台三相交流输 入，输出功率达到12kW的DC/DC变换器，给出了该系统的设计参数，并通过了仿真验证，同时设计了该电源的驱动控制电路，并最终给出了该电路的实际 调试结果。 变压器在本系统中不仅有电气隔离的作用，而且变压器的原边电感还参与了谐振。对于高频变压器的设计，不仅要考虑到原副边匝数 ，磁心大小以及气隙大小的影响，而且还考虑分布参数的影响。本文中给出了这个变压器的具体设计过程。 在本电路中由于IGBT两端承受的电压 较高，所以采用了两个IGBT串联的结构，但在实际应用中经常会出现串联的IGBT由于电压不均衡而损坏的问题。因此在本文的最后，针对本文中的电路 拓扑的特点，设计了一种比较简单的均压电路。 3.期刊论文 李华强.LI Hua-qiang 一种380 V交流输入的多路输出开关电源 -电讯技术2007,47(6) 介绍了一种用于大功率IGBT厚膜驱动电路的380 V系统输入、多路输出辅助开关电源.该开关电源采用新颖的双管串联模式,解决了高电压输入条件下 开关管的选用难题.与传统供电电源相比,该电源电路简单、体积小、重量轻、效率高、允许输入电压范围宽,具有很高的实用价值.该电源已研制成功并 已投入实际应用. 4.学位论文 杨钰辉 基于PSM技术的高压开关电源研究 2006 随着功率半导体技术的发展和电力电子技术的进步，电力电子技术开始广泛应用于高压电源领域。应用电力电子技术的高压开关电源，工作频率大 大的提高，可以显著的减小高压电源的重量和体积，提高电源的效率，同时还具有控制精度高、稳定度高、纹波低等优点，是今后高压电源发展的趋势 。 脉冲阶梯调制(PSM)技术是将阶梯调制(SM)技术和脉宽调制(PWM)技术相结合，是高电压、大功率电源系统中一种重要的调制技术。基于脉冲阶 梯调制(PSM)技术的高压开关电源具有电路拓扑简单，较易获得高输出电压、大输出功率，输出电压连续可调，系统可靠性高，效率高等众多优点。目前 ，脉冲阶梯调制(PSM)技术主要应用于高压直流电源系统中，其输出电压可以达到几十千伏至几百千伏，功率输出可以达到几百甚至上千千瓦。 基 于脉冲阶梯调制(PSM)技术的高压开关电源由一系列开关模块单元串联组成，文中对其电路拓扑和工作原理进行了详细的介绍和分析，说明其输出电压波 形为阶梯波和PWM波的叠加，在相同的参数下，此电路拓扑需要较小的输出滤波电感，对提高系统的动态性能具有重要意义。文中基于 MATLAB/SIMULINK的仿真环境，对系统的控制方法进行了仿真研究，分析了系统在不同调制器形式下的动态特性。文章最后，采用四组开关模块单元串联 ，通过实验对脉冲阶梯调制(PSM)技术的基本原理进行了实验验证。 5.期刊论文 多杰才让 开关电源与串联型稳压电源 -青海师范大学民族师范学院学报2003,14(1) 比较串联型稳压电源和开关电源的工作原理和稳压原理,阐明开关电源的优越性及两种电路的根本区别. 6.学位论文 樊民革 癌肿瘤射频治疗仪的研究 1998 高热治疗是近十年来新兴的一种治疗癌肿瘤的方法.该文主要介绍癌肿瘤体外射频治疗仪硬、软件的设计.首先在对热疗现有的各种加热方法进行比 较后,选择了射频容性加热作为治疗仪的加热手段.其次设计了所有的硬件电路并通过大量的实验论证了方案的可行性,文中给出了硬件各部分的原理电路 、设计过程和调试步骤,其中受控开关电源将脉冲调宽技术引入由串联元件进行电压调整的可调直流电源中,消除了串联调整元件上的功耗,使得可控电源 的效率和可靠性大幅提高.最后介绍了系统用到的模糊控制器的设计过程,并对治疗仪软件控制程序的工作给出了较详细的说明. 7.会议论文 吕富勇.崔海安.胡中兵 一种半桥串联谐振低纹波高稳定度开关电源 2003 介绍一种串联谐振低纹波高稳定度开关电源的工作原理;采用合适的滤波设计及补偿网络达到低纹波高稳定度的要求.重点分析了半桥串联谐振电路 休止期低频振荡的产生及影响,以及如何通过设计变压器参数减小该影响;并对一些关键电路进行了介绍. 8.学位论文 张海云 基于不对称阶梯调制技术高压开关电源的设计 2007 随着世界经济的发展和科学技术的进步,对高压、大功率开关电源的需求越来越高.尤其在众多的大型科学试验装置中,对其供电电源均有特殊的要求 ,如高电压,大电流,大功率,低纹波,低储能等等. 不对称阶梯调制技术(SM)是在阶梯调制(SM)技术的基础上,采用多种电源模块进行控制输出的技术 ,是高电压大功率电源系统中一种重要的调制技术. 基于阶梯调制(SM)技术的高压开关电源是由n个相同的开关电源模块串联而成.这种系统在相对 较低的电压输出时,将会使功率模块数量大幅增加,否则就会牺牲系统精度.在此基础上,提出不对称阶梯调制(SM)技术高压电源,不对称阶梯调制(SM)技术 的高压开关电源输出端省去滤波器,大大的改善了系统的动态性能. 本课题将在阶梯阶梯调制(SM)技术的工作原理的基础上,引出基于不对称阶梯调 制(SM)技术的高压开关电源,要求系统响应速度快,系统地稳定性能高,并对该系统控制方法进行研究,提出了一种新型的控制策略,该控制策略是根据给定 输入和电压反馈值的差值,利用PI调解器输出后作为开关管控制电路的的输入值.在此技术的基础上设计10KV高压开关电源.通过仿真分析验证其控制方法 ,并制作实验样机对其进行实验验证.基于不对称阶梯调制(SM)技术的高压开关电源的控制方法的实现是本课题需要解决的关键问题. 文中基于 MATLAB/SIMULINK的仿真环境,对系统的控制方法进行了仿真研究.文章最后,采用4组开关模块单元串联,通过实验验证了控制策略的可行性和优越性. 9.期刊论文 高曾辉.候振程.GAO Zeng-hui.HOU Zhen-cheng 双管串联的功率变换器 -四川师范大学学报（自然科 学版）2000,23(1) 结合一高频高压开关电源实际课题,针对高压输出情况下功率管的耐压问题,提出了在功率变换级采用双管串联反激组态电路解决管子耐压的有效措 施. 10.学位论文 张泰石 高平均功率串联谐振逆变型脉冲激光电源的工作机制及其特性研究 2001 该论文是在研究制造"工业用400 W脉冲YAG激光器"的开关电源的过程中,为解决一些存在的理论与工程上问题而撰写的.该论文的研究工作主要包括 以下几方面:一、发展了对高平均功率脉冲激光电源最合适的串联谐振开关电源的理论.二、通过实验证明了此理论的正确,分析了对平均输出功率有重要 影响的几个电路参数.三、提出了高平均输出功率串联谐振型脉冲激光电源的主要参数设计方法.四、该课题没有采用多套开关电源的并联运行方式,而只 用一套开关电源,成功地研究制造了连续电流方式下运行的最大平均输出功率为20Kw的工业用脉冲YAG激光器的开关电源. 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_dldzjs200912029.aspx 下载时间：2010年3月10日