專利名稱：降壓式開關(guān)電源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種開關(guān)電源，特別適用于大功率直流電機的通過調(diào)節(jié)電壓來調(diào)速的場合。
背景技術(shù)：
圖I所示為常用小功率降壓式開關(guān)穩(wěn)壓器的原理圖。由于電感L只有單向電流流過，沒有較大的電壓降，輸入與輸出的電壓降主要由開關(guān)管VT承受，當(dāng)負(fù)載功率較大時，開關(guān)管將發(fā)熱而無法工作。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明提供一種降壓式開關(guān)電源，可以低成本高效地生成降壓直流電源，供大功率的負(fù)載使用。本發(fā)明采用以下的技術(shù)方案降壓式開關(guān)電源，包括上橋驅(qū)動信號模塊、下橋驅(qū)動信號模塊、上下橋模塊、以及電感電容穩(wěn)壓模塊，所述上下橋模塊包括上橋IGBT和下橋IGBT,所述上橋驅(qū)動信號模塊的輸出端連接上橋IGBT的柵極，所述下橋驅(qū)動信號模塊的輸出端連接下橋IGBT的柵極，所述上橋IGBT的集電極連接高壓直流電源，上橋IGBT的發(fā)射極通過二極管連接下橋IGBT的集電極，所述電感電容穩(wěn)壓模塊包括串聯(lián)的電感和電容，所述電感的一端連接下橋IGBT的集電極，下橋IGBT的發(fā)射極為低電平，所述二極管使得電流可以從上橋IGBT的發(fā)射極流向所述電感的一端，所述電感的另一端為輸出直流電源。進一步，所述降壓式開關(guān)電源還包括與所述上橋驅(qū)動信號模塊連接的上橋欠驅(qū)動電壓保護模塊，所述上橋欠驅(qū)動電壓保護模塊用于檢測上橋IGBT的柵極與發(fā)射極之間的上橋驅(qū)動電壓，當(dāng)該上橋驅(qū)動電壓低于設(shè)定值時，上橋驅(qū)動信號模塊輸出低電平，上橋IGBT不導(dǎo)通。進一步，所述降壓式開關(guān)電源還包括與所述下橋驅(qū)動信號模塊連接的下橋欠驅(qū)動電壓保護模塊，所述下橋欠驅(qū)動電壓保護模塊用于檢測下橋IGBT的柵極與發(fā)射極之間的下橋驅(qū)動電壓，當(dāng)該下橋驅(qū)動電壓低于設(shè)定值時，下橋驅(qū)動信號模塊輸出低電平，下橋IGBT不導(dǎo)通。優(yōu)選的，所述上橋IGBT的柵極與發(fā)射極之間連接有兩個反向串聯(lián)的穩(wěn)壓二極管。每個穩(wěn)壓二極管的電壓為15V，若上橋IGBT的柵極與集電極之間的電壓高于20V或低于-20V，上橋IGBT會立即被燒毀，所以在上橋IGBT的柵極與集電極之間加上兩個反向連接的15V的穩(wěn)壓二極管可以起限壓保護作用。優(yōu)選的，所述下橋IGBT的柵極與發(fā)射極之間連接有兩個反向串聯(lián)的穩(wěn)壓二極管。每個穩(wěn)壓二極管的電壓為15V，若下橋IGBT的柵極與集電極之間的電壓高于20V或低于-20V，下橋IGBT會立即被燒毀，所以在下橋IGBT的柵極與集電極之間加上兩個反向連接·的15V的穩(wěn)壓二極管可以起限壓保護作用。
優(yōu)選的，所述高壓直流電源為500V。本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思在于當(dāng)上橋IGBT導(dǎo)通時，高壓直流電源經(jīng)過上橋IGBT、二極管、電感電容穩(wěn)壓模塊的電感對電容充電,這時電感流過正向電流；當(dāng)下橋IGBT導(dǎo)通時，輸出直流電源經(jīng)過電感電容穩(wěn)壓模塊的電感流向下橋IGBT，這時電感流過反向電流；這樣，電感通過的是正負(fù)交替變化的高頻交流電，較小的電感可以獲得大的感抗而起到良好的分壓作用，高壓直流電源與輸出直流電源之間的壓差主要由電感承擔(dān)，這樣上橋IGBT的壓降小，從而能通過更大的電流(因為IGBT的最大耗散功率是恒定的)，這樣，該降壓式開關(guān)電源可以用于大功率負(fù)載的工作場合。另外，開關(guān)電路選用高效、耐高壓的電壓驅(qū)動的IGBT作為開關(guān)管，可以擴大該開管電源的電壓及功率范圍。本發(fā)明的有益效果在于(1)采用上下橋結(jié)構(gòu)，利用了 IGBT作為開關(guān)管，提供了低成本、高效地生成降壓直流電源的解決方案；(2)電感主要提供壓降的作用，由于電感通過的是高頻交流電，電感可以比較小，節(jié)省制作大電感所需的原材料，節(jié)約了成本。


圖I是上橋驅(qū)動信號模塊的電路圖之一。圖I續(xù)是上橋驅(qū)動彳目號I旲塊的電路圖之_■，其中，Iinel、line2、line3、line4是圖I與圖I續(xù)的連接點。圖2是下橋驅(qū)動信號模塊的電路圖。圖3是上橋欠驅(qū)動電壓保護模塊的電路圖。圖4是下橋欠驅(qū)動電壓保護模塊的電路圖。圖5是上下橋模塊和電感電容穩(wěn)壓模塊的電路圖。附圖標(biāo)號1_上橋驅(qū)動信號模塊；2_下橋驅(qū)動信號模塊；3_上下橋模塊；4_電感電容穩(wěn)壓模塊；5_上橋欠驅(qū)動電壓保護模塊；6_下橋欠驅(qū)動電壓保護模塊。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明。參照圖1-5 :降壓式開關(guān)電源，包括上橋驅(qū)動信號模塊I、下橋驅(qū)動信號模塊2、上下橋模塊3、以及電感電容穩(wěn)壓模塊4，所述上下橋模塊3包括上橋IGBT和下橋IGBT，所述上橋驅(qū)動信號模塊I的輸出端連接上橋IGBT QlO的柵極，所述下橋驅(qū)動信號模塊2的輸出端連接下橋IGBT Qll的柵極，所述上橋IGBT QlO的集電極連接500V的高壓直流電源，上橋IGBT QlO的發(fā)射極通過二極管D15連接下橋IGBT Qll的集電極，所述電感電容穩(wěn)壓模塊4包括串聯(lián)的電感L6和電容，所述電容由C60與C61串聯(lián)而成，所述電感L6的一端連接下橋IGBT Qll的集電極，下橋IGBT Qll的發(fā)射極為低電平G，所述二極管D15使得電流可以從上橋IGBT QlO的發(fā)射極流向所述電感L6的一端，所述電感L6的另一端為輸出直流電源V_0UT。所述降壓式開關(guān)電源還包括與所述上橋驅(qū)動信號模塊I連接的上橋欠驅(qū)動電壓保護模塊5，所述上橋欠驅(qū)動電壓保護模塊5用于檢測上橋IGBT QlO的柵極與發(fā)射極之間的上橋驅(qū)動電壓(ZG+) -ZS,當(dāng)該上橋驅(qū)動電壓低于設(shè)定值(取決于Dl、R9和P3，對于圖中參數(shù)該設(shè)定值為12V)，上橋驅(qū)動信號模塊I輸出低電平，上橋IGBT QlO不導(dǎo)通。圖2中上橋欠驅(qū)動電壓保護模塊5檢測的是+20_Z-ZS，由于上橋IGBT導(dǎo)通時(ZG+) =+20_Z (Q2截止，Q3導(dǎo)通)，所以檢測+20_Z-ZS就是檢測(ZG+) -ZS0所述降壓式開關(guān)電源還包括與所述下橋驅(qū)動信號模塊2連接的下橋欠驅(qū)動電壓保護模塊6，所述下橋欠驅(qū)動電壓保護模塊6用于檢測下橋IGBT的柵極與發(fā)射極之間的下橋驅(qū)動電壓(ZG-) -G,當(dāng)該下橋驅(qū)動電壓低于設(shè)定值時，下橋驅(qū)動信號模塊2輸出低電平，下橋IGBT不導(dǎo)通。圖4中下橋欠驅(qū)動電壓保護模塊5檢測的是+15V-G，由于下橋IGBT導(dǎo)通時(ZG-) =+15V (Q8截止，Q9導(dǎo)通)，所以檢測+15V-G就是檢測(ZG-) -G。所述上橋IGBT的柵極與發(fā)射極之間連接有兩個反向串聯(lián)的穩(wěn)壓二極管D12和D13。每個穩(wěn)壓二極管的電壓為15V，若上橋IGBT的柵極與集電極之間的電壓高于20V或低于-20V，上橋IGBT會立即被燒毀，所以在上橋IGBT的柵極與集電極之間加上兩個反向連接的15V的穩(wěn)壓二極管可以起限壓保護作用。所述下橋IGBT的柵極與發(fā)射極之間連接有兩個反向串聯(lián)的穩(wěn)壓二極管D18和 D19。每個穩(wěn)壓二極管的電壓為15V，若下橋IGBT的柵極與集電極之間的電壓高于20V或低于-20V，下橋IGBT會立即被燒毀，所以在下橋IGBT的柵極與集電極之間加上兩個反向連接的15V的穩(wěn)壓二極管可以起限壓保護作用。本實施例的電路原理說明如下I. Vcc,Gnd為外部數(shù)字電源，+500V、G為外部輸入直流電源，+15V、G、_10V為下橋驅(qū)動用外部電源，+5V、+20_Z.ZS.-5_Z為上橋驅(qū)動用外部電源，V_0UT、G是本實施例降壓式開關(guān)電源的輸出。其中，+20_Z-ZS=15V，ZS- (_5_Z)=5V。2·Ρ1、Ρ2、Ρ3、Ρ4 為光耦。3. P_C為外部數(shù)字輸入脈沖信號。當(dāng)P_C=0時，Pl不導(dǎo)通，Pl的端口 4輸出高電平，Ql導(dǎo)通，ClOO被充電，運放U50A的+輸入端電壓升高；iP_C=l時，Pl導(dǎo)通，Pl的端口4輸出低電平，Ql截止，ClOO經(jīng)R4放電，運放U50A的+輸入端電壓下降。因此通過控制脈沖信號P_C的占空比，就能獲得確定的U50A的+輸入端電壓。4.當(dāng)運放U50A的+輸入端電壓高于運放U50A的-輸入端電壓(_輸入端電壓即V_0UT經(jīng)R5，R6分壓后的電壓)時，運放U50A輸出端P_V輸出高電平，電流經(jīng)R7對C34充電，P2延時導(dǎo)通，P2的端口 4輸出低電平，Q2截止，Q3導(dǎo)通，ZG+為+20_Z電平，上橋IGBTQlO的柵極與發(fā)射極之間的驅(qū)動電壓(ZG+) -ZS為+20_ZZS，由于設(shè)定+20_Z_ZS=15V，所以上橋IGBT的柵極與發(fā)射極之間的驅(qū)動電壓為15V，上橋IGBT導(dǎo)通，+500V高壓直流電源經(jīng)上橋IGBT Q10、二極管D15、電感L6對電容C60、C61充電，輸出直流電源V_0UT電壓升高，運放U50A的-輸入端電壓(V_0UT經(jīng)R5，R6分壓后的電壓)亦升高，當(dāng)高于U50A的+輸入端電壓時，U50A輸出端P_V輸出低電平，C34經(jīng)D3迅速放電，放電完畢后P2截止，P2輸出端4輸出高電平，Q2導(dǎo)通，Q3截止，ZG+經(jīng)D5電平降為_5_Z，此時上橋IGBT QlO的柵極與發(fā)射極之間的驅(qū)動電壓(ZG+) - ZS成為(_5_Z) - ZS,由于設(shè)定ZS - (_5_Z)=5V，所以上橋IGBTQ10的柵極與發(fā)射極之間的驅(qū)動電壓為-5V，上橋IGBT截止。需要說明的是，IGBT在柵極與發(fā)射極之間的驅(qū)動電壓為15V時，導(dǎo)通效果最好，在柵極與發(fā)射極之間的驅(qū)動電壓為-5V時,截止效果最好。5. U50A的輸出端P_V同時接到下橋驅(qū)動信號模塊2中，與Z、ZS的電平一起用于產(chǎn)生下橋驅(qū)動信號ZG-。由于穩(wěn)壓二極管D6、D7的壓降為15V，所以當(dāng)P_V為高電平，或Z低于5V電壓，或ZS高于15V電壓時，Q8基極為高電平而導(dǎo)通，ZG-經(jīng)Dll電平降為-10V，下橋IGBT Qll截止。相反，上述3條件全不滿足(B卩保證上下橋不同時導(dǎo)通)，Q8才截止，ZG-為高電平，下橋IGBT Qll導(dǎo)通，電流從V_OUT經(jīng)過電感L6流向下橋IGBT Q11，此時電感L6獲得反向電流流過。當(dāng)上橋IGBT導(dǎo)通時，由于電感L6之前通的是反向電流，電感的電流不能發(fā)生突變，電流由反向變?yōu)镺，再逐步正向增加，使電容充電。只要電感、電容根據(jù)負(fù)載設(shè)計適中，上、下橋交替導(dǎo)通的頻率較高，會使輸入+500V高壓直流電源與輸出直流電源V_OUT之間的壓差主要由電感L6承擔(dān)，上橋IGBT QlO的壓降小而能通更大的電流，從而能適用于大功率負(fù)載的工作場合。下橋?qū)〞r，由于其發(fā)射極直接接G，其壓降主要取決于驅(qū)動，當(dāng)驅(qū)動能力強時，其壓降在IV以下，這樣，當(dāng)下橋IGBT良好導(dǎo)通時，V_OUT與G之間的電壓主要由電感L6承擔(dān)，下橋IGBT的壓降小也能通更大的電流，從而適用于大功率負(fù)載的場合。6.對于上橋欠驅(qū)動電壓保護模塊5，如果由于某種原因(如干擾或故障)，使得+20_Z與ZS的電壓差小于設(shè)定值(取決于Dl、R9和P3，對于圖中參數(shù)該值為12V)，光耦P3左端不導(dǎo)通，則光耦P3的輸出端4輸出高電平，Q2導(dǎo)通，Q3截止，ZG+輸出低電平_5_Z，上下橋模塊3的上橋IGBT的柵極與發(fā)射極之間的驅(qū)動電壓(ZG+) - ZS=-5_Z - ZS=_5V，下橋 IGBT QlO不導(dǎo)通，從而起到當(dāng)外部輸入的驅(qū)動電壓+20_Z - ZS小于設(shè)定值時，上橋IGBT不導(dǎo)通的保護作用。相反，當(dāng)外部輸入的驅(qū)動電壓+20_Z - ZS大于設(shè)定值時，光耦P3導(dǎo)通，D2左邊為低電平，Q2截止，Q3導(dǎo)通，ZG+輸出高電平，上橋IGBT導(dǎo)通。7.對于下橋欠驅(qū)動電壓保護模塊6，如果由于某種原因(如干擾或故障)，使得+15V與ZS的電壓差小于設(shè)定值(取決于D8、R19和P4，對于圖中參數(shù)該值為12V)，光耦P4左端不導(dǎo)通，則光耦P4的輸出端4輸出高電平，Q8導(dǎo)通，Q9截止，ZG-輸出低電平-10V，上下橋模塊3的下橋IGBT Qll不通，從而起到當(dāng)外部輸入的驅(qū)動電壓+15VZS小于設(shè)定值時，下橋IGBT不導(dǎo)通的保護作用。相反，當(dāng)外部輸入的驅(qū)動電壓+15V-ZS大于設(shè)定值時，光耦P4導(dǎo)通，DlO左邊為低電平，Q8截止，Q9導(dǎo)通，ZG-輸出高電平15V，下橋IGBT Qll導(dǎo)通。本實施例中，選用IGBT作為開關(guān)管，可以擴大該開管電源的電壓及功率范圍的原因是IGBT開關(guān)管使用的電壓范圍較高，一般能達到1200V，電流也較大，常見的電流如15A，而它的控制只需要15V的電壓驅(qū)動就可以了，所以，對大功率、高壓的場合，一般優(yōu)選IGBT作為開關(guān)管。而其他的開關(guān)管如場效應(yīng)管，IOA以上的耐壓就沒那么高，一般在800V以下，達林頓功率管是電流驅(qū)動型，耐壓更低，一般在200V以下，而可控硅的工作頻率較低，一般用在交流電的場合。圖I至圖5中，上橋驅(qū)動信號模塊I和上橋欠驅(qū)動電壓保護模塊5在節(jié)點UP_V處連接，下橋驅(qū)動信號模塊2和下橋欠驅(qū)動電壓保護模塊6在節(jié)點D0WN_V處連接，上橋驅(qū)動信號模塊I和上下橋模塊3在節(jié)點ZG+處連接，下橋驅(qū)動信號模塊2和上下橋模塊3在節(jié)點ZG-處連接，上下橋模塊3和電感電容穩(wěn)壓模塊4在節(jié)點Z處連接。上述實施例僅僅是本發(fā)明技術(shù)構(gòu)思實現(xiàn)形式的列舉，本發(fā)明的保護范圍不僅限于上述實施例，本發(fā)明的保護范圍可延伸至本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思所能想到的等同技術(shù)手段。
權(quán)利要求
1.降壓式開關(guān)電源，其特征在于包括上橋驅(qū)動信號模塊、下橋驅(qū)動信號模塊、上下橋模塊、以及電感電容穩(wěn)壓模塊，所述上下橋模塊包括上橋IGBT和下橋IGBT，所述上橋驅(qū)動信號模塊的輸出端連接上橋IGBT的柵極，所述下橋驅(qū)動信號模塊的輸出端連接下橋IGBT的柵極，所述上橋IGBT的集電極連接高壓直流電源，上橋IGBT的發(fā)射極通過二極管連接下橋IGBT的集電極，所述電感電容穩(wěn)壓模塊包括串聯(lián)的電感和電容，所述電感的一端連接下橋IGBT的集電極，下橋IGBT的發(fā)射極為低電平，所述二極管使得電流可以從上橋IGBT的發(fā)射極流向所述電感的一端，所述電感的另一端為輸出直流電源。
2.如權(quán)利要求I所述的降壓式開關(guān)電源，其特征在于所述降壓式開關(guān)電源還包括與所述上橋驅(qū)動信號模塊連接的上橋欠驅(qū)動電壓保護模塊，所述上橋欠驅(qū)動電壓保護模塊用于檢測上橋IGBT的柵極與發(fā)射極之間的上橋驅(qū)動電壓，當(dāng)該上橋驅(qū)動電壓低于設(shè)定值時，上橋驅(qū)動信號模塊輸出低電平，上橋IGBT不導(dǎo)通。
3.如權(quán)利要求I或2所述的降壓式開關(guān)電源，其特征在于所述降壓式開關(guān)電源還包括與所述下橋驅(qū)動信號模塊連接的下橋欠驅(qū)動電壓保護模塊，所述下橋欠驅(qū)動電壓保護模塊用于檢測下橋IGBT的柵極與發(fā)射極之間的下橋驅(qū)動電壓，當(dāng)該下橋驅(qū)動電壓低于設(shè)定值時，下橋驅(qū)動信號模塊輸出低電平，下橋IGBT不導(dǎo)通。
4.如權(quán)利要求3所述的降壓式開關(guān)電源，其特征在于所述上橋IGBT的柵極與發(fā)射極之間連接有兩個反向串聯(lián)的穩(wěn)壓二極管。
5.如權(quán)利要求4所述的降壓式開關(guān)電源，其特征在于所述下橋IGBT的柵極與發(fā)射極之間連接有兩個反向串聯(lián)的穩(wěn)壓二極管。
6.如權(quán)利要求I所述的降壓式開關(guān)電源，其特征在于所述高壓直流電源為500V。
全文摘要
降壓式開關(guān)電源，包括上橋驅(qū)動信號模塊、下橋驅(qū)動信號模塊、上下橋模塊、以及電感電容穩(wěn)壓模塊，上下橋模塊包括上橋IGBT和下橋IGBT，上橋驅(qū)動信號模塊的輸出端連接上橋IGBT的柵極，下橋驅(qū)動信號模塊的輸出端連接下橋IGBT的柵極，上橋IGBT的集電極連接高壓直流電源，上橋IGBT的發(fā)射極通過二極管連接下橋IGBT的集電極，電感電容穩(wěn)壓模塊包括電感和電容，所述電感的一端連接下橋IGBT的集電極，下橋IGBT的發(fā)射極為低電平，二極管使得電流可以從上橋IGBT的發(fā)射極流向所述電感的一端，電感的另一端為輸出直流電源。本發(fā)明提供一種降壓式開關(guān)電源，可以低成本高效地生成降壓直流電源，供大功率的負(fù)載使用。
文檔編號H02M3/156GK102916583SQ201210347789
公開日2013年2月6日 申請日期2012年9月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月19日
發(fā)明者李軍, 李繡峰 申請人:臺州學(xué)院, 溫嶺市三木機電有限公司