一种H桥级联拓扑控制电路及系统的制作方法

本发明涉及电子电路，特别是涉及一种h桥级联拓扑控制电路及系统。

背景技术：

1、在电子电路的高压输出的隔离开关电源技术领域中，h桥级联拓扑作为一种成熟的功率变换结构，在高压输出的隔离开关电源领域得到了广泛应用。此类电源通常采用前级非隔离拓扑进行预稳压，再通过后级h桥级联电路实现电压的升变换与电气隔离。然而，在实际应用中，单台电源的额定输出电流往往难以满足大功率负载的需求。因此，将多个h桥电源电路并联运行以提高系统总输出电流，成为一种常见的技术方案。

2、目前，此类电源的闭环控制系统普遍采用模拟控制方式。由于模拟控制环路中所采用的集成控制芯片及采样电阻等元器件存在固有的制造公差，即使是同型号的电源，其稳压输出的设定值亦会存在微小的差异。这种差异在单台电源独立工作时影响甚微，但在电源并联应用中则会引发严重问题。具体而言，当多台h桥电源电路并联至同一输出母线时，母线电压将被钳位至所有并联电源中输出电压最高的那一台的电压值。对于其他输出电压设定值较低的h桥电源电路而言，其输出采样电路检测到的母线电压将高于其内部设定值。基于负反馈调节原理，该电源的控制系统会误判自身输出电压超过设定值，从而持续减小h桥电路前级稳压电路中功率开关管的驱动占空比，试图降低输出电压，导致负反馈调节失真。这一错误调节过程最终将导致该电源的输出电流急剧下降，直至其输出电压下降至零伏，完全停止电压输出状态，导致电源输出失衡。

3、综上所述，在现有的模拟控制技术下，h桥级联电源的并联运行存在因个体差异导致的均流失败乃至部分电源失效的问题，严重影响了并联系统的可靠性与实用性。因此，如何实现多台h桥级联拓扑电源电路在并联输出时的稳定、可靠运行，是本领域亟待解决的技术难题。

技术实现思路

1、本发明旨在提供一种h桥级联拓扑控制电路及系统，以解决现有h桥级联电源的并联运行时部分电源失效的问题，提升h桥级联电源的并联运行时的稳定性。

2、为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种h桥级联拓扑控制电路，包括前级稳压模块、级联h桥模块、后级滤波模块、整流滤波模块、采样模块、负反馈误差放大模块、隔离模块和pwm控制模块；其中：

3、所述前级稳压模块用于对外部输入电压进行稳压调控以输出第一电压；

4、所述级联h桥模块用于对所述第一电压进行隔离升压以输出第二电压；

5、所述后级滤波模块用于对所述第二电压进行滤波以向外部直流母线输出电源电压；

6、所述整流滤波模块用于对所述级联h桥模块进行电压采样，得到第三电压；

7、所述采样模块用于对所述第三电压和外部直流母线的母线电压进行采样耦合，得到耦合电压；

8、所述负反馈误差放大模块用于将所述耦合电压与预设基准电压进行比较，进而基于比较结果产生负反馈电压；

9、所述隔离模块用于将所述负反馈电压转化为负反馈控制信号；

10、所述pwm控制模块用于根据所述负反馈控制信号，控制所述前级稳压模块对外部输入电压进行稳压调控，进而控制所述第一电压的大小。

11、上述h桥级联拓扑控制电路，通过整流滤波模块采集得到平滑的级联h桥第三电压，进而通过采样模块对第三电压和外部直流母线的母线电压进行采样耦合后，得到耦合电压并传输至负反馈误差放大模块与基准电压进行对比。因此，即便采样模块接收到过高的母线电压，使得耦合电压超过基准电压，令负反馈电压降低，导致pwm控制模块降低所述第一电压的大小，该h桥级联拓扑控制电路中的第三电压也会随着第一电压的下降而下降，从而负反馈调节耦合电压下降，进而使耦合电压再次与基准电压相等，中止pwm控制模块对第一电压的下降调节。通过上述控制过程，上述h桥级联拓扑控制电路即便在母线电压过高的情况下，也能完成输出电源电压的闭环控制，解决了h桥级联电源的并联运行因个体差异导致的均流失败乃至部分电源失效的问题，避免输出电源电压错误下降至零伏，显著提升了h桥级联电源的并联运行时的稳定性。

12、进一步地，所述前级稳压模块包括第一电感、第一电容、第一nmos管、第二nmos管、第二电感和第二电容；其中：

13、所述第一电感的第一端用于接收所述外部输入电压的正输入，所述第一电感的第二端与所述第一电容的第一端电连接；所述第一电容的第二端用于接收所述外部输入电压的负输入；

14、所述第一nmos管的漏极与所述第一电容的第一端电连接，所述第一nmos管的栅极与所述pwm控制模块的pwm输出端电连接，所述第一nmos管的源极与所述第二nmos管的漏极电连接；所述第二nmos管的栅极与所述pwm控制模块的pwm输出端电连接，所述第二nmos管的源极与所述第一电容的第二端电连接；

15、所述第二电感的第一端与所述第二nmos管的漏极电连接，所述第二电感的第二端与所述级联h桥模块的正输入端电连接；

16、所述第二电容的第一端与所述第二电感的第二端电连接，所述第二电容的第二端与所述第二nmos管的源极电连接，所述第二电容的第二端与所述级联h桥模块的负输入端电连接。

17、在该实现方式中，采用前级buck电路作为前级稳压模块。其中，第一电感和第一电容组成一个低通滤波器，滤除外部输入电压的噪声和纹波。第一nmos管和第二nmos管的导通时间受pwm控制模块输出的pwm控制信号占空比调节；当第一nmos管导通时，第二nmos管关断，外部输入电压加压在第二电感两端，电流流经第二电感传输至后续电路模块；当第一nmos管关断时，第二nmos管导通，第二电感因电磁效应释放电能，完成续流传输至后续电路模块。通过上述电路控制过程，所述前级稳压模块完成对外部输入电压的稳压调控，向后级电路模块输出第一电压。第一电压的大小受第一nmos管和第二nmos管的导通时间影响，因此第一电压的大小受pwm控制模块输出的pwm控制信号占空比调节。

18、其中，第二电感和第二电容还组成一个低通滤波器，滤除第一电压的噪声和纹波。

19、进一步地，所述级联h桥模块包括第三nmos管、第四nmos管、第五nmos管、第六nmos管、第一变压器、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管和第三电容；其中：

20、所述第三nmos管的漏极作为所述级联h桥模块的正输入端，所述第三nmos管的源极与所述第一变压器的原边绕组正端电连接；

21、所述第四nmos管的漏极与所述第三nmos管的漏极电连接，所述第四nmos管的源极与所述第一变压器的原边绕组负端电连接；

22、所述第五nmos管的漏极与所述第三nmos管的源极电连接，所述第五nmos管的源极作为所述级联h桥模块的负输入端；

23、所述第六nmos管的漏极与所述第四nmos管的源极电连接，所述第六nmos管的源极与所述第五nmos管的源极电连接；

24、所述第一二极管的阳极与所述第一变压器的副边绕组负端电连接，所述第一二极管的阳极与所述整流滤波模块的第一输入端电连接，所述第一二极管的阴极与所述第二二极管的阴极电连接；

25、所述第二二极管的阳极与所述第一变压器的副边绕组正端电连接，所述第二二极管的阳极与所述整流滤波模块的第二输入端电连接，所述第二二极管的阴极与所述第三电容的第一端电连接；

26、所述第三二极管的阳极与所述第四二极管的阳极电连接，所述第三二极管的阴极与所述第一二极管的阳极电连接；

27、所述第四二极管的阳极与所述第三电容的第二端电连接；所述第四二极管的阴极与所述第二二极管的阳极电连接；

28、所述第三电容的第一端与所述后级滤波模块的正输入端电连接，所述第三电容的第二端与所述后级滤波模块的负输入端电连接。

29、在该实现方式中，第一变压器原边绕组端的第三nmos管、第四nmos管、第五nmos管和第六nmos管构成一个全桥逆变器，以50%的额定占空比运行，当第三nmos管和第六nmos管导通时，第四nmos管和第五nmos管关断；当第三nmos管和第六nmos管关断时，第四nmos管和第五nmos管导通，从而将第一电压的直流电转换为交流电，使第一电压能够通过第一变压器传输到后级电路。

30、第一变压器将原边绕组接收的交流电升压并输出至副边绕组连接的后级电路模块，同时将原边绕组和副边绕组两侧的电路模块在电气上完全隔离，防止直流母线电压变化对前级电路造成影响，提升h桥级联拓扑控制电路的抗干扰能力。

31、第一二极管、第二二极管、第三二极管和第四二极管对第一变压器副边绕组输出的交流电进行整流和钳位，从而转换成直流第二电压输出至第三电容两端。

32、进一步地，所述后级滤波模块包括第三电感和第四电容；其中：

33、所述第三电感的第一端作为所述后级滤波模块的正输入端，所述第三电感的第二端用于向外部直流母线输出所述电源电压的正电压；

34、所述第四电容的第一端与所述第三电感的第二端电连接，所述第四电容的第二端作为所述后级滤波模块的负输入端，所述第四电容的第二端用于向外部直流母线输出所述电源电压的负电压。

35、在该实现方式中，第三电感、第四电容和前级第三电容构成滤波器，以消除第二电压的噪声和纹波，得到平滑的电源电压输出至外部直流母线。

36、进一步地，所述整流滤波模块包括第五二极管、第六二极管、第一电阻、第二电阻和第五电容；其中：

37、所述第五二极管的阳极作为所述整流滤波模块的第一输入端，所述第五二极管的阴极与所述第一电阻的第一端电连接；

38、所述第六二极管的阳极作为所述整流滤波模块的第二输入端，所述第六二极管的阴极与所述第一电阻的第一端电连接；

39、所述第二电阻和所述第五电容的第一端分别与所述第一电阻的第二端电连接，所述第二电阻和所述第五电容的第二端分别接地，所述第二电阻的第一端与所述采样模块的第一采样端电连接。

40、在该实现方式中，第五二极管的阳极作为所述整流滤波模块的第一输入端，与级联h桥模块中第一变压器的副边绕组负端电连接；第六二极管的阳极作为所述整流滤波模块的第二输入端，与级联h桥模块中第一变压器的副边绕组正端电连接。通过第五二极管和第六二极管对第一变压器副边绕组输出的交流电进行整流，能将副边绕组输出的交流电转换为直流信号，进而通过第一电阻、第二电阻和第五电容对该直流信号进行滤波和分压，得到第三电压。在稳态下，第三电压的幅值等同于h桥级联拓扑控制电路的真实输出电压。

41、进一步地，所述采样模块包括第三电阻、第四电阻、第五电阻和第六电阻；其中：

42、所述第三电阻的第一端作为所述采样模块的第一采样端，所述第三电阻的第二端与所述第五电阻的第一端电连接；

43、所述第四电阻的第一端用于对外部直流母线的母线电压进行采样，所述第四电阻的第二端与所述第五电阻的第一端电连接；

44、所述第五电阻的第二端与所述负反馈误差放大模块的输入端电连接；

45、所述第六电阻的第一端与所述第五电阻的第二端电连接，所述第六电阻的第二端接地。

46、在该实现方式中，第五电阻和第六电阻构成一个分压器；通过第三电阻和第四电阻将第三电压和母线电压采样至第五电阻上，从而使得第五电阻的第二端得到耦合电压输出至负反馈误差放大模块的输入端。通过调整第三电阻和第四电阻之间的电阻值比例，能够调整h桥级联拓扑控制电路最终输出电源电压与设定输出电压之间的误差值。

47、需要说明的是，由于第一变压器的副边绕组和后级滤波模块的输出端之间间隔着第一二极管、第二二极管、第三二极管和第四二极管，导致第一变压器的副边绕组输出交流电与h桥级联拓扑控制电路最终向外部直流母线输出的电源电压之间存在着正向压降，且二极管的正向电压降会随着工作温度和正向连续电流发生变化。因此，如果仅对级联h桥模块进行电压采样，而不对直流母线进行电压采样，会使得后级负反馈误差放大模块和pwm控制模块仅仅基于副边绕组的输出电压对第一电压进行闭环控制，即便直流母线端的电源电压因二极管压降产生变化和波动，也无法对第一电压进行负反馈调节，导致输出电源电压的闭环控制失效，影响电路负载调整率和温度调整率。

48、本发明同时对h桥级联模块和母线电压进行采样，通过耦合第三电压和母线电压，使得h桥级联拓扑控制电路既能根据母线电压的变化对h桥级联拓扑控制电路输出的电源电压进行闭环控制，使电源电压维持在设定值；同时也能根据第三电压的变化负反馈调节闭环控制过程，防止出现h桥级联拓扑控制电路输出的电源电压无限制减小，直至关机的情况。

49、由此可见，采样模块对母线电压的采样可以改善模块的负载调整率，提高h桥级联拓扑控制电路的输出电压精度；对第一变压器副边绕组第三电压的采样可以使多个h桥级联拓扑控制电路输出并联在同一直流母线的情况下，仍然可以根据h桥级联拓扑控制电路自身的输出电压变化，完成对输出电源电压的闭环控制。

50、进一步地，所述负反馈误差放大模块包括误差放大器、第六电容和第七电阻；其中：

51、所述误差放大器的反相输入端作为所述负反馈误差放大模块的输入端，所述误差放大器的同相输入端用于接收预设基准电压，所述误差放大器的电源正端接收预设供电电压，所述误差放大器的电源负端接地，所述误差放大器的输出端与所述隔离模块的输入端电连接；

52、所述第六电容的第一端与所述误差放大器的反相输入端电连接，所述第六电容的第二端与所述第七电阻的第一端电连接；所述第七电阻的第二端与所述误差放大器的输出端电连接。

53、在该实现方式中，所述误差放大器将其反相输入端的耦合电压和同相输入端的基准电压进行比较。第六电容和第七电阻连接在误差放大器的反相输入端和输出端之间，构成对输入误差信号的放大，实现负反馈误差放大电路。当耦合电压大于基准电压时，误差放大器的输出端电压降低。当耦合电压小于基准电压时，误差放大器的输出端电压升高。当耦合电压等于基准电压时，误差放大器的输出端电压不变。

54、进一步地，所述隔离模块包括第一光耦、第八电阻、第九电阻和第七电容；其中：

55、所述第一光耦包括发光二极管和光电三极管，所述发光二极管的阳极接收预设供电电压，所述发光二极管的阴极与所述第八电阻的第一端电连接，所述光电三极管的集电极与所述第九电阻的第一端电连接，所述光电三极管的发射极与所述第七电容的第二端电连接；

56、所述第八电阻的第二端作为所述隔离模块的输入端；所述第九电阻的第一端与所述pwm控制模块的pwm控制端电连接，所述第九电阻的第二端与所述第七电容的第一端电连接；所述第七电容的第二端与预设模拟地电连接。

57、在该实现方式中，发光二极管作为第一光耦的输入端，光电三极管作为光耦的输出端。上述第三电压和母线电压共同影响耦合电压，母线电压上升会使得耦合电压抬升。当耦合电压大于基准电压时，误差放大器的输出端电压降低，从而使得流经发光二极管的电流增加，进而使得流经光电三极管的电流增加，从而拉低pwm控制端电压，使得输出至第一nmos管和第二nmos管的pwm控制信号占空比减小，调节第三电压和输出电源电压下降。

58、当第三电压持续下降，使得耦合电压等于基准电压时，误差放大器的输出端电压停止变化，从而使得流经发光二极管的电流停止变化，进而使得流经光电三极管的电流停止变化，从而维持输出至第一nmos管和第二nmos管的pwm控制信号占空比不变，调节第三电压和输出电源电压维持不变，完成输出电源电压的闭环控制，避免输出电源电压受母线电压过高的影响错误下降至零伏。

59、反之，当耦合电压小于基准电压时，误差放大器的输出端电压上升，从而使得流经发光二极管的电流下降，进而使得流经光电三极管的电流下降，从而抬升pwm控制端电压，使得输出至第一nmos管和第二nmos管的pwm控制信号占空比增大，调节第三电压和输出电源电压上升。

60、该模块在通过第一光耦电气隔离负反馈误差放大模块和pwm控制模块的pwm控制端，对pwm控制模块进行保护的同时，将负反馈误差放大模块的负反馈电压转化为负反馈控制信号，传输至pwm控制端，从而协助实现对h桥级联拓扑控制电路的输出电源电压闭环控制。

61、在一种可能的实现方式中，所述pwm控制模块为pwm集成电路。

62、本发明第二方面提供一种h桥级联拓扑控制系统，包括直流母线，所述直流母线上并联有若干个h桥级联拓扑控制电路；对于任意所述h桥级联拓扑控制电路，包括前级稳压模块、级联h桥模块、后级滤波模块、整流滤波模块、采样模块、负反馈误差放大模块、隔离模块和pwm控制模块；其中：

63、所述前级稳压模块用于对外部输入电压进行稳压调控以输出第一电压；

64、所述级联h桥模块用于对所述第一电压进行隔离升压以输出第二电压；

65、所述后级滤波模块用于对所述第二电压进行滤波以向外部直流母线输出电源电压；

66、所述整流滤波模块用于对所述级联h桥模块进行电压采样，得到第三电压；

67、所述采样模块用于对所述第三电压和外部直流母线的母线电压进行采样耦合，得到耦合电压；

68、所述负反馈误差放大模块用于将所述耦合电压与预设基准电压进行比较，进而基于比较结果产生负反馈电压；

69、所述隔离模块用于将所述负反馈电压转化为负反馈控制信号；

70、所述pwm控制模块用于根据所述负反馈控制信号，控制所述前级稳压模块对外部输入电压进行稳压调控，进而控制所述第一电压的大小。

71、在该实现方式中，多个h桥级联拓扑控制电路的输出电源电压并联输出至同一直流母线，提高直流母线输出电流的能力。

72、上述h桥级联拓扑控制电路，通过整流滤波模块采集得到平滑的级联h桥第三电压，进而通过采样模块对第三电压和外部直流母线的母线电压进行采样耦合后，得到耦合电压并传输至负反馈误差放大模块与基准电压进行对比。因此，即便采样模块接收到过高的母线电压，使得耦合电压超过基准电压，令负反馈电压降低，导致pwm控制模块降低所述第一电压的大小，该h桥级联拓扑控制电路中的第三电压也会随着第一电压的下降而下降，从而负反馈调节耦合电压下降，进而使耦合电压再次与基准电压相等，中止pwm控制模块对第一电压的下降调节。

73、通过上述控制过程，即便母线电压将被钳位至所有并联h桥级联拓扑控制电路中输出电压最高的那一台的电压值，在母线电压过高的情况下，每个h桥级联拓扑控制电路也能完成输出电源电压的闭环控制，解决了h桥级联电源的并联运行因个体差异导致的均流失败乃至部分电源失效的问题，避免输出电源电压错误下降至零伏，显著提升了h桥级联电源的并联运行时的稳定性。

74、进一步地，所述前级稳压模块包括第一电感、第一电容、第一nmos管、第二nmos管、第二电感和第二电容；其中：

75、所述第一电感的第一端用于接收所述外部输入电压的正输入，所述第一电感的第二端与所述第一电容的第一端电连接；所述第一电容的第二端用于接收所述外部输入电压的负输入；

76、所述第一nmos管的漏极与所述第一电容的第一端电连接，所述第一nmos管的栅极与所述pwm控制模块的pwm输出端电连接，所述第一nmos管的源极与所述第二nmos管的漏极电连接；所述第二nmos管的栅极与所述pwm控制模块的pwm输出端电连接，所述第二nmos管的源极与所述第一电容的第二端电连接；

77、所述第二电感的第一端与所述第二nmos管的漏极电连接，所述第二电感的第二端与所述级联h桥模块的正输入端电连接；

78、所述第二电容的第一端与所述第二电感的第二端电连接，所述第二电容的第二端与所述第二nmos管的源极电连接，所述第二电容的第二端与所述级联h桥模块的负输入端电连接。