一种高压开关变换电路的制作方法

1.本发明涉及高压开关变换电路技术领域，特别是涉及一种高压开关变换电路。


背景技术：

2.继电保护试验仪需要输出120v的交流电压波形，因此设备内部必须具备 -200v的直流电压源(120v交流峰值约为170v，考虑功率器件压降，功率放大器供电电源应大于190v，因此电压功率放大器选用 -200v供电)。
3.一般提供电压功率放大器供电电源的为两组首尾串联的开关变换器，其接线方式如附图所示。
4.目前继电保护试验仪设备内部电压功率放大器供电有采用传统工频变压器的，也有采用开关变换器的。工频变压器体积大，重量重，采用该方案的设备往往设备重量重，不便于携带，不满足设备小型化，轻量化的趋势。开关电源变换器体积小，重量轻，便于集成安装，是继电保护试验仪内部供电方案的首选。
5.200v输出高压开关电源变换器一般设计思路是从市电取电(220v交流)，然后经交流/直流(ac/dc)隔离开关变换器输出，也有从pfc(功率因数校正电路)电路输出取400v供电进行直流/直流(dc/dc)隔离开关变换器输出的。
6.以上两种方案中无论是开关电源初级还是次级，都是高压回路，因此滤波电容、功率元件体积都较大，而且为了满足继电保护测试仪特殊的低纹波噪声的要求，电源总接地电容(总y电容)一般都会超出按规要求，造成市电供电回路漏电流偏大。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于，提出一种高压开关变换电路，解决现有开关方案不利于设备轻量化、小型化，且总接地电容容易超出安规要求的技术问题。
8.一方面，提供一种高压开关变换电路，包括：
9.输入滤波电路、开关变压器、开关管及吸收电路、pwm控制器、光耦电路、反馈电路及辅助电源；
10.所述输入滤波电路的输入端连接直流电源，所述输入滤波电路的输出端连接所述开关变压器的输入端，所述开关变压器的输出端分别连接所述辅助电源和所述反馈电路的输入端，所述反馈电路的输出端连接所述光耦电路的输入端，所述光耦电路的输出端连接所述pwm控制器的输入端，所述pwm控制器的输出端连接所述开关管及吸收电路的输入端，所述开关管及吸收电路的输出端连接所述开关变压器的输入端；所述输入滤波电路，用以对输入的直流电进行滤波处理；
11.所述开关变压器，用以对输入的直流电进行变压处理后，输出200v电压和输出辅助电压；
12.所述开关管及吸收电路，用以电流值或电压值超过预设的安全阈值时，进行关断或抑制；
13.所述光耦电路，用以构成开关变换电路的主反馈回路，维持输出电压稳定；
14.所述反馈电路，用以构成开关变换电路的主反馈回路，维持输出电压稳定；
15.所述pwm控制器，用以调节所述主反馈回路内的电信号进行调节；
16.所述辅助电源，用以通过输入的辅助电压为所述反馈电路提供电源。
17.优选地，还包括：
18.电流采样电路、保护电路，
19.所述电流采样电路的输入端连接所述开关变压器输出端，所述保护电路的输入端分别连接所述开关变压器的输出端和所述电流采样电路的输出端，所述保护电路的输出端连接所述光耦电路的输入端；
20.所述电流采样电路，用以采集电流值；
21.所述保护电路，用以当输入的电流值或电压值超过预设的安全阈值时，进行关断处理。
22.优选地，所述输入滤波电路具体包括：
23.与直流电源两端分别连接的电容c1，所述电容c1的一端还连接所述电容c2、电感l1的1脚，所述电容c1的另一端还连接所述电容c3、电感l1的2脚，所述电容c2的另一端、所述电容c3的另一端连接接地点，所述电感l1的4脚连接电容c6、电容c9及保险f1，所述电感l1的3脚连接电容c7、所述电容c9的另一端、电容c11及电容c12及参考地点，所述电容c6的另一端、所述电容c7的另一端连接参考地点，所述保险f1的另一端连接所述电容c11的另一端、所述电容c12的另一端及所述开关变压器的输入端。
24.优选地，所述开关变压器具体包括：
25.开关变压器t1，所述开关变压器t1的1脚连接所述输入滤波电路的输出端；
26.所述开关变压器t1的12脚连接电容c19、二极管d5，所述电容c19的另一端连接电阻r18，所述电阻r18的另一端连接所述二极管d5的另一端、所述开关变压器的输出端，所述开关变压器t1的4脚连接参考地点。
27.优选地，所述反馈电路具体包括：
28.与所述电阻r18的另一端、所述二极管d5的另一端连接的电阻r20，所述电阻r20的另一端连接电阻r21，所述电阻r21连接电位器vr1，所述电位器vr1另一端连接电阻r22、电容c25、电阻r19及基准源u4的第一端，所述电阻r19的另一端连接电容c23，所述电容c23的另一端连接所述电容c25另一端及所述基准源u4的第二端、光藕u2的3脚及电阻r16，所述电阻r16的另一端连接电容c21，所述电阻r22另一端、所述电容c21另一端及所述基准源u4的第三端连接参考地点。
29.优选地，所述光耦电路具体包括：
30.光藕u2，所述光藕u2的4脚分别连接电阻r15、电阻r14，所述电阻r14的另一端连接电阻r12、电容c17，所述电阻r12的另一端、所述电容c17的另一端连接光藕u3的6脚，所述电阻r15的另一端、所述光藕u3的4脚连接输出地点，所述输出地点与所述参考地点之间设置电容c18。
31.优选地，所述pwm控制器具体包括：
32.芯片u1，所述芯片u1的7脚连接电容c10、电阻r4、电容c14、电容c16，电阻r10，所述电阻r4的另一端连接所述电阻r3，所述电阻r3的另一端连接所述开关变压器的输入端，电
阻r10的另一端连接二极管d2，所述二极管d2的另一端连接所述开关变压器t1的6脚；
33.所述芯片u1的8脚连接电阻r2、三级管q1的第一端及电容c4，所述电阻r2的另一端连接所述芯片u1的4脚、电容c8及所述三级管q1的第二端，所述三级管q1的第三端连接电容c5，所述电容c5连接电阻r1，所述电阻r1的另一端连接所述芯片u1的1脚、所述电阻r12的另一端、所述电容c17的另一端及所述光藕u3的6脚；
34.所述芯片u1的5脚、所述电容c8的另一端、所述电容c4的另一端，所述电容c14的另一端、所述电容c16的另一端及所述电容c10的另一端连接参考地点；
35.所述芯片u1的2脚连接所述电阻r12、所述电容c17及所述电阻r14。
36.优选地，所述开关管及吸收电路具体包括：
37.开关管q2，所述开关管q2的漏极连接所述开关变压器t1的3脚、二极管d3，所述二极管d3的另一端连接电阻r5、电阻r9及电容c13，所述电阻r5的另一端、所述电阻r9的另一端及电容c13的另一端连接所述开关变压器t1的1脚；
38.所述开关管q2的栅极连接电阻r7、二极管d1，所述电阻r7的另一端连接电阻r6、所述芯片u1的6脚，所述电阻r6的另一端连接所述二极管d1的另一端；
39.所述开关管q2的源极连接电阻r13、电阻r11，所述电阻r11的另一端连接电阻r8，所述电阻r8的另一端连接电容c15、所述芯片u1的3脚，所述电容c15的另一端和所述电阻r13的另一端连接参考地点。
40.优选地，所述辅助电源具体包括：
41.与所述开关变压器t1的7脚连接的二极管d4，所述二极管d4的另一端连接电容c20、电容c24及稳压芯片u5的3脚，所述开关变压器t1的9脚连接所述电容c20的另一端、所述电容c24的另一端及所述稳压芯片u5的2脚，所述稳压芯片u5的1脚连接电容c29、电容c30、电容c33、所述电阻r16及所述电容c21，所述电容c29的另一端、电容c30的另一端及所述电容c33的另一端连接参考地点。
42.优选地，还包括：
43.所述电流采样电路具体包括电阻r23、电阻r24、电阻r25和电容c32，所述电阻r23一端连接所述开关变压器输出端，所述电阻r23另一端连接所述电阻r24，所述电阻r24另一端连接电阻r25、电容c32，所述电阻r25另一端、所述电容c32另一端连接参考地点；
44.所述保护电路具体包括比较器u6a、比较器u6b，所述比较器u6a的负输入端连接所述电阻r25、电容c26及所述电容c32，所述比较器u6a的输出端连接所述比较器u6b的输出端及所述电容c26另一端；
45.所述比较器u6a的比较电压输入端和所述比较器u6b的比较电压输入端连接电阻r30、所述稳压芯片u5的1脚，所述电阻r30另一端连接基准源u7的第一端、电阻r28及所述比较器u6a的正输入端，所述基准源u7的第二端连接电容c37，所述基准源u7的第三端连接所述电容c37另一端、参考地点，所述电阻r28另一端连接所述比较器u6b的正输入端、电阻r29及电容c36，所述电阻r29另一端、所述电容c36另一端连接参考地点；
46.所述比较器u6b的负输入端连接电容c27、电阻r26，所述电容c27另一端连接所述比较器u6b的输出端、所述光藕u3的3脚，所述电阻r26另一端连接电容c35、二极管d7、二极管d6、电阻r27，所述电容c35另一端、所述二极管d7另一端、所述二极管d6另一端及所述电阻r27另一端连接电容c28、电容c31、电容c34及参考地点，所述电容c28另一端、所述电容
c31另一端、所述电容c34另一端连接所述开关变压器的输出端。
47.综上，实施本发明的实施例，具有如下的有益效果：
48.本发明提供的高压开关变换电路，开关电源初级没有高压元件，有利于开关电源整体体积缩小；开关电源取电为低压供电，不存在系统y电容大小限制，有利于电源输出纹波优化。采用大于50％占空比pwm驱动设计，开关变压器主绕组变比较小；有利于开关变压器小型化。
附图说明
49.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，根据这些附图获得其他的附图仍属于本发明的范畴。
50.图1为本发明实施例中一种高压开关变换电路的示意图。
51.图2为本发明实施例中一种高压开关变换电路图。
具体实施方式
52.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
53.如图1所示，为本发明提供的一种高压开关变换电路的一个实施例的示意图。在该实施例中，包括：
54.输入滤波电路101、开关变压器102、开关管及吸收电路103、pwm控制器104、光耦电路105、反馈电路106及辅助电源108；所述输入滤波电路101的输入端连接直流电源，所述输入滤波电路101的输出端连接所述开关变压器102的输入端，所述开关变压器102的输出端分别连接所述辅助电源108和所述反馈电路106的输入端，所述反馈电路106的输出端连接所述光耦电路105的输入端，所述光耦电路105的输出端连接所述pwm控制器104的输入端，所述pwm控制器104的输出端连接所述开关管及吸收电路103的输入端，所述开关管及吸收电路103的输出端连接所述开关变压器102的输入端；所述输入滤波电路101，用以对输入的直流电进行滤波处理；所述开关变压器102，用以对输入的直流电进行变压处理后，输出200v电压和输出辅助电压；所述开关管及吸收电路103，用以电流值或电压值超过预设的安全阈值时，进行关断或抑制；所述光耦电路105，用以构成开关变换电路的主反馈回路，维持输出电压稳定；所述反馈电路106，用以构成开关变换电路的主反馈回路，维持输出电压稳定；所述pwm控制器104，用以调节所述主反馈回路内的电信号进行调节；所述辅助电源108，用以通过输入的辅助电压为所述反馈电路106提供电源。
55.还包括：电流采样电路109、保护电路107，所述电流采样电路109的输入端连接所述开关变压器102输出端，所述保护电路107的输入端分别连接所述开关变压器102的输出端和所述电流采样电路109的输出端，所述保护电路107的输出端连接所述光耦电路105的输入端；所述电流采样电路109，用以采集电流值；所述保护电路107，用以当输入的电流值或电压值超过预设的安全阈值时，进行关断处理。
56.也就是，20-40v直流电源输入所述输入滤波电路101，然后连接到开关变压器102；
pwm控制器104驱动开关管及吸收电路103。开关变压器102次级有两组绕组，一组主绕组经整流滤波以及电流采样电路109后输出200v电压，另外一组作为辅助电源108为次级的反馈电路106以及对过压、过流进行保护的保护电路107提供电源。反馈电路106和光藕电路105构成开关变换电路的主反馈回路，用于维持输出电压稳定；过压、过流保护电路107和光藕电路105构成保护电路，保证在意外情况下电源安全关断而不是烧毁。
57.本实施例中，如图2所示，所述输入滤波电路101具体包括：与直流电源两端分别连接的电容c1，所述电容c1的一端还连接所述电容c2、电感l1的1脚，所述电容c1的另一端还连接所述电容c3、电感l1的2脚，所述电容c2的另一端、所述电容c3的另一端连接接地点，所述电感l1的4脚连接电容c6、电容c9及保险f1，所述电感l1的3脚连接电容c7、所述电容c9的另一端、电容c11及电容c12及参考地点，所述电容c6的另一端、所述电容c7的另一端连接参考地点，所述保险f1的另一端连接所述电容c11的另一端、所述电容c12的另一端及所述开关变压器102的输入端。可理解的，20v-40v电源输入经由电容c1，安规电容c2、c3，共模电感l1，安规电容c6、c7，电容c9组成的emc网络后，通过保险f1提供初级过流保护，经主滤波电容c11，以及滤波电容c12滤波后输出的m_input 连接到开关变压器t1的初级主绕组1脚。
58.本实施例中，如图2所示，所述开关变压器102具体包括：开关变压器t1，所述开关变压器t1的1脚连接所述输入滤波电路101的输出端；所述开关变压器t1的12脚连接电容c19、二极管d5，所述电容c19的另一端连接电阻r18，所述电阻r18的另一端连接所述二极管d5的另一端、所述开关变压器102的输出端，所述开关变压器t1的4脚连接参考地点。可理解的，开关变压器t1次级主绕组(12-9脚间绕组),经快恢复二极管d50、电容c19、电阻r18后输出(即开关电源主输出回路)。由开关变压器102线圈绕组方向(标记点的为绕组同名端)可见当开关管导通时，开关变压器102储能，次级不输出(由于次级绕组方向与初级主绕组方向相反，再加上二极管阻断)。当开关管关断时，由于开关变压器102失去激励，开始释放能量。该开关电源的驱动波形占空比大于50％，从而造成储能时间比释放能量时间长，因此可用更小的初/次级匝数比在次级产生更高的电压。在高压开关电源中更小的初次级匝比有利变压器设计，从而可以利用较小体积的变压器磁芯来实现开关变压器102设计。
59.本实施例中，如图2所示，所述反馈电路106具体包括：与所述电阻r18的另一端、所述二极管d5的另一端连接的电阻r20，所述电阻r20的另一端连接电阻r21，所述电阻r21连接电位器vr1，所述电位器vr1另一端连接电阻r22、电容c25、电阻r19及基准源u4的第一端，所述电阻r19的另一端连接电容c23，所述电容c23的另一端连接所述电容c25另一端及所述基准源u4的第二端、光藕u2的3脚及电阻r16，所述电阻r16的另一端连接电容c21，所述电阻r22另一端、所述电容c21另一端及所述基准源u4的第三端连接参考地点。可理解的，电阻r20、r21、电位器vr1以及电阻r22组成次级电压采样回路，电容c25、电容c23以及电阻r19组成的二阶滤波网络与基准源u4(型号tl431a)，和光藕u2(型号tl385)以及光藕限流电阻r16，滤波电容c21构成次级电压反馈网络。
60.本实施例中，如图2所示，所述光耦电路105具体包括：光藕u2，所述光藕u2的4脚分别连接电阻r15、电阻r14，所述电阻r14的另一端连接电阻r12、电容c17，所述电阻r12的另一端、所述电容c17的另一端连接光藕u3的6脚，所述电阻r15的另一端、所述光藕u3的4脚连接输出地点，所述输出地点与所述参考地点之间设置电容c18。可理解的，为保证光藕电流传输不受电源影响，在电源初级侧光藕u2供电由pwm芯片基准电压提供供电，经限流电阻
r15后转换成电压输出，该输出信号经电阻r14接入pwm控制芯片u1的电压反馈脚(vfb)。
61.本实施例中，如图2所示，所述pwm控制器104具体包括：
62.芯片u1，所述芯片u1的7脚连接电容c10、电阻r4、电容c14、电容c16，电阻r10，所述电阻r4的另一端连接所述电阻r3，所述电阻r3的另一端连接所述开关变压器102的输入端，电阻r10的另一端连接二极管d2，所述二极管d2的另一端连接所述开关变压器t1的6脚；
63.所述芯片u1的8脚连接电阻r2、三级管q1的第一端及电容c4，所述电阻r2的另一端连接所述芯片u1的4脚、电容c8及所述三级管q1的第二端，所述三级管q1的第三端连接电容c5，所述电容c5连接电阻r1，所述电阻r1的另一端连接所述芯片u1的1脚、所述电阻r12的另一端、所述电容c17的另一端及所述光藕u3的6脚；
64.所述芯片u1的5脚、所述电容c8的另一端、所述电容c4的另一端，所述电容c14的另一端、所述电容c16的另一端及所述电容c10的另一端连接参考地点；
65.所述芯片u1的2脚连接所述电阻r12、所述电容c17及所述电阻r14。
66.可理解的，pwm控制器104芯片u1为主控芯片，外围的电阻r3，r4为启动电阻，提供芯片u1上电初期的工作电压，当开关电源起振后，则由开关变压器t1初级辅助绕组(6-4脚的绕组)以及二极管d2，限流电阻r10，以及滤波电容c14，c16提供工作电源。c10为靠近芯片u1的去藕电容。电阻r2和电容r3为pwm控制器104的定时元件，控制pwm芯片三角波上升和下降时间，一般情况下pwm控制器104三角波波型为上升/下降对称或下降时间大于上升时间。即最终的pwm控制波形占空比小50％，但该电源设计独特之处在于控制pwm三角波上升时间大于下降时间。使得pwm控制波形占空比可大于50％。
67.电容c4为u1芯片内部基准电压vref滤波电容。三级管q1、电容c5以及电阻r1连接到芯片comp引脚，用于微调控制开关管的pwm波形，以降低开关电源整体输出噪声。
68.本实施例中，如图2所示，所述开关管及吸收电路103具体包括：开关管q2，所述开关管q2的漏极连接所述开关变压器t1的3脚、二极管d3，所述二极管d3的另一端连接电阻r5、电阻r9及电容c13，所述电阻r5的另一端、所述电阻r9的另一端及电容c13的另一端连接所述开关变压器t1的1脚；所述开关管q2的栅极连接电阻r7、二极管d1，所述电阻r7的另一端连接电阻r6、所述芯片u1的6脚，所述电阻r6的另一端连接所述二极管d1的另一端；所述开关管q2的源极连接电阻r13、电阻r11，所述电阻r11的另一端连接电阻r8，所述电阻r8的另一端连接电容c15、所述芯片u1的3脚，所述电容c15的另一端和所述电阻r13的另一端连接参考地点。可理解的是，开关管q2的漏极(d)连接到开关变压器t1主绕组3脚。二极管d3、电阻r5、电阻r9以及电容c13构成开关管q2的脉冲吸收电路，用于吸收由于开关变压器102次级反激造成的尖峰脉冲。pwm控制芯片经电阻r7、r6以及二极管d1驱动开关管栅极(g)。开关管源极(s)经采样电阻r13接初级参考地(主滤波电容负极)。采样电阻r13和电阻r8、r11以及电容c15构成pwm控制器104初级电流反馈回路。
69.本实施例中，如图2所示，所述辅助电源108具体包括：与所述开关变压器t1的7脚连接的二极管d4，所述二极管d4的另一端连接电容c20、电容c24及稳压芯片u5的3脚，所述开关变压器t1的9脚连接所述电容c20的另一端、所述电容c24的另一端及所述稳压芯片u5的2脚，所述稳压芯片u5的1脚连接电容c29、电容c30、电容c33、所述电阻r16及所述电容c21，所述电容c29的另一端、电容c30的另一端及所述电容c33的另一端连接参考地点。可理解的，开关变压器t1次级辅助绕组主要提供辅助电源108，由辅助绕组(7-9脚间绕组)、二极
管d4、滤波电容c20、c24以及线形稳压芯片u5(型号ua78l12a)，输出滤波电容c29、c30组成。
70.本实施例中，如图2所示，所述电流采样电路109具体包括电阻r23、电阻r24、电阻r25和电容c32，所述电阻r23一端连接所述开关变压器102输出端，所述电阻r23另一端连接所述电阻r24，所述电阻r24另一端连接电阻r25、电容c32，所述电阻r25另一端、所述电容c32另一端连接参考地点；
71.所述保护电路107具体包括比较器u6a、比较器u6b，所述比较器u6a的负输入端连接所述电阻r25、电容c26及所述电容c32，所述比较器u6a的输出端连接所述比较器u6b的输出端及所述电容c26另一端；
72.所述比较器u6a的比较电压输入端和所述比较器u6b的比较电压输入端连接电阻r30、所述稳压芯片u5的1脚，所述电阻r30另一端连接基准源u7的第一端、电阻r28及所述比较器u6a的正输入端，所述基准源u7的第二端连接电容c37，所述基准源u7的第三端连接所述电容c37另一端、参考地点，所述电阻r28另一端连接所述比较器u6b的正输入端、电阻r29及电容c36，所述电阻r29另一端、所述电容c36另一端连接参考地点；
73.所述比较器u6b的负输入端连接电容c27、电阻r26，所述电容c27另一端连接所述比较器u6b的输出端、所述光藕u3的3脚，所述电阻r26另一端连接电容c35、二极管d7、二极管d6、电阻r27，所述电容c35另一端、所述二极管d7另一端、所述二极管d6另一端及所述电阻r27另一端连接电容c28、电容c31、电容c34及参考地点，所述电容c28另一端、所述电容c31另一端、所述电容c34另一端连接所述开关变压器102的输出端。
74.可理解的，采样电阻r23、r24以及r25和电容c32构成过压保护电路107的电压采样回路，接入比较器u6a负输入端；基准源u7限流电阻r30、电容c37提供比较器u6a的比较电压输入。比较器u6a负输入端和输出端接有电容c26构成有源低通滤波，以增强比较电路的抗干扰。
75.开关电源次级参考地gnd_hs1和输出地(ps1_gnd)间串接有采样电阻r27，反向吸收二极管d6、d7。该电流采样信号经滤波电容c35、电阻r26接入比较器u6b负输入端；比较器正输入端的比较电压由基准源u7经电阻r28、r29分压后获得，c36提供分压后的基准电压滤波。
76.比较器u6a和u6b的输出端连接在一起组成线与(因为两个比较器均是低电平有效，将输出端连在一起，当其中一个处于低电平时，最终输出电平即为低电平)，用于驱动光藕u3；r17构成光藕的限流电阻，c22为电源滤波电容。光藕次级(即开关电源初级侧)连接到pwm(脉宽调制)芯片comp(反馈调整)脚。该pwm控制芯片当comp脚处于低电平时，芯片处于关断状态，从而开关电源也停止工作，以实现保护功能。
77.综上，实施本发明的实施例，具有如下的有益效果：
78.本发明提供的高压开关变换电路，开关电源初级没有高压元件，有利于开关电源整体体积缩小；开关电源取电为低压供电，不存在系统y电容大小限制，有利于电源输出纹波优化。采用大于50％占空比pwm驱动设计，开关变压器主绕组变比较小；有利于开关变压器小型化。
79.以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。