專利名稱：模塊化的多路恒流輸出的變流器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種多路輸出的電能轉(zhuǎn)換器，具體的說是一種模塊化的多路恒流輸出 的變流器。
背景技術(shù)：
很多電能轉(zhuǎn)換的應(yīng)用場合需要變流器能夠?qū)崿F(xiàn)直流恒流輸出，如電池充電器，LED 驅(qū)動電源等。除了需要多路輸出，還需要實(shí)現(xiàn)高壓隔離，以滿足安全規(guī)定的要求和高強(qiáng)度電 氣絕緣的要求。為了獲得實(shí)現(xiàn)隔離的多路輸出直流電流源，一般都采用兩級DC-DC的方案，前級 采用隔離的DC-DC獲得恒定的電壓源，然后跟隨多個不隔離的DC-DC實(shí)現(xiàn)多路獨(dú)立的恒流 輸出。該方案靈活多變，可靠性較高。但是，由于需要多個獨(dú)立的后級DC-DC，因此需要獨(dú)立 的控制芯片和開關(guān)器件，大大增加了成本。為了降低成本，有很多采用無緣方式進(jìn)行多路恒流，并且可以實(shí)現(xiàn)多路電流之間 比較準(zhǔn)確的均流。圖1中利用隔離的高頻交流源的整流二極管中串聯(lián)耦合電感的方式，實(shí) 現(xiàn)兩路直流輸出的電流的均流。并且，利用多個耦合電感的互相耦合，可以擴(kuò)展到多路恒定 的直流輸出。但是由于二極管串聯(lián)了耦合電感，而且多路的偶合電感繞組很多，這些繞組的 接口都必須串聯(lián)在副邊整流二極管中，導(dǎo)致副邊的PCB布線很復(fù)雜，增加了很多PCB的高頻 交流損耗。圖2中利用電容的電荷平衡原理，在交流電源與整流電路之間串入隔直電容(；，實(shí) 現(xiàn)正、負(fù)兩個極性的電荷的平衡，從而獲得直流側(cè)電流的相等。雖然電容成本低，實(shí)現(xiàn)簡單， 但是，該方法用于更多路輸出時需要配合耦合電感的技術(shù)實(shí)現(xiàn)。還有一種技術(shù)(圖3)，是將多個高頻變壓器原邊繞組串聯(lián)，副邊利用電容整流獲 得直流，并實(shí)現(xiàn)多路負(fù)載電流相同。該技術(shù)利用理想變壓器原副邊電流取決于匝比的原理， 在保證多個變壓器匝比相同的條件下，實(shí)現(xiàn)副邊的平均電流相等。該技術(shù)雖然簡單，但是存 在一些嚴(yán)重影響其應(yīng)用范圍的缺點(diǎn)。主要包括，1)由于每個變壓器都承擔(dān)了高絕緣的要求， 因此每個變壓器都必須要安規(guī)要求，成本大大增加，也降低了窗口利用率，影響變流器的效 率。2)由于串聯(lián)原邊勵磁電流不反映到副邊回路，因此，當(dāng)勵磁電流比較大的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如 串、并聯(lián)諧振變流器等，其變壓器的勵磁電流與負(fù)載電流的比例比較接近，考慮到勵磁電感 的離散性較大，因此多路輸出電流的均流度受到影響。3)由于勵磁電流在變壓器原邊總電 流中的比重較大，因此，必須通過采樣最終的輸出電流，并與電流基準(zhǔn)比較。來精確控制輸 出電流，無法通過采樣原邊電流進(jìn)行控制每一路的電流。4)當(dāng)某一路負(fù)載短路時，由于僅電 容濾波，因此該路對應(yīng)的變壓器相當(dāng)于短路，導(dǎo)致原邊串聯(lián)的總的勵磁電感量發(fā)生變化，從 而影響變流器的穩(wěn)態(tài)增益，增加了控制難度。尤其是串并聯(lián)諧振變流器，其總的等效勵磁電 感對變流器地穩(wěn)態(tài)控制影響巨大，因此會，嚴(yán)重降低了變流器的可靠性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種模塊化的多路恒流 輸出的變流器。為解決上述問題，本發(fā)明提供了一種可以進(jìn)行模塊化，并通過靈活組合獲得所需 要的多路恒流輸出的變流器。本發(fā)明中的模塊化的多路恒流輸出的變流器，包括N個子模塊，每個子模塊均包 括一個變壓器T2N、一個第N整流器和一個輸出直流濾波電容C0N，各子模塊中的變壓器原 邊繞組依次串聯(lián)；該變流器具有兩級結(jié)構(gòu)其中第一級包含第一變壓器Tl、并聯(lián)在第一變 壓器Tl原邊繞組兩端的可控高頻交流源Vac ；第二級包含前述N個子模塊；所述Tl副邊繞 組的兩端分別接至依次串聯(lián)的子模塊變壓器原邊繞組的首尾兩端。作為一種改進(jìn)，所述各子模塊中，變壓器T2N的副邊繞組接到第N整流器的輸入， 第N整流器的輸出接到輸出直流濾波電容CON的兩端，直流恒流負(fù)載與所述的輸出直流濾 波電容CON并聯(lián)。 作為一種改進(jìn)，所述各子模塊中，變壓器T2N的副邊可以是單繞組結(jié)構(gòu)，也可以是 多繞組整流結(jié)構(gòu)，如中心抽頭的繞組結(jié)構(gòu)。作為一種改進(jìn)，所述各子模塊中，所述第N整流器可以是半波整流電路，也可以是 全橋整流電路，或者中心抽頭整流電路，或者倍壓整流電路，及其它適用于輸出電容濾波的 整流電路。作為一種改進(jìn)，所述各子模塊經(jīng)包裝成為相互獨(dú)立的高頻交流輸入、直流輸出的 AC-DC模塊，并通過活動接頭或者固定接頭與第一級相接。作為一種改進(jìn)，所述各子模塊中變壓器T2N的匝比根據(jù)該路輸出電流的要求確定。作為一種改進(jìn)，所述各子模塊的輸出通過并聯(lián)或者串聯(lián)，來調(diào)整輸出的電流或者 電壓。作為一種改進(jìn)，在第一變壓器Tl的副邊繞組一端的中間交流母線上設(shè)有電流傳 感器，電流傳感器依次連接采樣濾波電路、電流誤差放大器、可控高頻交流源Vac的控制電路。作為一種改進(jìn)，第一變壓器Tl的副邊繞組一端串聯(lián)一個電容CB。作為一種改進(jìn)，所述可控高頻交流源Vac是具有交流電流源特性的高頻逆變電 路。與一級變壓器串聯(lián)實(shí)現(xiàn)副邊均流的方案相比，本發(fā)明的有益效果是(1)串聯(lián)變壓器無須考慮安規(guī)的絕緣強(qiáng)度，大大降低制作成本，提高第二級變壓器 磁芯的窗口利用率，提高變壓器的轉(zhuǎn)換效率；(2)簡化第二級變壓器的設(shè)計(jì)，可以充分利用變壓器自身較大的勵磁電感，降低勵 磁電流對均流精度的影響，提高多路輸出的均流度。(3)子模塊電路可以標(biāo)準(zhǔn)化，靈活組合獲得所需的任意路輸出，降低生產(chǎn)成本。(4)第一級變壓器勵磁電感的不受負(fù)載短路或開路的影響，主電路參數(shù)設(shè)計(jì)簡單， 無需考慮非正常狀態(tài)下對主電路參數(shù)的影響。(5)模塊化使多路恒流輸出變流器的規(guī)格可以更多，只需第一級的電路與后級的 子模塊靈活組裝就可以得到，無需單獨(dú)設(shè)計(jì)，避免產(chǎn)品物料和規(guī)格的繁冗。
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(6)中間母線采樣的恒流控制策略避免了輸出直流側(cè)的電流采樣，利用中間母線 的集中采樣，模塊化實(shí)現(xiàn)更容易，組裝時只需要主功率電路的連接，無需考慮控制線路的連 接。


圖 1圖 2圖 3圖 4圖 5圖 6圖 7圖 8圖 9
具體實(shí)施例下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施方案進(jìn)行具體闡述。如圖4所示，本發(fā)明中模塊化的多路恒流輸出的變流器，包括N個結(jié)構(gòu)相同的子模 塊，每個子模塊均包括一個變壓器T2N、一個第N整流器和一個輸出直流濾波電容C0N，各 子模塊中的變壓器原邊繞組依次串聯(lián)。即變壓器T21原邊的另一端接T22原邊的一端，T22 原邊的另一端一次接到下一個子模塊中變壓器原邊繞組的一端，依次一直連接到T2N的另 一端；該變流器具有兩級結(jié)構(gòu)其中第一級包含第一變壓器Tl、并聯(lián)在第一變壓器Tl原邊 繞組兩端的可控高頻交流源Vac ；第二級包含前述N個子模塊；所述Tl副邊繞組的兩端分 別接至依次串聯(lián)的子模塊變壓器原邊繞組的首尾兩端。各子模塊中，變壓器T2N的副邊繞組接到第N整流器的輸入，第N整流器的輸出接 到輸出直流濾波電容CON的兩端，直流恒流負(fù)載與所述的輸出直流濾波電容CON并聯(lián)。變 壓器T2N的匝比根據(jù)該路輸出電流的要求確定。為了獲得輸出電流的精確控制，可以通過采樣輸出側(cè)的某一路中的直流電流信 號，進(jìn)行反饋控制?？紤]到每一路直流電流相等，也可以將直流輸出側(cè)連接成共地或者共正 端的方式，采樣總的輸出電流進(jìn)行反饋，并通過子模塊自身的均流特性獲得每一路電流的 精確控制。另外一種更簡單的控制方式是采樣中間交流母線中的電流，并進(jìn)行濾波后獲得 平均電流值，然后進(jìn)行反饋控制(如圖中5所示)。變壓器Tl副邊的電流信號經(jīng)過電流傳 感器后，進(jìn)入到采樣濾波電路，獲得直流平均信號，輸出電流誤差放大器，誤差放大器的輸 出信號進(jìn)入高頻交流源的控制電路，然后控制高頻交流源，獲得期望的交流源信號，形成反 饋調(diào)整。為了避免第一級變壓器在某些應(yīng)用場合(如交流源不對稱時)可能出現(xiàn)較大的直 流勵磁分量，而使變壓器飽和。通過在變壓器Tl的副邊繞組中串聯(lián)隔直電容Cb(如圖6所 示)，使Tl原副邊繞組的伏秒平衡，消除勵磁電流直流分量。所述的直流勵磁電流消除電路 是在第一變壓器(Tl)的副邊一端串聯(lián)電容CB，Cb的另一端連接到第二級中多個變壓器串聯(lián)二極管串聯(lián)耦合電感的均流技術(shù)；變壓器副邊串聯(lián)隔直電容實(shí)現(xiàn)兩路均流的電路；現(xiàn)有的多個變壓器串聯(lián)，實(shí)現(xiàn)副邊均流的技術(shù)；本發(fā)明提出的兩級方案實(shí)現(xiàn)多路恒流輸出的方案；中間交流母線電流采樣反饋方案；中間母線串入隔直電容消除變壓器勵磁直流分量的方案；本發(fā)明在串并聯(lián)諧振(LLC)高頻逆變半橋電路中實(shí)現(xiàn)三路輸出的實(shí)施例；本發(fā)明在反激逆變電路中實(shí)現(xiàn)三路直流恒流輸出的實(shí)施例；本發(fā)明在電流源型全橋逆變電路中實(shí)現(xiàn)三路直流恒流輸出的實(shí)施例。
5之后的一端，其余電路的連接方式不變。圖7是本發(fā)明應(yīng)用在LLC諧振半橋逆變電路中，通過中心抽頭整流結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)三路 恒流輸出的具體實(shí)施方式
。輸入直流電源Vin的正端接到開關(guān)管Sl的一端，Sl的另一端 接到S2和串聯(lián)諧振電感Lr的一端，S2的另一端接到輸入的地。Sl和S2的控制端分別接 到諧振半橋驅(qū)動電路的兩個輸出端。電感Lr的另一端接到第一變壓器Tl的原邊繞組Np 的一端，其中并聯(lián)諧振電感Lm可以是一個獨(dú)立的電感，并與變壓器Tl的原邊并聯(lián)，也可以 是Tl原邊的勵磁電感。變壓器Tl原邊繞組的另一端接到串聯(lián)諧振電容Cr的一端，Cr的 另一端接到輸入的地。變壓器副邊繞組Ns的一端接到變壓器T21原邊繞組的一端，T21原 邊繞組的另一端接到T22的原邊繞組的一端，T22原邊繞組的一端接到T23原邊繞組的一 端。Tl副邊繞組的另一端接到隔直電容CB的一端，CB的另一端接到T23原邊繞組的另一 端。變壓器T21副邊繞組的第一端的一端接到二極管Dl陽極，中間端接到輸出電容COl的 負(fù)端，第三端接到二極管D2的陽極。二極管Dl和D2的陰極與輸出電容COl的正端連接。 COl的正端與負(fù)端分別連接到直流恒流負(fù)載的兩端。第一變壓器的副邊繞組Ns中電流信號 經(jīng)過電流傳感器Cs后，輸入到電流采樣濾波電路，得到電流的平均值然后輸出，進(jìn)入電流 誤差放大器電路，誤差放大器的輸出信號輸入到諧振半橋控制與驅(qū)動電路，對半橋的開關(guān) 頻率進(jìn)行控制，從而可以獲得直流側(cè)恒定的輸出電流。圖8是本發(fā)明應(yīng)用在反激逆變電路中，包括第一級中的反激逆變電路，第二級的 子模塊中變壓器采用單繞組輸出的半波整流結(jié)構(gòu)，經(jīng)過電容濾波，得到直流恒流輸出。輸入 直流電源的正端連接到第一變壓器原邊繞組Np的同名端，同時連接到電阻Rc和電容Cc的 一端，電容Cc的另一端與電阻Rc的另一端連接在一起，然后與二極管Dc的陰極連接在一 起。二極管Dc的陽極與Tl原邊繞組的異名端連接在一起，然后連接到Sl的一端，Sl的另 一端連接到輸入的地。Sl的控制端連接到反激控制驅(qū)動電路的輸出。Tl的副邊繞組的異 名端連接到第二級變壓器T21原邊繞組的同名端，T21原邊繞組的異名端接到T22的原邊繞 組的同名端，T22原邊繞組的異名端接到T23原邊繞組的同名端。Tl副邊繞組的同名端接 到隔直電容CB的一端，CB的另一端接到T23原邊繞組的異名端。變壓器T21的副邊繞組 的同名端連接到二極管Dl的陽極，二極管Dl的陰極連接到輸出濾波電容COl的正端。變 壓其T21副邊繞組的異名端連接到輸出直流濾波電容COl的負(fù)端，輸出直流恒流負(fù)載并聯(lián) 在COl的兩端。變壓器T22的副邊繞組的同名端接到二極管D2的陽極，二極管D2的陰極 接到電容C02的正端，T22的副邊繞組的異名端接到輸出電容C02的負(fù)端，輸出恒流負(fù)載并 聯(lián)在C02的兩端。變壓其T23的副邊繞組地同名端接到二極管D3的陽極，二極管D3的陽 極接到輸出濾波電容C03的正端，T23副邊繞組的異名端接到輸出電容C03的負(fù)端。恒流 負(fù)載并聯(lián)在C03的兩端。第一變壓器的副邊繞組Ns中電流信號經(jīng)過電流傳感器Cs后，輸 入到電流采樣濾波電路，得到電流的平均值然后輸出，進(jìn)入電流誤差放大器電路，誤差放大 器的輸出信號輸入到反激電路的控制與驅(qū)動電路，對主電路進(jìn)行控制，從而可以獲得直流 側(cè)恒定的輸出電流。圖9是本發(fā)明在電流源型全橋逆變電路中的應(yīng)用。輸入電感Lin在開關(guān)周期內(nèi)看 作電流源，全橋開關(guān)逆變電路將電流源斬波后輸入產(chǎn)生交流源到第一變壓器中。輸入直流 源Vin的正端接到電感Lin —端，Lin電感的另一端接到開關(guān)管Sl和S3的一端，開關(guān)Sl的 另一端接到開關(guān)管S2的一端，S2的另一端接到輸入的地。開關(guān)S3的另一端接到開關(guān)S4的一端，S4的另一端接到輸入的地。開關(guān)管S1，S2，S3，S4的控制分別接到控制電路的4個輸 出端。變壓器Tl的原邊繞組的一端接到開關(guān)Sl與S2的連接點(diǎn)，另一端連到開關(guān)S3與S4 的連接點(diǎn)。電流傳感器Cs將變壓器Tl副邊繞組中電流信號傳遞到采樣與濾波電路的輸入 端，濾波電路的輸出端連接到電流誤差放大器的輸入端，放大器的輸出連接到控制器的反 饋端。第二級中的電路與圖7中的實(shí)施例相同，此處不再贅述。本發(fā)明利用了多個變壓器原邊繞組串聯(lián)，實(shí)現(xiàn)副邊多路輸出平均電流相等或成比 例的特性。通過在高頻交流源與多個串聯(lián)變壓器之間插入一級隔離變壓器，解決了僅僅一 級多個變壓器串聯(lián)電路存在的問題。第一級變壓器將輸入側(cè)的高頻交流源變成后級所需的 幅值，第二級中的子模塊原邊依次串聯(lián)，然后并聯(lián)到第一級變壓器的副邊輸出繞組。由于變 壓器原邊都串聯(lián)，因此原邊電流相同。通過將變壓器的勵磁電感量設(shè)計(jì)的盡可能大，從而可 以忽略勵磁電流，于是第二級變壓器中原邊的電流基本與副邊的變流成匝比關(guān)系，從而能 夠獲得比較好的副邊電流的均流度。交流電流經(jīng)過整流和電容濾波之后，就獲得穩(wěn)定的直 流電流，提供給直流恒流負(fù)載。因?yàn)榈诙壷械淖儔浩髦恍璩袚?dān)所需要的匝比設(shè)計(jì)，并滿足磁芯額定的伏秒?yún)?數(shù)，就能將勵磁電流的影響降到最低，從而獲得比較好的輸出側(cè)精度。應(yīng)當(dāng)注意，在說明本發(fā)明的某些特征或者方案時所使用的特殊術(shù)語不應(yīng)當(dāng)用于表 示在這里重新定義該術(shù)語以限制與該術(shù)語相關(guān)的本發(fā)明的某些特定特點(diǎn)、特征或者方案。 總之，不應(yīng)當(dāng)將在隨附的權(quán)利要求書中使用的術(shù)語解釋為將本發(fā)明限定在說明書中公開的 特定實(shí)施例，除非上述詳細(xì)說明部分明確地限定了這些術(shù)語。因此，本發(fā)明的實(shí)際范圍不僅 包括所公開的實(shí)施例，還包括在權(quán)利要求書之下實(shí)施或者執(zhí)行本發(fā)明的所有等效方案。
權(quán)利要求
一種模塊化的多路恒流輸出的變流器，包括N個子模塊，每個子模塊均包括一個變壓器T2N、一個第N整流器和一個輸出直流濾波電容CON，各子模塊中的變壓器原邊繞組依次串聯(lián)；其特征在于，該變流器具有兩級結(jié)構(gòu)其中第一級包含第一變壓器T1、并聯(lián)在第一變壓器T1原邊繞組兩端的可控高頻交流源Vac；第二級包含前述N個子模塊；所述T1副邊繞組的兩端分別接至依次串聯(lián)的子模塊變壓器原邊繞組的首尾兩端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變流器，其特征在于，所述各子模塊中，變壓器T2N的副邊繞 組接到第N整流器的輸入，第N整流器的輸出接到輸出直流濾波電容CON的兩端，直流恒流 負(fù)載與所述的輸出直流濾波電容CON并聯(lián)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變流器，其特征在于，所述各子模塊中，變壓器T2N的副邊是 單繞組結(jié)構(gòu)或多繞組整流結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變流器，其特征在于，所述各子模塊中，所述第N整流器是下 述適用于輸出電容濾波的整流電路中的任意一種半波整流電路、全橋整流電路、中心抽頭 整流電路或倍壓整流電路。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變流器，其特征在于，所述各子模塊經(jīng)包裝成為相互獨(dú)立的 高頻交流輸入、直流輸出的AC-DC模塊，并通過活動接頭或者固定接頭與第一級相接。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變流器，其特征在于，所述各子模塊中變壓器T2N的匝比根據(jù) 該路輸出電流的要求確定。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變流器，其特征在于，所述各子模塊的輸出通過并聯(lián)或者串 聯(lián)，來調(diào)整輸出的電流或者電壓。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變流器，其特征在于，在第一變壓器Tl的副邊繞組一端的中 間交流母線上設(shè)有電流傳感器，電流傳感器依次連接采樣濾波電路、電流誤差放大器、可控 高頻交流源Vac的控制電路。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至6任意一項(xiàng)中所述的變流器，其特征在于，第一變壓器Tl的副邊 繞組一端串聯(lián)一個電容CB。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至6任意一項(xiàng)中所述的變流器，其特征在于，所述可控高頻交流源 Vac是具有交流電流源特性的高頻逆變電路。
全文摘要
本發(fā)明涉及多路輸出的電能轉(zhuǎn)換器，旨在提供一種模塊化的多路恒流輸出的變流器。該變流器包括N個子模塊，每個子模塊均包括變壓器T2N、第N整流器和輸出直流濾波電容CON，各子模塊中的變壓器原邊繞組依次串聯(lián)；該變流器具有兩級結(jié)構(gòu)其中第一級包含第一變壓器T1、并聯(lián)在第一變壓器T1原邊繞組兩端的可控高頻交流源Vac；第二級包含前述N個子模塊；所述T1副邊繞組的兩端分別接至依次串聯(lián)的子模塊變壓器原邊繞組的首尾兩端。本發(fā)明中，第一級變壓器勵磁電感的不受負(fù)載短路或開路的影響，主電路參數(shù)設(shè)計(jì)簡單，無需考慮非正常狀態(tài)下對主電路參數(shù)的影響。子模塊電路可以標(biāo)準(zhǔn)化，靈活組合獲得所需的任意路輸出，降低生產(chǎn)成本。
文檔編號H02M3/335GK101902139SQ20101023465
公開日2010年12月1日 申請日期2010年7月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月22日
發(fā)明者吳新科, 張軍明 申請人:浙江大學(xué)