[发明专利]一种宽输入电压范围多路高压输出的拓扑结构

说明书

本发明提供了一种宽输入电压范围多路高压输出的拓扑结构，主要包含前级BUCK或者BOOST或者BUCK‑BOOST拓扑和后级推挽或者全桥或者半桥拓扑两部分，所述前级BUCK或者BOOST或者BUCK‑BOOST拓扑采用闭环控制，使BUCK输出电压稳定在一个固定的值，而后级推挽或者全桥或者半桥拓扑采用开环满占空比控制，从而保证各路输出均具有低的负载稳定度和低的交叉调整率。本发明的有益效果是：采用两种拓扑级联，实现宽范围输入，多路高压输出，输入和输出隔离，而且可以实现低的负载稳定度（大约小于0.5%）和低的交叉调整率（大约小于2%）。同时可以实现软开关技术，提高整体的电源效率。

技术领域

本发明涉及高压电源拓扑结构，尤其涉及一种宽输入电压范围多路高压输出的拓扑结构。

背景技术

随着电力电子技术的发展，尤其是在军工或者航空航天领域，高压电源的市场和需求在不断的增加，其性能指标要求和可靠性要求也不断提高，而且大多需要多路高压输出，甚至多达7路高压输出，如航天领域的某高压电源，输出电压范围为700V～10KV之间，仅高压输出路数为6路。面对如此众多电压等级和功率等级的输出电压要求，目前国内外已有的电源方案多数都是针对每一路的需求情况单独设计变换器，这种方案带来很大的缺点是整体电路结构复杂，所用器件多，造成设备的体积和重量过大，给整体的结构设计带来很大的挑战。而且众多的独立变换器还会造成互相之间的拍频干扰，给供电系统的稳定性造成影响。而且针对宽输入电压范围多路高压输出的高压电源，采用目前的技术很难实现其性能指标要求，尤其是负载稳定度的要求（≤1%）。本发明要将多个独立调节的变换器集成到一个拓扑结构中，这样既能大大减小整个设备的体积重量，又能提高转换效率。同时，由于是一个主拓扑生成了所有的高压输出电压，这样不存在多个变换器工作频率互相干扰的问题，大大降低了对供电系统的EMI干扰，而且完全可以实现其性能指标要求和可靠性要求。文献【1】中提出了一种采用BOOST电路或BUCK-BOOST电路把输入电压变换为稳定的直流输出电压，来实现宽范围电压输入，但此方式相对单一。文献【2】中提出了一种基于两级拓扑的控制方案，前级电压预调节单元通过控制上管S1的占空比控制电压预调节单元节点N1电压平均值，后级输出电压调节单元中的升压部分通过控制升压部分（BOOST）下管S4的占空比控制中间母线电容C2电压，从而实现宽范围输入电压。此方案采用了BOOST电路，却增加了电压预调节单元节点N1，即增加两个开关管来控制节点N1的平均值，控制复杂，增大体积和增加成本。文献【3】中在输入端增加了自动调节电路，通过电阻和MOS管的连锁调压增加输入电压范围，但此方法稳定性差，并不实用。文献【4】中通过设计高压和低压输入辅助源来实现宽范围的输入，其中高压输入辅助电源1输出电压要略高于低压输入辅助电源2的输出电压，同时要使高压输入辅助电源1工作时，低压输入辅助电源2应处于关闭或停止状态，高压输入辅助电源1和低压输入辅助电源2的输出分别通过二极管共阴极相连。此种方式是针对输入电压范围分别设计高压和低压辅助源来实现宽范围输入，但是这样需要设计两个辅助源、整体体积增大一倍，不利于小型化、增加设计成本。文献【5】和【6】简单的采用传统的反激方案来实现宽范围输入，但是反激变换器在高压输入轻载时占空比很小，很难兼顾高压输入和低压输入时的占空比控制，且反激电路要兼顾输入电压的上下限将使磁性元件的设计非常困难。文献【7】采用传统的PWM脉宽调制器、高压变压器、采样反馈电路来实现高压直流输出。但是该方案采用次级反馈，如果初次级的绝缘耐压处理不当，副边高压很容易串入原边，导致原边电路高压击穿损坏，存在安全隐患。文献【8】【9】【10】均采用反激变换器拓扑，输入采用稳压芯片7809稳定输入电压，通过定频振荡电路、变压器和次级升压电路相结合的方式来实现次级1500V的高压输出，并主要运用于电蚊拍灭蚊。此3项发明可以实现高压输出，但是输出电流却非常的小，仅仅适用于如灭蚊等场合，并不适用于多路高压输出和mA级负载电流的场合。文献【11】采用推挽变换器拓扑，次级采用六倍压升压电路来实现高压输出。但是采用六倍压升压电路的方式只能实现小电流输出，且不能满足不同电压等级的多路高压输出需求。文献【12】采用直流升压电路BOOST把直流输入电压稳定在一个固定的值来实现宽范围输入，采用反激变换器多绕组实现多路高压输出。但是该方案采用次级光耦反馈，如果初次级的绝缘耐压处理不当，副边高压很容易串入原边，导致原边电路高压击穿损坏，存在安全隐患，且采用反激拓扑其各路输出负载稳定度和交叉调整率较差，对负载稳定度和交叉调整率要求高的场合并不适用。文献【13】通过一次稳压变换电路来实现宽范围输入电压，一次稳压变换电路的稳定输出电压作为二次隔离高压功率变换电路的输入，二次隔离高压功率变换电路采用推挽拓扑来实现，输出整流的方式均采用二倍压的方式，然后通过级联的方式来实现高压输出。但是为实现多路高压输出，变压器绕组数量必然多，变压器寄生参数大，即寄生电容大和变压器漏感大，导致后级拓扑效率降低，不能实现高效率的输出。文献【14】通过前级BUCK闭环，后级推挽开环的方式来实现宽范围输入高压输出，并采用消幅电路结合闭环控制实现高负载调整率。输出采用四倍压整流方式来实现高压输出，但是此种方式只能实现小电流输出，且不能满足不同电压等级的多路高压输出需求。