一種高效恒流開關(guān)型電源變換器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及一種電源變換器，具體地說，涉及一種小體積隔離式高頻高壓輸 出高效恒流的開關(guān)型電源變換器。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，國外高壓開關(guān)直流電源比較成熟，像Spellman、Classman等高壓電源公司 已生產(chǎn)出小型化、高效化、智能化的高壓直流電源，然而價(jià)格比較昂貴，國內(nèi)直流高壓開關(guān) 電源研究起步較晚，與先進(jìn)國家相比有較大差距。尤其在高頻、高性能直流高壓開關(guān)電源方 面。目前在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中，迫切需要物美價(jià)廉，能滿足多種不同工況要求的多規(guī)格、多品種、系 列化的高質(zhì)量、高性能的高壓直流電源。我國是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域需要的科學(xué)技 術(shù)非常之多，有些領(lǐng)域?qū)Ω邏褐绷麟娫醇夹g(shù)的需要十分迫切，但目前能適合農(nóng)業(yè)領(lǐng)域要求 的高壓直流電源很少，針對(duì)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的具體情況，研究開發(fā)多種高壓直流電源具有較強(qiáng)的 現(xiàn)實(shí)意義，也蘊(yùn)藏著很大的商機(jī)。
[0003] 20世紀(jì)70年代世界電源史上發(fā)生了一場革命，即20Hz的開關(guān)頻率結(jié)合脈寬調(diào)制 技術(shù)（PffM)在電源領(lǐng)域的應(yīng)用。到目前為止，電源的頻率已經(jīng)達(dá)到數(shù)千赫，應(yīng)用先進(jìn)的準(zhǔn)諧 振技術(shù)甚至可以達(dá)到兆赫水平。提高振蕩器輸出頻率可降低高壓變壓器、電抗器、平滑電容 器、高壓電容器等電子器件基本性能要求和結(jié)構(gòu)體積，進(jìn)而縮小高壓電源體積。高頻化使高 壓電源體積大幅度的減小，輕巧便攜，實(shí)用性和使用方便性明顯得到改善。高頻帶來了很多 優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也帶來很多難點(diǎn)，例如開關(guān)元器件的高頻開關(guān)損耗如何解決；高頻電路板如何 設(shè)計(jì)；以及高頻下變壓器選擇和設(shè)計(jì)等多種難點(diǎn)。
[0004] 隔離式高頻高電壓輸出電源變換器不僅存在著高頻帶來的問題，還存在高壓輸出 所帶來的一系列問題，例如高電壓下變壓器會(huì)產(chǎn)生很大的寄生電容、絕緣等問題在設(shè)計(jì)和 繞制工藝中如何解決；在高頻高壓下如何選擇輸出整流管等多種難題。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0005] 本實(shí)用新型正是為了解決上述技術(shù)問題而設(shè)計(jì)的一種高效恒流開關(guān)型電源變換 器。
[0006] 本實(shí)用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：
[0007] -種高效恒流開關(guān)型電源變換器，包括輸入濾波電路、逆變電路、輸出整流電路、 輸出濾波電路和反饋電路；其直流輸入順次經(jīng)輸入濾波電路、逆變電路、輸出整流電路和輸 出濾波電路到直流輸出，利用反饋電路進(jìn)行電壓調(diào)整；輸入端為通用單端反激電路拓?fù)洌} 寬調(diào)制器為TI公司的LM5022 ;輸出端采用恒流限流模式，使用TI公司的LMV842運(yùn)算放大 器實(shí)現(xiàn)，支持長時(shí)間短路；隔離變壓器T2次級(jí)為四路輸出，其中第一路耦合輸出225V，經(jīng)4 個(gè)穩(wěn)壓二極管D4-D7串聯(lián)穩(wěn)壓輸出給儲(chǔ)能電感L2 ;第二路耦合輸出225V，經(jīng)4個(gè)穩(wěn)壓二極 管D8-D11串聯(lián)穩(wěn)壓輸出給儲(chǔ)能電感L3 ;第三路耦合輸出50V，經(jīng)2個(gè)穩(wěn)壓二極管D12、D13 串聯(lián)穩(wěn)壓輸出給儲(chǔ)能電感L4 ;三路輸出經(jīng)三個(gè)儲(chǔ)能電感L2、L3和L4累加產(chǎn)生500V高壓輸 出。
[0008] 所述一種高效恒流開關(guān)型電源變換器，其隔離變壓器T2采用TDK公司標(biāo)準(zhǔn)型材 EPC19,材質(zhì)為PC44磁材，變壓器繞制順序是：第一層繞制初級(jí)，將次級(jí)1繞制在所有次級(jí)的 最里層，然后將次級(jí)2繞在次級(jí)1的外面，然后將次級(jí)3繞制在次級(jí)1和次級(jí)2的最外層； 然后將反饋1和反饋2通過一對(duì)絞合的導(dǎo)線來增加繞組間的耦合，在所有的次級(jí)與次級(jí)之 間，次級(jí)與反饋之間均增加一層初級(jí)。
[0009] 所述一種高效恒流開關(guān)型電源變換器，其穩(wěn)壓二極管D4-D11采用超快恢復(fù)二極 管ESH2H)，穩(wěn)壓二極管D12和D13采用超快恢復(fù)二極管SS2PH10。
[0010] 本實(shí)用新型一種小體積隔離式高頻高壓輸出高效恒流的開關(guān)型電源變換器，采用 通用測單端反激電路拓?fù)?，脈寬調(diào)制器TI公司的LM5022,其外圍元器件少，控制簡單。輸出 端采用限流模式為恒流式，使用TI公司的LMV842運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)，支持長時(shí)間短路，此電 源變換器內(nèi)部變壓器的繞制工藝，以及輸出整流管的選擇方面，是決定此高壓輸出電源變 換器效率提升的關(guān)鍵。
[0011] 本實(shí)用新型的工作過程是：直流輸入先經(jīng)輸入濾波器進(jìn)行濾波，再進(jìn)入逆變電路， 逆變電路使高頻變壓器次級(jí)產(chǎn)生交替變換的交流電，此交流電經(jīng)過輸出端二極管整流和濾 波電路后變?yōu)橹绷鬏敵?。輸出電壓是通過輸出采樣、反饋、調(diào)整占空比來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整的。
[0012] 本實(shí)用新型與傳統(tǒng)的DC/DC變換器相比有如下優(yōu)點(diǎn)：
[0013] 1、高頻高壓輸出。此電源變換器輸出500V30W，頻率高達(dá)360kHz。
[0014] 2、體積小。體積僅 49mmX 25. 4mmX 13mm。
[0015] 3、恒流式限流。支持長時(shí)間短路，而且保護(hù)電路簡單。
[0016] 4、輸入范圍寬。此電源變換器輸入范圍15V至55V，符合GJB181中18V至50V過 欠壓浪涌要求。
[0017] 5、轉(zhuǎn)換效率高。此電源變換器輸入范圍15V至55V，輸出500V30W效率最高可達(dá) 88%〇
[0018] 6、超小的紋波。此電源變換器全范圍最大紋波小于0. 5%。
[0019] 本實(shí)用新型的有益效果是具有輸入范圍寬，高頻高壓輸出，效率高，體積小，恒流 式保護(hù)電路，保護(hù)效果好和電路簡潔等特點(diǎn)。
【附圖說明】
[0020] 圖1為本實(shí)用新型電路原理框圖。
[0021] 圖2為本實(shí)用新型電路原理圖。
[0022] 圖3為主開關(guān)管MOSFET的特性圖。
[0023] 圖4為穩(wěn)壓二極管正向?qū)娏髁飨驁D。
[0024] 圖5為穩(wěn)壓二極管反向漏電流電流流向。
[0025] 圖6為普通變壓器繞制圖。
[0026] 圖7為本實(shí)用新型隔離變壓器繞制圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)一步說明。
[0028] 如圖1、圖2所示，本實(shí)用新型一種高效恒流開關(guān)型電源變換器，包括輸入濾波電 路、逆變電路、輸出整流電路、輸出濾波電路和反饋電路；其直流輸入順次經(jīng)輸入濾波電路、 逆變電路、輸出整流電路和輸出濾波電路到直流輸出，利用反饋電路進(jìn)行電壓調(diào)整；輸入端 為通用單端反激電路拓?fù)洌}寬調(diào)制器為TI公司的LM5022 ;輸出端采用恒流限流模式，使 用TI公司的LMV842運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)，支持長時(shí)間短路；隔離變壓器T2次級(jí)為四路輸出，其 中第一路耦合輸出225V，經(jīng)4個(gè)穩(wěn)壓二極管D4-D7串聯(lián)穩(wěn)壓輸出給儲(chǔ)能電感L2 ;第二路耦 合輸出225V，經(jīng)4個(gè)穩(wěn)壓二極管D8-D11串聯(lián)穩(wěn)壓輸出給儲(chǔ)能電感L3 ;第三路耦合輸出50V， 經(jīng)2個(gè)穩(wěn)壓二極管D12、D13串聯(lián)穩(wěn)壓輸出給儲(chǔ)能電感L4 ;三路輸出經(jīng)三個(gè)儲(chǔ)能電感L2、L3 和L4累加產(chǎn)生500V高壓輸出。
[0029] 所述一種高效恒流開關(guān)型電源變換器，其隔離變壓器T2采用TDK公司標(biāo)準(zhǔn)型材 EPC19,材質(zhì)為PC44磁材，變壓器繞制順序是：第一層繞制初級(jí)，將次級(jí)1繞制在所有次級(jí)的 最里層，然后將次級(jí)2繞在次級(jí)1的外面，然后將次級(jí)3繞制在次級(jí)1和次級(jí)2的最外層； 然后將反饋1和反饋2通過一對(duì)絞合的導(dǎo)線來增加繞組間的耦合，在所有的次級(jí)與次級(jí)之 間，次級(jí)與反饋之間均增加一層初級(jí)。
[0030] 所述一種高效恒流開關(guān)型電源變換器，其穩(wěn)壓二極管D4-D11采用超快恢復(fù)二極 管ESH2H)，穩(wěn)壓二極管D12和D13采用超快恢復(fù)二極管SS2PH10。
[0031] 本實(shí)用型專利主要從主功率元器件的選擇進(jìn)行優(yōu)化和變壓器的繞制工藝進(jìn)行獨(dú) 特設(shè)計(jì)，帶來此高壓輸出電源變換器效率、紋波、體積等多方面的提升?！揪唧w實(shí)施方式】如 下：
[0032] 1、主功率元器件的選擇。此電源變換器主功率元器件主要是輸入端的主開關(guān)管 MOSFET和輸出端的整流二極管。
[0033] 在選擇輸入端的主開關(guān)管MOSFET時(shí)，由于開關(guān)頻率為360kHz，輸出又是低功率， 按最低的轉(zhuǎn)換效率80%可以估算出輸入最大的電流小于2A，在這些條件下就不能只注重 MOSFET同態(tài)的Rds QN損耗，還要考慮MOSFET柵極電容充電和放電，這部分功耗也是不能忽略 的。
[0034] 公式 1 :
[0035]
[0036] 計(jì)算公式如公式1所示，這里需要知道MOSFET柵極電容包含兩個(gè)電容：柵源電容 和柵漏電容。通常容易犯的錯(cuò)誤時(shí)將MOSFET的輸入電容（C iss)當(dāng)作MOSFET總柵極電容。 確定柵極電容的正確方法是看MOSFET數(shù)據(jù)手冊(cè)中的總柵極電容（Qs)。這個(gè)信息通常顯示 在任何MOSFET的電氣特性表和典型特性曲線中。此電源變換器內(nèi)部開關(guān)MOSFET選用英飛 凌的150V50A的N溝道M0SFET，表1顯示了這個(gè)MOSFET在數(shù)據(jù)手冊(cè)中的典型示例。數(shù)據(jù)手 冊(cè)表中給出的數(shù)值只是典型值，還要留意一下它們的測試條件有關(guān)：柵極電壓和漏極電壓。 這些測試條件影響著柵極電荷的值。圖3顯示同一個(gè)從圖3的曲線中選取Vtis= IOV的典 型值，我們得到總柵極電荷為23nC(VDS= 100V)。利用Q = C*V關(guān)系式，我們得到柵極電容 為2. 3nF，數(shù)值與典型值相近，有的MOSFET實(shí)際使用參數(shù)遠(yuǎn)高于典型值，這表明當(dāng)計(jì)算柵極 電容值時(shí)，總柵極電容值應(yīng)從總柵極電荷值推導(dǎo)而來。利用表1給出的MOSFET信息與圖3 對(duì)照，在VGS為10V，通過使用圖3曲線并找到IOV時(shí)對(duì)應(yīng)的QG值可以得到CG的值。開關(guān) 頻率F = 360kHz和漏源電壓為100V時(shí)，由MOSFET柵極電容的充放電而產(chǎn)生的MOSFET驅(qū)動(dòng) 器的功耗由公式1可以得出P c= 82. 8mW。需要特別留意的是，公式中的電壓被取了平方。 因此減小柵極驅(qū)動(dòng)電壓可以顯著減小驅(qū)動(dòng)功耗。對(duì)于一些M0SFET，柵極驅(qū)動(dòng)電壓超過8V至 IOV并不會(huì)進(jìn)一步減小MOSFET電阻（RdsJ。反而柵極電壓減小，也降低了交越傳導(dǎo)損耗。
[0037] 表1數(shù)據(jù)手冊(cè)中柵極電荷的表示
[0038]
[0039] 管芯對(duì)柵極電容