DC/DC拓撲的直流輸入低電壓直流輸出的自激輔助電源電路的制作方法
本發明屬于高電壓自激輔助電源領域，具體涉及一種DC/DC拓撲的直流輸入低電壓直流輸出的自激輔助電源電路。
背景技術：
隨著社會經濟的不斷發展和進步，基于多個標準模塊單元組合或多相多電平拓撲的中高壓、大容量電力電子變流裝置的開發和應用越來越廣泛。目前，電力電子變流裝置二次回路(主要是驅動和控制電路)一般由外部低壓交流經整流降壓集中供電。對于常規的中小容量電力電子變流裝置而言，由于拓撲結構和硬件結構的緊湊和集中，此方式為裝置二次回路供電是一種簡單、可靠和實用的方法；但是，對于中高壓、大容量電力電子變流裝置而言，復雜的多相多電平或串并聯拓撲結構以及大尺度的空間分布特性等都會對傳統的二次回路供電方法提出挑戰。首先，在傳統集中式二次回路供電結構中，二次回路故障率和維護難度增加；其次，過多的跨接功率單元的二次回路連線對線路本身絕緣及抗電磁干擾性能提出了更高的要求；第三，系統二次回路集中供電將使整個系統的模塊化和標準化程度減弱，模塊的冗余性和系統的可靠性通常不能得到充分地提高；最后，對于中高壓、大容量電力電子裝置采用的多電平甚至串聯拓撲結構，驅動電路電位相差較大，故要求二次回路電源隔離等級更高，導致裝置復雜性增加、可靠性降低。
由于大容量電力電子裝置在電路結構、空間布局及控制功能上往往都存在較明顯的分布特征，非常適合采用分布式輔助電源為裝置二次回路供電，實現整個變流裝置從模塊到子系統都具有真正可插拔的標準化和模塊化特征，從而提高系統的冗余性和可靠性。分布式輔助電源供電是通過在裝置中每個變流模塊均設置單獨輔助電源為其供電來實現，輔助電源輸入為變流模塊母線電容電壓，而輔助電源輸出直接為變流模塊驅動或控制電路供電(簡稱高壓直流取電)。采用分布式輔助電源為系統二次回路供電方式可以簡化裝置中內外二次線路連接，降低線路本身的絕緣及防電磁干擾要求，避免了傳統的電力電子裝置功率電源和控制電源嚴格的上電和斷電次序問題，甚至可取消柜體內UPS等裝置。由于輔助電源電位與相應的變流模塊電位一致，降低了多電平串聯拓撲結構下傳統集中供電要求驅動或控制電路高壓隔離問題。為確保裝置安全可靠運行，分布式供電方式要求輔助電源能在高電壓寬電壓輸入范圍內工作。
對于高電壓、寬范圍輸入的輔助電源，目前國內外研究較少。相關文獻或專利所研究的輔助電源電壓輸入范圍主要集中在1000V以下，對更高電壓、更寬電壓輸入范圍的輔助電源研究很少。
技術實現要素：
本發明的目的就是針對現有技術的缺陷，提供一種DC/DC拓撲的直流輸入低電壓直流輸出的自激輔助電源電路，作為中高壓、大容量電力電子系統控制或驅動電路輔助供電。
本發明提供了一種DC/DC拓撲的直流輸入低電壓直流輸出的自激輔助電源電路，其特征在于：它包括輔助電源主電路和輔助電源控制電路，輔助電源主電路包括依次電連接的啟動電路、前級buck變換器和后級變換器；高壓直流電壓輸入啟動電路，經前級buck變換器和后級變換器變換后輸出低壓直流電壓；后級變換器包括分別并聯于前級buck變換器輸出端的小功率電源模塊和大功率電源模塊，小功率電源模塊的輸出電壓為輔助電源控制電路的控制電源，大功率電源模塊輸出電壓作為輔助電源輸出；輔助電源控制電路包括PWM控制芯片、電壓反饋電路、補償電路、軟啟動電路、振蕩電路、電流反饋電路和驅動電路，前級buck變換器的輸出電壓經電壓反饋電路和補償電路接入PWM控制芯片的電壓反饋輸入端；PWM控制芯片的補償輸出端和參考電壓輸出端之間連接有啟動電路；PWM控制芯片的RT/CT端和參考電壓輸出端之間連接有振蕩電路；PWM控制芯片的電源輸入端與小功率電源模塊的輸出端連接；PWM控制芯片輸出端和接地端之間連接有驅動電路；PWM控制芯片電流取樣端和接地端之間連接有電流反饋電路；電流反饋電路的輸入端接入前級buck變換器的輸出電流；驅動電路的輸入端與前級buck變換器的控制端連接。
所述前級buck變換器包括開關管Q1；開關管Q1的漏極、電容C1、電阻RS、二極管D2和開關Q1的源極依次串聯形成回路；二極管D2的兩端并聯有相互串聯的電容C和電感L，電容C兩端并聯有電阻R；電阻R兩端的電壓為前級buck變換器的輸出電壓，流經電阻R的電流為前級buck變換器的輸出電流；開關管Q1源極和柵極為前級buck變換器的控制端；電容C1連接高壓直流輸入。
所述啟動電路包括開關管Q2、電阻RT、電阻RST、穩壓管D3、穩壓管D4；開關管Q2的柵極經電阻RT連接高壓直流輸入，開關管Q2的漏極經電阻RST連接高壓直流輸入；穩壓管D3的陰極連接于開關管Q2的柵極，穩壓管D3的陽極接地；穩壓管D4的陰極連接于開關管Q2的源極，穩壓管D4的陽極接地；穩壓管D4的陽極連接小功率電源模塊的輸出端，穩壓管D4兩端并聯有電容C2；電阻RST的阻值遠小于電阻RT。
所述PWM控制芯片為UC3844。小功率電源模塊采用TMPM04124；大功率電源模塊采用TMP60124。
本發明的輸入電壓高、輸入范圍寬，采用兩級DC/DC級聯拓撲，能滿足400V～2000V寬范圍、高電壓輸入的要求。本發明實現寬范圍自激啟動，通過設置大小電阻支路，小電阻支路實現輔助電源快速啟動，大電阻支路實現輔助電源損耗降低，滿足輔助電源寬范圍輸入自激啟動要求。本發明安全性高，由于前級采用Buck拓撲，簡單、安全可靠，后級采用成熟的商用電源模塊，更進一步提高了輔助電源可靠性目標。本發明分布式、模塊化程度高，中高壓大容量電力電子變流系統每個功率單元采用基于兩級DC/DC的高電壓、寬范圍輸入輔助電源，能大大簡化變流系統二次回路，提高變流系統標準化、模塊化水平。本發明可靠性高，相對于傳統的集中式驅動輔助供電方式來說，變流器系統二次連線簡單，不存在跨接功率單元電氣連接線，降低了線路防電磁干擾及隔離要求，分布式供電提供了二次回路供電的冗余性，可實現整個系統的可靠性顯著提高。
附圖說明
圖1是本發明的輔助電源主電路；
圖2是本發明的輔助電源控制電路。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步的詳細說明，便于清楚地了解本發明，但它們不對本發明構成限定。
本發明提供了一種DC/DC拓撲的直流輸入低電壓直流輸出的自激輔助電源電路，其特征在于：它包括輔助電源主電路和輔助電源控制電路，輔助電源主電路包括依次電連接的啟動電路、前級buck變換器和后級變換器；高壓直流電壓輸入啟動電路，經前級buck變換器和后級變換器變換后輸出低壓直流電壓；后級變換器包括分別并聯于前級buck變換器輸出端的小功率電源模塊和大功率電源模塊，小功率電源模塊的輸出電壓為輔助電源控制電路的控制電源，大功率電源模塊輸出電壓作為輔助電源輸出。高壓直流電壓輸入為400V～2000V直流；大功率電源模塊和小功率電源模塊電壓輸出為24V直流，額定功率為50W，開關頻率為100kHz；前級Buck變換器用于將輔助電源輸入400V～2000V直流電壓降至240V，后級由兩個通用的高隔離DC/DC電源(120V～370V輸入/24V輸出)模塊并聯而成，用于將前級Buck變換器輸出電壓降至24V。輔助電源控制電路包括PWM控制芯片、電壓反饋電路、補償電路、軟啟動電路、振蕩電路、電流反饋電路和驅動電路，前級buck變換器的輸出電壓經電壓反饋電路和補償電路接入PWM控制芯片的電壓反饋輸入端；PWM控制芯片的補償輸出端和參考電壓輸出端之間連接有啟動電路；PWM控制芯片的RT/CT端和參考電壓輸出端之間連接有振蕩電路；PWM控制芯片的電源輸入端與小功率電源模塊的輸出端連接；PWM控制芯片輸出端和接地端之間連接有驅動電路；PWM控制芯片電流取樣端和接地端之間連接有電流反饋電路；電流反饋電路的輸入端接入前級buck變換器的輸出電流；驅動電路的輸入端與前級buck變換器的控制端連接。
為研制高功率密度輔助電源，對輔助電源主要器件體積、功耗有嚴格的要求，設計的輔助電源主電路中開關管Q1、Q2選用IXYS公司4000V/1A僅硬幣大小的MOSFET器件，型號為IXTF1N400，續流二極管D2選用HVCA公司4000V/1A快恢復二極管，型號為HVRW4，電感L為高壓線自制電感，電感值為10mH，電阻RT為VISHAY公司VR68系列高壓電阻10M/1W，電阻RST為5個TE公司39k/3W功率金屬氧化膜電阻串聯構成。所述PWM控制芯片為UC3844。小功率電源模塊采用TMPM04124；大功率電源模塊采用TMP60124。
下面對輔助電源主電路和控制電路分別進行說明。
如圖1所示，所述前級buck變換器包括開關管Q1；開關管Q1的漏極、電容C1、電阻RS、二極管D2和開關Q1的源極依次串聯形成回路；二極管D2的兩端并聯有相互串聯的電容C和電感L，電容C兩端并聯有電阻R；電阻R兩端的電壓為前級buck變換器的輸出電壓，流經電阻R的電流為前級buck變換器的輸出電流；開關管Q1源極和柵極為前級buck變換器的控制端；電容C1連接高壓直流輸入。所述啟動電路包括開關管Q2、電阻RT、電阻RST、穩壓管D3、穩壓管D4；開關管Q2的柵極經電阻RT連接高壓直流輸入，開關管Q2的漏極經電阻RST連接高壓直流輸入；穩壓管D3的陰極連接于開關管Q2的柵極，穩壓管D3的陽極接地；穩壓管D4的陰極連接于開關管Q2的源極，穩壓管D4的陽極接地；穩壓管D4的陽極連接小功率電源模塊的輸出端，穩壓管D4兩端并聯有電容C2；電阻RST的阻值遠小于電阻RT。
啟動電路中的限流電阻RST的阻值遠小于RT，RST可實現低電壓輸入時電源的快速啟動，待電源啟動后，通過RT自動關閉小阻值的RST支路，從而實現輔助電源在寬電壓輸入范圍內正常啟動工作，且啟動電路損耗較小。輔助電源啟動原理如下：開關管Q2開通時，Vin通過RST和Q2為電容C2充電，當C2兩端的電壓VCC大于PWM芯片UC3844的啟動電壓時(見圖2)，電源開始啟動，當電源啟動完成后，后級變換器電路開始輸出電壓VCC，開關管Q2關斷。
變換器電路主要由前級的Buck電路和后級的電源模塊電路構成。前級Buck電路采用通用的Buck變換電路，主要用于將寬范圍、高電壓的輸入進行調節，為后級電源模塊提供一個穩定的輸入。后級變換器由兩隔離電源模塊組成，功率分別為4W(上)和60W(下)，輸出穩定的24V直流電壓。
在該輔助電源主電路中，前級Buck變換器輸出電壓Vo1作為輔助電源控制電路的電壓反饋量，后級變換器小功率電源模塊的輸出電壓VCC為作為其控制電源，而大功率電源模塊輸出電壓Vo2作為輔助電源輸出，可以有效地實現輸入/輸出隔離。
如圖2所示，級變換器輸出電壓Vo1通過電阻R5、R6構成電壓取樣網絡后，經過補償處理后作為PWM控制芯片UC3844的電壓反饋輸入。R9和C9構成的RC振蕩電路為UC3844提供工作頻率，UC3844輸出頻率為振蕩頻率的一半。二極管D10、D11、電阻R10和電容C5構成了UC3844的軟啟動電路。R8和C8作為電流反饋的濾波電路，用以消除電流波形前沿尖脈沖引起的不穩定性。
由于文中使用的開關管Q1/Q2為4000V/1A的MOS管，其電流裕度比較小，為實現開關管的有效保護，必須考慮電路中各種延時，式(1)為流過開關管Q1電流IQ1計算公式。
IQ1＝Vin﹒tdelay/L+1/RS (1)
式中Vin為輔助電源輸入電壓，tdelay為控制芯片UC3844引腳3檢測到VS電壓到開關管動作完成時間，L為Buck電路電感，RS為檢測電阻。
開關管Q1為浮地，文中通過脈沖變壓器來實現驅動隔離。當脈沖變壓器繞組比為1:1時，芯片UC3844在最大占空比最小工作電壓工作時，驅動變壓器輸出電壓將不能確保開關管充分導通，通過將脈沖變壓器繞組比調整到1：1.35后，確保了開關管在各種條件下的充分導通。
傳統的輔助電源輸入范圍相對較窄，傳統輔助電源啟動電路通過設置單一小電路實現電源在低電壓輸入時快速啟動工作，但在高母線電壓輸入時電阻損耗較大，因此無法應用于更寬、更高電壓場合。
考慮到傳統輔助電源啟動電路應用于高電壓場合存在不足，設計的輔助電源采用兩個不同支路實現了輔助電源快速啟動及高壓運行下損耗小。通過設置電阻RT和RST不同的值(RST為千歐級，RT為兆歐級)，可以實現輔助電源高電壓寬范圍應用場合。小阻值RST實現低電壓輸入電源快速啟動，電源啟動后，大阻值RT支路自動關閉小阻值RST支路，啟動電路損耗為RT支路損耗，相比傳統啟動電路損耗小，該電源啟動方案可應用到高電壓輸入場合，同時為研制高功率密度的輔助電源提供了借鑒。
2)輔助電源輸入輸出高壓隔離的實現
傳統輔助電源主要通過光耦芯片實現輸入輸出隔離，對于高達幾千伏輸入的輔助電源，現有的光耦芯片無法滿足其輸入/輸出隔離要求。此外，對于輸出電壓比較高的輔助電源，該反饋方式還存在不穩定性因素。因為當輸出電壓一旦大于參考電壓時，反饋電路光耦輸入側電流將急劇變化，則光耦輸出側電壓快速變化，導致控制芯片輸出驅動脈沖不穩，從而影響了電源穩定性。
為實現輔助電源輸入/輸出高壓隔離和輔助電源其輸出電壓在不同輸入電壓、不同負載時輸出電壓穩定目的，設計的輔助電源其反饋電路采用輔助繞組電壓反饋方法實現，設計的輔助電源反饋電路如圖2所示。圖中輔助繞組電壓VCC既是控制芯片電源，又是控制芯片反饋輸入，該方式有效的利用了高頻變壓器T1來實現輸入/輸出高壓隔離。
為保證輔助電源在不同輸入電壓及不同負載情況下輸出電壓穩定，需盡可能提高輸出繞組和輔助繞組兩繞組的耦合程度，采用輸出繞組和輔助繞組兩線并繞方式。此外，考慮到變壓器制作難度，輸出繞組和輔助繞組取相同匝數。設計變壓器時，注意控制變壓器漏感，以降低開關管關斷尖峰。
本說明書未作詳細描述的內容屬于本領域專業技術人員公知的現有技術。
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