專利名稱：高性能vmos開關控制電路的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種高性能VMOS開關控制電路，屬于電源轉換技術領域。
背景技術：
近年來，光伏發(fā)電、風力發(fā)電、蓄電池供電等交流低壓、直流低壓供電的可再生新能源系統(tǒng)被廣泛使用，提高低壓新能源供電系統(tǒng)的供電效率、供電質量、供電可靠性勢在必行。目前本領域公知電源轉換基本采用:1、交流(AC)輸入，采用全波整流器把輸入交流(AC)電源整流為直流(DC)電源，再進行DC/DC轉換為直流(DC)輸出。此種方案解決了較高輸入電壓交流電源和小功率電源的轉換問題。但在低電壓交流電源輸入和大功率電源轉換時，因為AC/DC整流電路的電壓降較高，而產生很高的功耗，使電源轉換器轉換效率很低。2、直流(DC)輸入，直接進行DC/DC轉換為直流(DC)輸出。此種方案解決了固定設備供電問題。但使用可靠性較低，尤其是在移動性設備，經常需要重新連接輸入電源的設備，一旦出現電源極性接反的情況，就會產生輸入短路事故。因此一些要求可靠性較高的設備，在轉換器輸入端加入直流定向整流電路。在低電壓直電源輸入和大功率電源轉換時，因為直流識別定向整流電路的電壓降較高，而產生很高的功耗，使電源轉換器轉換效率很低。3、為了提高低壓供電效率、降低線路電流一般采用升壓式(BOOST)直流(DC)供電方式。升壓式(BOOST)直流(DC)供電當輸出產生短路故障，輸出電壓低于輸入電壓時BOOST電路功能失效，輸入電源直接對負載短路，大電流(大功率)系統(tǒng)短路保護控制難度很大。以常規(guī)整流(識別定向)電路在輸入為低壓新能源電源為例進行說明，輸入電壓Ui=IOV(AC、DC),輸入電流Ii=20A，輸入功率Pi=IOX 20=200ff,整流(識別定向)電路壓降Ud=2V,整流(識別定向)電路耗為:Pd=2 X 20=40W，輸出功率Po=200_40=160W，其整流(識別定向)效率為:E=160/200=0.8，由此可見常規(guī)整流(識別定向)電路在輸入為低壓新能源電源時，功耗很大，效率很低。
發(fā)明內容本發(fā)明提供一種高性能VMOS開關控制電路，主要解決了現有低壓新能源電源轉換器功耗高、效率低、可靠性差的問題。本發(fā)明的具體技術解決方案如下:該高性能VMOS開關控制電路，包括輸入電源，所述輸入電源的輸出端分別與續(xù)流電感的輸入端和輸入電流采樣電路的輸入端連接，續(xù)流電感的輸出端與VMOS開關電路的輸入端連接，VMOS開關電路的輸入端還與控制電路的輸出端連接，VMOS開關電路的輸出端依次通過反向隔離電路和儲能濾波電路與負載連接；所述控制電路包括調寬式脈沖控制電路、驅動信號合成電路、VMOS開關驅動電路和續(xù)流電壓采樣電路，調寬式脈沖控制電路的輸入端分別與輸入電流采樣電路的輸出端和輸出電流采樣電路的輸出端連接，調寬式脈沖控制電路的輸出端與驅動信號合成電路的輸入端連接，驅動信號合成電路的輸入端還與續(xù)流電壓采樣電路的輸出端連接，驅動信號合成電路的輸出端通過VMOS開關驅動電路與VMOS開關電路的輸入端連接，續(xù)流電壓采樣電路的輸入端與VMOS開關電路的輸出端連接；所述輸出電流采樣電路的輸入端與儲能濾波電路的輸出端連接；所述輸出電流采樣電路包括電流傳感器CS2、電容C9和二極管D5，電流傳感器CS2與二極管D5串聯(lián)構成一個支路，電容C9與該支路并聯(lián)；所述反向隔離電路由與所述VMOS開關電路同步整流的VMOS管組構成，由所述驅動信號合成電路經續(xù)流驅動電路同步驅動；所述儲能濾波電路采用一個電容，該電容的正端接負載正端，該電容的負端接負載負端。本發(fā)明的優(yōu)點在于:本發(fā)明提供的高性能VMOS開關控制電路有XC/DC擴展(XC)形、無極性、多波形、寬頻率電源輸入，DC(直流)輸出，自動極性識別定向、高轉換效率、高功率因數、高可靠性、高功率密度、低成本等優(yōu)勢。

圖1為本發(fā)明電路原理框圖；圖2為本發(fā)明電路結構示意圖；圖3為輸入電源為Ac正弦波時的單周期波形圖。
具體實施方式
該高性能VMOS開關控制電路，包括輸入電源，所述輸入電源的輸出端分別與續(xù)流電感的輸入端和輸入電流采樣電路的輸入端連接，續(xù)流電感的輸出端與VMOS開關電路的輸入端連接，VMOS開關電路的輸入端還與控制電路的輸出端連接，VMOS開關電路的輸出端依次通過反向隔離電路和儲能濾波電路與負載連接；所述控制電路包括調寬式脈沖控制電路、驅動信號合成電路、VMOS開關驅動電路和續(xù)流電壓采樣電路，調寬式脈沖控制電路的輸入端分別與輸入電流采樣電路的輸出端和輸出電流采樣電路的輸出端連接，調寬式脈沖控制電路的輸出端與驅動信號合成電路的輸入端連接，驅動信號合成電路的輸入端還與續(xù)流電壓采樣電路的輸出端連接，驅動信號合成電路的輸出端通過VMOS開關驅動電路與VMOS開關電路的輸入端連接，續(xù)流電壓采樣電路的輸入端與VMOS開關電路的輸出端連接；所述輸出電流采樣電路的輸入端與儲能濾波電路的輸出端連接；輸出電流采樣電路包括電流傳感器CS2、電容C9和二極管D5，電流傳感器CS2與二極管D5串聯(lián)構成一個支路，電容C9與該支路并聯(lián)；所述反向隔離電路由與所述VMOS開關電路同步整流的VMOS管組構成，由所述驅動信號合成電路經續(xù)流驅動電路同步驅動；所述儲能濾波電路采用一個電容，該電容的正端接負載正端，該電容的負端接負載負端。以下對各重要電路的功能進行說明:續(xù)流電感:利用電感特性對輸入電源進行升壓；VMOS開關電路:VM0S開關電路導通期間，續(xù)流電感中有電流通過；VM0S開關電路關斷期間，續(xù)流電路導通，使續(xù)流電感中電流繼續(xù)導通，產生高壓，對儲能濾波電路進行充電，充電后由儲能濾波電路對負載進行供電；儲能濾波電路:VM0S開關電路關斷期間充電并對負載供電；[0023]VMOS開關驅動電路:對驅動信號合成電路生成的VMOS開關信號和VMOS續(xù)流信號進行放大處理；驅動信號合成電路:對調寬式脈沖控制電路生成的PWM調寬式脈沖信號、電壓采樣電路輸入的交直流信號、正負極信號或續(xù)流信號以及電源信號進行合成，生成合成信號(包括極性、交流、直流、調寬信號);然后根據合成信號進行自動分配，區(qū)分為VMOS開關信號和VMOS續(xù)流信號；調寬式脈沖控制電路:根據輸入采樣電路和/或輸出采樣電路輸入的電流采樣信號生成PWM調寬式脈沖信號；續(xù)流電壓采樣電路:對VMOS開關電路和續(xù)流電路的電流信號進行采樣，產生交直流信號、正負極信號或續(xù)流信號，并將上述信號輸入至驅動信號合成電路；輸入電流采樣電路:對輸入電源輸入經過續(xù)流電感的電流進行采樣,生成采樣信號并將采樣信號提供給調寬式脈沖控制電路進行處理；
以下結合附圖對本發(fā)明進行詳述:ICl (UCC28084或其它同類器件)，為標準雙端交替輸出PWM控制器，通過器件I端(OC)控制PWM調寬輸出，輸出交替PWM波形P1、P2。町、! 5、(:12、24對續(xù)流波形？4進行檢測整形，形成波形？3。其中，穩(wěn)壓管Z4保持P3的電壓穩(wěn)定，電容C12用以濾波，使得在PA出現高電平時能夠使P3持續(xù)高電平。1 4、1 3、(:11、23對續(xù)流波形？8進行檢測整形，形成波形？4。其中，穩(wěn)壓管Z3保持P4的電壓穩(wěn)定，電容Cll用以濾波，使得在PB出現高電平時能夠使P4持續(xù)高電平。IC2(CD4071或其它同類器件)，為標準2輸入或門，其中:Αο=Α1+Α2、Βο=Β1+Β2、Co=Cl+C2、Do=Dl+D2，對PU P2、P3、P4進行邏輯合成后形成交錯輸出PWM控制波形。IC3、IC4 (IR442或其它同類器件)，為標準驅動器，其中:Ao=A1、Bo=Bi，對VMOS進行高速大電流驅動，以降低VMOS開關功耗提高轉換效率。CS1、CS2、D4、D5、R21、C13組成電流傳感、鑒別、檢測電路，自動檢測出PWM開通時電源高端VMOS通過的電流波形。同時超其電路具有很低的功耗，采用電流傳感系數< 100、采樣控制電壓< 0.5V，控制功耗Pe < 0.5X10X0.01=0.005X10 (10為導通電流)，當IO為 20A 時:Pe < 0.05X20=0.1ff0C7、C8、C9主要用于進一步消除噪聲(窄脈沖)。L1、D3、C14組成BOOST升壓電路的LDC，為了適應輸入電源的不對稱性，例如單極性直流、單極性方波、單極性三角波等，LI采用差模對稱式，也可僅在輸入回路的正端或負端設置電感作為LI。PWM控制電路(I CI)的Ao端口和Bo端口交替輸出控制信號P1、P2，且P1、P2之間總保持一個用于續(xù)流的間隔時間(對應于PA波形的高電平)。P3、P4由輸入回路中的PA、PB波形分壓所得。PU P2、P3、P4接入觸發(fā)信號合成電路(IC2)的輸入端口，進行如前所述的或邏輯運算后，再分別經開關驅動器IC3、IC4驅動將觸發(fā)信號分別加至兩個VMOS開關電路組(Ml、M2 ;M3、M4)，D3具有兩個輸入端，分別接至輸入回路的正端和負端，正向電流經反向隔離電路D3對C14充電。Ml與M2并聯(lián)交替工作，M3與M4并聯(lián)交替工作(每一個VMOS開關本身具有與之并聯(lián)的二極管)。[0039]在輸入交流在波形正半周或輸入直流為上正下負，當PWM控制電路(ICl)輸出的控制信號Pl和P2之一處于高電平時，該XC/DC自動定向BOOST電路處于PWM導通狀態(tài)，電流在輸入回路中從正端依次流經第一組VMOS開關電路組(Ml、M2 )、第二組VMOS開關電路組(M3、M4)，然后流回負端；由于D3起反向隔離作用，C14上的儲能不會反向流回輸入回路。當PWM控制電路(ICl)輸出的控制信號P1、P2均為低電平時，則Ml、M2上沒有觸發(fā)信號，因此M1、M2不導通，但由于續(xù)流電感LI的存在，且M3、M4中的二極管能夠形成自地端至輸入回路負端的導通回路，從而使電路中因續(xù)流電感產生的續(xù)流自輸入回路的正端經D3對C14充電，并且同時經由輸出回路的負載、第二組VMOS開關電路組(M3、M4)，然后流回負端。實際上，一旦電路中存在上述續(xù)流，即PA為高電平、PB為低電平，從而使得P1、P2、P3、P4進行或邏輯運算后產生觸發(fā)信號，使M3、M4導通，由于M3、M4的電阻很小，因此，在續(xù)流過程中產生的功耗仍然很小。而且，升壓輸出本身能夠降低線路損耗。比如，Ui=IO(V),升壓后Uo=50 (V)，則根據P=U2/R可知，線路損耗僅為原來的1/5.[0041]舉例說明本發(fā)明的低功耗:電路中采用Rds=0.001 Ω低導通電阻N溝道VMOS管，在PWM開通期間Ml、M2交錯導通，VMOS導通電阻Rds=0.001 Ω，M3、M4雙管并聯(lián)交錯導通，VMOS導通電阻Rds=0.001 Ω /2=0.0005 Ω，若還是輸入20A電流，則導通電壓為:U1=0.001X20=0.02V，U2=0.0005X20=0.0lV,識別定向功耗為:Pe=20X (0.02+0.01) =0.6W ;在PWM關斷期間Ml、M2截止關斷，M3、M4雙管并聯(lián)交錯導通續(xù)流，VMOS導通電阻Rds=0.001 Ω /2=0.0005 Ω，若是20A續(xù)流電流，則導通電壓為:U2=0.0005X20=0.01V，識別定向功耗為:Pe=20X0.01=0.2W。較之于現有技術的整流識別定向電路40W的功耗，本發(fā)明的XC/DC自動識別定向BOOST電路功耗顯著降低。若反向隔離電路D3也采用同步的VMOS開關電路(其觸發(fā)信號與PA和PB的波形同步)，則可利用VMOS開關電路電阻小的特性進一步降低線路損耗。尤其在BOOST輸出較低時轉換效率的提高更為顯著。VMOS開關在觸發(fā)信號作用下，能夠根據所加電壓極性實現正向或反向導通，基于此特性，在輸入交流在波形負半周或輸入直流為上負下正時，該XC/DC自動定向BOOST電路的工作過程與上述導通、續(xù)流過程原理相同，且由于第一組VMOS開關電路組(Ml、M2)與第二組VMOS開關電路組(M3、M4)采用對稱電路結構，在Ui負半周VMOS導通和續(xù)流是完全可逆的。如，當PWM控制電路(ICl)輸出的控制信號P1、P2均為低電平時，則M3、M4上沒有觸發(fā)信號，因此M3、M4不導通，而由第一組VMOS開關電路組(M1、M2)實現續(xù)流過程?？梢?，該BOOST電路能夠自動完成對雙極性電源(交流正玄波、方波、三角波，交流工頻、中頻、低頻、超低頻)的自動識別定向；及對單極性電源(直流、直流方波、直流三角波等)的自動識別定向，交流雙極性電源及直流單極性電源可以不分正負任意接入。上述實施例是本發(fā)明的最佳實施例，采用這種交錯PWM控制方式使Ml、M2交錯導通，每個VMOS開關工作頻率為1/2電路頻率，能夠使VMOS開關在較低開關頻率下工作，大幅降低開關功耗；相應地，電路中L、C器件的工作頻率為2倍VMOS管頻率，較高的電路工作頻率降低了對LC電路中電感(L)量和電容(C)的要求，降低了成本及工藝難度。實際上，基于本發(fā)明的導通、續(xù)流的基本原理，也可以考慮每個VMOS開關電路組只采用一個VMOS開關，也足以體現本發(fā)明的技術效果。比如只保留M1、M3，同樣也能夠在輸入交流在波形正半周或輸入直流為上正下負時，由Ml、M3實現導通回路，由M3實現續(xù)流回路；在輸入交流在波形負半周或輸入直流為上負下正時，由M1、M3實現導通回路，由Ml實現續(xù)流回路。當然，在此方案下，也可以嘗試讓每個VMOS開關的工作頻率減半，但這就需要成倍地增大續(xù)流電感、儲能電容，以滿足續(xù)流的要求，從而導致成本較高、元器件體積較大、功率密度降低。
權利要求1.一種高性能VMOS開關控制電路，其特征在于:包括輸入電源，所述輸入電源的輸出端分別與續(xù)流電感的輸入端和輸入電流采樣電路的輸入端連接，續(xù)流電感的輸出端與VMOS開關電路的輸入端連接，VMOS開關電路的輸入端還與控制電路的輸出端連接，VMOS開關電路的輸出端依次通過反向隔離電路和儲能濾波電路與負載連接；所述控制電路包括調寬式脈沖控制電路、驅動信號合成電路、VMOS開關驅動電路和續(xù)流電壓采樣電路，調寬式脈沖控制電路的輸入端分別與輸入電流米樣電路的輸出端和輸出電流米樣電路的輸出端連接，調寬式脈沖控制電路的輸出端與驅動信號合成電路的輸入端連接，驅動信號合成電路的輸入端還與續(xù)流電壓采樣電路的輸出端連接，驅動信號合成電路的輸出端通過VMOS開關驅動電路與VMOS開關電路的輸入端連接，續(xù)流電壓采樣電路的輸入端與VMOS開關電路的輸出端連接；所述輸出電流采樣電路的輸入端與儲能濾波電路的輸出端連接； 所述輸出電流采樣電路包括電流傳感器CS2、電容C9和二極管D5，電流傳感器CS2與二極管D5串聯(lián)構成一個支路，電容C9與該支路并聯(lián)；所述反向隔離電路由與所述VMOS開關電路同步整流的VMOS管組構成，由所述驅動信號合成電路經續(xù)流驅動電路同步驅動；所述儲能濾波電路采用一個電容，該電容的正端接負載正端，該電容的負端接負載負端。
專利摘要本實用新型提供一種高性能VMOS開關控制電路，主要解決了現有低壓新能源電源轉換器功耗高、效率低、可靠性差的問題。該高性能VMOS開關控制電路的輸出電流采樣電路包括電流傳感器CS2、電容C9和二極管D5，電流傳感器CS2與二極管D5串聯(lián)構成一個支路，電容C9與該支路并聯(lián)；所述反向隔離電路由與所述VMOS開關電路同步整流的VMOS管組構成，由所述驅動信號合成電路經續(xù)流驅動電路同步驅動；儲能濾波電路采用一個電容，該電容的正端接負載正端，該電容的負端接負載負端。
文檔編號H02M1/088GK203056874SQ201220663830
公開日2013年7月10日 申請日期2012年11月30日 優(yōu)先權日2012年11月30日
發(fā)明者胡家培, 胡民海 申請人:西安智海電力科技有限公司