一种高电压输入低电压输出的DC-DC辅助电源论文和设计-孙俊山

全文摘要

本实用新型公开了一种高电压输入低电压输出的DC‑DC辅助电源，包括升压控制芯片和转换型继电器，所述升压控制芯片的电源端连接有上电MOS管，所述上电MOS管栅极连接有控制信号线，所述升压控制芯片的十四引脚连接有晶体管，所述晶体管的发射极分别连接有第一电阻和第二电阻，所述第二电阻的并接支路上反馈连接到升压控制芯片控制端，所述升压控制芯片输出端通过PWM波连接有场效应管，所述场效应管的漏极与转换型继电器相连接，所述转换型继电器的输出端通过第三二极管连接有储能电感，具有电路结构简单、控制简便、适合多路输出等优点，其可靠性相对较高，对电源的输入输出电压进行实时采样，不仅可以进行反馈调节，而且保证了电源稳定安全的运行。

主设计要求

1.一种高电压输入低电压输出的DC-DC辅助电源，包括升压控制芯片(U1)和转换型继电器(RZ)，其特征在于：所述升压控制芯片(U1)的电源端连接有上电MOS管(M00)，所述上电MOS管(M00)栅极连接有控制信号线(Control_0)，所述上电MOS管(M00)的源极通过第一电容(C1)直接接地，所述升压控制芯片(U1)的第一引脚通过第一二极管(D1)分别连接有第二电容(C2)和第一定时容阻(R01)，所述第一定时容阻(R01)的两端并接有第二二极管(D2)，所述第一定时容阻(R01)的另一端支路上串接有第二定时容阻(R02)，所述第二定时容阻(R02)的另一端通过第三电容(C3)与升压控制芯片(U1)相连接，所述升压控制芯片(U1)的十四引脚连接有晶体管(Q1)，所述晶体管(Q1)的基极与第二定时容阻(R02)相连接，所述晶体管(Q1)的发射极分别连接有第一电阻(R1)和第二电阻(R2)，所述第二电阻(R2)的两端还并接有第三电阻(R3)和第四电容(C4)，所述第三电阻(R3)和第四电容(C4)之间串联连接，所述第二电阻(R2)的并接支路上反馈连接到升压控制芯片(U1)控制端；所述升压控制芯片(U1)输出端通过PWM波连接有场效应管(M1)，所述场效应管(M1)的漏极与转换型继电器(RZ)相连接，所述转换型继电器(RZ)的输出端通过第三二极管(D3)连接有储能电感(L01)，所述储能电感(L01)的另一端连接有第一主开关管(S_Q1)，所述第一主开关管(S_Q1)的漏极和源极之间还并接有第四二极管(D4)，所述第一主开关管(S_Q1)的栅极连接有第一调压电阻(R_1)，所述第一调压电阻(R_1)的另一端通过第二调压电阻(R_2)与第一主开关管(S_Q1)的源极相连接。

设计方案

所述升压控制芯片(U1)输出端通过PWM波连接有场效应管(M1)，所述场效应管(M1)的漏极与转换型继电器(RZ)相连接，所述转换型继电器(RZ)的输出端通过第三二极管(D3)连接有储能电感(L01)，所述储能电感(L01)的另一端连接有第一主开关管(S_Q1)，所述第一主开关管(S_Q1)的漏极和源极之间还并接有第四二极管(D4)，所述第一主开关管(S_Q1)的栅极连接有第一调压电阻(R_1)，所述第一调压电阻(R_1)的另一端通过第二调压电阻(R_2)与第一主开关管(S_Q1)的源极相连接。

2.根据权利要求1所述的一种高电压输入低电压输出的DC-DC辅助电源，其特征在于：所述储能电感(L01)的并接支路上连接有第五二极管(D5)，所述第五二极管(D5)的另一端连接有第一缓冲电容(C11)，所述第一缓冲电容(C11)的另一端直接接地，所述第一缓冲电容(C11)的两端还并接有第二主开关管(S_Q2)和第三主开关管(S_Q3)，所述第二主开关管(S_Q2)和第三主开关管(S_Q3)之间设置为串联连接，所述第二主开关管(S_Q2)和第三主开关管(S_Q3)的两端还并接有第四主开关管(S_Q4)和第五主开关管(S_Q5)，所述第四主开关管(S_Q4)和第五主开关管(S_Q5)之间设置为串联连接。

3.根据权利要求2所述的一种高电压输入低电压输出的DC-DC辅助电源，其特征在于：所述第二主开关管(S_Q2)、第三主开关管(S_Q3)、第四主开关管(S_Q4)和第五主开关管(S_Q5)的源极和漏极之间均并接有导通二极管(DQ0)，所述导通二极管(DQ0)的两端还并接有缓冲电容(CQ0)。

4.根据权利要求2所述的一种高电压输入低电压输出的DC-DC辅助电源，其特征在于：所述第二主开关管(S_Q2)和第三主开关管(S_Q3)之间的连接节点导线(S_OO)通过电感(L1)与第四主开关管(S_Q4)和第五主开关管(S_Q5)连接节点导线相连接，两个所述连接节点导线(S_OO)之间分别并接有第一储能缓冲电容(C_1)、第二储能缓冲电容(C_2)和第三储能缓冲电容(C_3)。

5.根据权利要求1所述的一种高电压输入低电压输出的DC-DC辅助电源，其特征在于：所述场效应管(M1)的栅极和源极之间还设置有第四电阻(R4)，所述场效应管(M1)的漏极连接有电源(VCC)。

6.根据权利要求1所述的一种高电压输入低电压输出的DC-DC辅助电源，其特征在于：所述升压控制芯片(U1)的第三引脚还通过第五电阻(R5)连接有电压跟随器(A1)，所述电压跟随器(A1)的同相输入端连接有误差放大器(A2)，所述电压跟随器(A1)的反向输入端与其输出端相连接，所述误差放大器(A2)的同相输入端分别连接有第五电容(C5)、第一电压采样电阻(RV1)和第二电压采样电阻(RV2)，所述第五电容(C5)和第一电压采样电阻(RV1)之间设置为并联连接，所述误差放大器(A2)的反向输入端通过第六电阻(R6)直接接地，所述误差放大器(A2)的反向输入端还分别并联连接有反馈电阻(ROF)和滤波电容(C0R)，所述反馈电阻(ROF)和滤波电容(C0R)的并接支路反馈连接到电压跟随器(A1)的同相输入端。

7.根据权利要求1所述的一种高电压输入低电压输出的DC-DC辅助电源，其特征在于：所述升压控制芯片(U1)的第八引脚还分别连接有第六电容(C6)和第七电阻(R7)，所述第七电阻(R7)的另一端并接有电流采样电阻(RA1)，所述第七电阻(R7)的并接支路与第二电阻(R2)的并接支路相连接。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及DC-DC辅助电源领域，具体为一种高电压输入低电压输出的DC-DC辅助电源。

背景技术

由于电动汽车正处于逐步替代燃油汽车的发展阶段，所以，相对于电动汽车起步阶段，对其性能的要求也变得越来越高。不仅要求辅助电源的可靠性要满足长时间行车的需求，而且对电源体积、精度以及效率的要求也更高。所以，在电动汽车的DC-DC及DC-AC变换器发展成熟以后，世界范围内相关研发人员的目标就转到了研究高效率、高性能的变换器。提高效率的途径也就是要降低变换器中的损耗，一方面，研发损耗更低的电力电子元器件对降低器件损耗有很大的帮助；另一方面，选择适合的电路拓扑结构也可以很大程度地减小电路中的损耗。

例如，申请号为201410257961.0，专利名称为超宽电压输入范围AC\/DC-DC 自适应仪用开关电源的发明专利：

其升压变换电路和反激变换电路组成两级式级联电路，能够使自动化仪表自动适应85～265V交流和18～100V直流电源供电。

但是，现有的高电压输入低电压输出的DC-DC辅助电源存在以下缺陷：

(1)目前的辅助子系统中，每一个用电设备都有自己的额定电压和额定电流，如果这些用电设备一直处于非额定电压和非额定电流下工作的话，便会大大损耗这些设备的寿命，而且也有可能会直接导致这些设备的损坏；

(2)目前用于DC-DC辅助电源的设备内部，基本上都是前级采用升压电路、后级采用逆变电路，缺点是上下管子均压难度较大，容易造成某个管子过热爆炸的问题，其次半桥逆变电路有对电源的利用率低，该电路只适用于输入电压较高的场合。

发明内容

为了克服现有技术方案的不足，本实用新型提供一种高电压输入低电压输出的DC-DC辅助电源，具有电路结构简单、所用器件较少、控制简便、利用率高、使用寿命长等优点，能有效的解决背景技术提出的问题。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种高电压输入低电压输出的DC-DC辅助电源，包括升压控制芯片和转换型继电器，所述升压控制芯片的电源端连接有上电MOS管，所述上电MOS 管栅极连接有控制信号线，所述上电MOS管的源极通过第一电容直接接地，所述升压控制芯片的第一引脚通过第一二极管分别连接有第二电容和第一定时容阻，所述第一定时容阻的两端并接有第二二极管，所述第一定时容阻的另一端支路上串接有第二定时容阻，所述第二定时容阻的另一端通过第三电容与升压控制芯片相连接，所述升压控制芯片的十四引脚连接有晶体管，所述晶体管的基极与第二定时容阻相连接，所述晶体管的发射极分别连接有第一电阻和第二电阻，所述第二电阻的两端还并接有第三电阻和第四电容，所述第三电阻和第四电容之间串联连接，所述第二电阻的并接支路上反馈连接到升压控制芯片控制端；

所述升压控制芯片输出端通过PWM波连接有场效应管，所述场效应管的漏极与转换型继电器相连接，所述转换型继电器的输出端通过第三二极管连接有储能电感，所述储能电感的另一端连接有第一主开关管，所述第一主开关管的漏极和源极之间还并接有第四二极管，所述第一主开关管的栅极连接有第一调压电阻，所述第一调压电阻的另一端通过第二调压电阻与第一主开关管的源极相连接。

进一步地，所述储能电感的并接支路上连接有第五二极管，所述第五二极管的另一端连接有第一缓冲电容，所述第一缓冲电容的另一端直接接地，所述第一缓冲电容的两端还并接有第二主开关管和第三主开关管，所述第二主开关管和第三主开关管之间设置为串联连接，所述第二主开关管和第三主开关管的两端还并接有第四主开关管和第五主开关管，所述第四主开关管和第五主开关管之间设置为串联连接。

进一步地，所述第二主开关管、第三主开关管、第四主开关管和第五主开关管的源极和漏极之间均并接有导通二极管，所述导通二极管的两端还并接有缓冲电容。

进一步地，所述第二主开关管和第三主开关管之间的连接节点导线通过电感与第四主开关管和第五主开关管连接节点导线相连接，两个所述连接节点导线之间分别并接有第一储能缓冲电容、第二储能缓冲电容和第三储能缓冲电容。

进一步地，所述场效应管的栅极和源极之间还设置有第四电阻，所述场效应管的漏极连接有电源。

进一步地，所述升压控制芯片的第三引脚还通过第五电阻连接有电压跟随器，所述电压跟随器的同相输入端连接有误差放大器，所述电压跟随器的反向输入端与其输出端相连接，所述误差放大器的同相输入端分别连接有第五电容、第一电压采样电阻和第二电压采样电阻，所述第五电容和第一电压采样电阻之间设置为并联连接，所述误差放大器的反向输入端通过第六电阻直接接地，所述误差放大器的反向输入端还分别并联连接有反馈电阻和滤波电容，所述反馈电阻和滤波电容的并接支路反馈连接到电压跟随器的同相输入端。

进一步地，所述升压控制芯片的第八引脚还分别连接有第六电容和第七电阻，所述第七电阻的另一端并接有电流采样电阻，所述第七电阻的并接支路与第二电阻的并接支路相连接。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

(1)本实用新型的高电压输入低电压输出的DC-DC辅助电源，将蓄电池输入电压转换为电路板内芯片所需的工作电压，使得DC-DC电路的电路结构简单、所用器件较少、控制简便、适合多路输出等优点，相比桥式变换器，其开关管只有一个，不会出现多个开关管共同导通的问题；并且关键器件较少，其可靠性相对较高，不会造成很大的损耗；

(2)本实用新型的高电压输入低电压输出的DC-DC辅助电源，对电源的输入输出电压进行实时采样，不仅可以进行反馈调节，而且保证了电源稳定安全的运行，当过压或者欠压时可以及时采取措施，保证了人员安全。

附图说明

图1为本实用新型的升降压电路控制电路图；

图2为本实用新型的DC-DC变换器主电路图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1和图2所示，本实用新型提供了一种高电压输入低电压输出的 DC-DC辅助电源，包括升压控制芯片U1和转换型继电器RZ，所述升压控制芯片U1的电源端连接有上电MOS管M00，所述上电MOS管M00栅极连接有控制信号线Control_0，所述上电MOS管M00的源极通过第一电容C1直接接地，所述升压控制芯片U1的第一引脚通过第一二极管D1分别连接有第二电容C2 和第一定时容阻R01，所述第一定时容阻R01的两端并接有第二二极管D2，所述第一定时容阻R01的另一端支路上串接有第二定时容阻R02，所述第二定时容阻R02的另一端通过第三电容C3与升压控制芯片U1相连接，所述升压控制芯片U1的十四引脚连接有晶体管Q1，所述晶体管Q1的基极与第二定时容阻R02相连接，所述晶体管Q1的发射极分别连接有第一电阻R1和第二电阻R2，所述第二电阻R2的两端还并接有第三电阻R3和第四电容C4，所述第三电阻R3和第四电容C4之间串联连接，所述第二电阻R2的并接支路上反馈连接到升压控制芯片U1控制端；

本实施例中，采用UC3843D作为升压控制芯片U1。

本实施例中，第一二极管D1需要承受的反向电压等于输出电压，并且由于储能电感的存在，流过储能电感的电流不能突变，所以在MOS管关闭时，第一二极管D1流过的峰值电流等于MOS管流过的峰值电流。

所述升压控制芯片U1输出端通过PWM波连接有场效应管M1，所述场效应管M1的漏极与转换型继电器RZ相连接，所述场效应管M1的栅极和源极之间还设置有第四电阻R4，所述场效应管M1的漏极连接有电源VCC，所述转换型继电器RZ的输出端通过第三二极管D3连接有储能电感L01，所述储能电感 L01的另一端连接有第一主开关管S_Q1，所述第一主开关管S_Q1的漏极和源极之间还并接有第四二极管D4，所述第一主开关管S_Q1的栅极连接有第一调压电阻R_1，所述第一调压电阻R_1的另一端通过第二调压电阻R_2与第一主开关管S_Q1的源极相连接。

本实施例中，场效应管M1采用C2M0080120D作为主功率MOS管，它的参数如下：漏源电压U_{DS<\/sub>＝1200V，最大漏源电流I_{D<\/sub>＝36，通态电阻R_{DS<\/sub>＝ 83mΩ，漏源寄生电容C _{oss<\/sub>＝80PF，开通时间T_{ON<\/sub>＝20ns，关断时间T_{OFF<\/sub>＝ 19ns。}}}}}}

本实施例中，输入电压控制电路通过三触点转换型(Z型)继电器来达到控制蓄电池输入的作用，转换型继电器RZ的控制端口接在高边驱动的场效应管 M1的S极，输入端口1接在蓄电池滤波后的正极Vin+，输出端口1接在前级 Boost电路的正输入端V_BOOST，输出端口2接在后级全桥逆变电路的正输入端V_FBIC。

本实施例中，当外部控制器通过蓄电池输入电压采样电路检测到输入电压低于350V时，控制场效应管M1打开，将转换型继电器RZ触头吸合在输出端口1，并且给Boost电路的UC3843D型号的升压控制芯片U1上电，激活Boost 电路；当检测的输入电压高于360V时不动作，此时转换型继电器RZ触头置位在输出端口2，Boost电路不工作，在实际的设计中，考虑到电压采样电路的误差，防止在350V以下时误检测，导致Boost电路不工作，所以将控制门限阀值选为360V，当输入电压为350V～360V时蓄电池接在Boost电路的输入端，但是Boost电路主开关管常闭，不进行升压。

本实施例中，转换型继电器RZ选择为三触点式转换型(Z型)继电器 HJR-21FF-S-Z-12VDC，内部自带过流保护。

所述储能电感L01的并接支路上连接有第五二极管D5，所述第五二极管 D5的另一端连接有第一缓冲电容C11，所述第一缓冲电容C11的另一端直接接地，所述第一缓冲电容C11的两端还并接有第二主开关管S_Q2和第三主开关管S_Q3，所述第二主开关管S_Q2和第三主开关管S_Q3之间设置为串联连接，所述第二主开关管S_Q2和第三主开关管S_Q3的两端还并接有第四主开关管S_Q4和第五主开关管S_Q5，所述第四主开关管S_Q4和第五主开关管S_Q5 之间设置为串联连接，所述第二主开关管S_Q2、第三主开关管S_Q3、第四主开关管S_Q4和第五主开关管S_Q5的源极和漏极之间均并接有导通二极管DQ0，所述导通二极管DQ0的两端还并接有缓冲电容CQ0。

本实施例中，储能电感L01的作用是随着开关管的导通与关断来储存和释放能量，电感量设计通常满足电流连续模式以及电路中输入电流纹波要求即可，从而降低了控制难度。

本实施例中，储能电感L01选择铁硅铝磁环，10AWG型号的导线30股并绕，绕制16匝制作而成。

所述第二主开关管S_Q2和第三主开关管S_Q3之间的连接节点导线S_OO 通过电感L1与第四主开关管S_Q4和第五主开关管S_Q5连接节点导线相连接，两个所述连接节点导线S_OO之间分别并接有第一储能缓冲电容C_1、第二储能缓冲电容C_2和第三储能缓冲电容C_3。

本实施例中，第二主开关管S_Q2、第三主开关管S_Q3、第四主开关管S_Q4 和第五主开关管S_Q5均采用碳化硅功率MOS管SCT3022AL做为主开关管，其中参数设置为：漏源电压U _{DS<\/sub>＝650V，通态电阻R_{DS<\/sub>＝22mΩ，最大漏源电流 I _{D<\/sub>＝95A，开通时间T_{ON<\/sub>＝53ns，关断时间T_{OFF<\/sub>＝35ns。}}}}}

所述升压控制芯片U1的第三引脚还通过第五电阻R5连接有电压跟随器 A1，所述电压跟随器A1的同相输入端连接有误差放大器A2，所述电压跟随器 A1的反向输入端与其输出端相连接，所述误差放大器A2的同相输入端分别连接有第五电容C5、第一电压采样电阻RV1和第二电压采样电阻RV2，所述第五电容C5和第一电压采样电阻RV1之间设置为并联连接，所述误差放大器A2 的反向输入端通过第六电阻R6直接接地，所述误差放大器A2的反向输入端还分别并联连接有反馈电阻ROF和滤波电容C0R，所述反馈电阻ROF和滤波电容C0R的并接支路反馈连接到电压跟随器A1的同相输入端，所述升压控制芯片U1的第八引脚还分别连接有第六电容C6和第七电阻R7，所述第七电阻R7 的另一端并接有电流采样电阻RA1，所述第七电阻R7的并接支路与第二电阻 R2的并接支路相连接。

本实施例中，第六电容C6、第七电阻R7以及第六电阻R6主要改变控制脉冲的后沿陡度和防止震荡，减小集电极的电压尖峰。

本实施例中，升压控制芯片U1开始工作时，首先需要在12脚(VCC)和8 脚(GND)加工作电压，当VCC超过门限电压8.5V时升压控制芯片U1开始工作，误差放大器A2输出的门限电压为2.5V，当反馈电压大于2.5V时，输出脉宽减小，输出电压减小；当反馈电压小于2.5V时，输出脉宽增加，输出电压增加；电流采样电阻RA1上的门限电压为1V，当电流采样电压大于1V时输出脉宽减小，输出电压减小；当电流采样电压小于1V时，输出脉宽增加，输出电压增加，14脚(VREF)输出参考电压5V，同时，7脚(RCT)和14脚(VREF)之间的定时电阻和电容确定芯片的工作频率，芯片工作频率最大可设定为500kHz，经过内部比较，10脚(OUTPUT)输出确定频率的PWM信号，当VCC低于门限电压7.6V时，14脚(VREF)不输出电压，所以振荡器停振，芯片内部不工作，这时10脚(OUTPUT)不输出波形，开关管截至。

本实施例中，将蓄电池输入电压转换为电路板内芯片所需的工作电压，使得DC-DC电路的电路结构简单、所用器件较少、控制简便、适合多路输出等优点，相比桥式变换器，其开关管只有一个，不会出现多个开关管共同导通的问题；并且关键器件较少，其可靠性相对较高，不会造成很大的损耗，同时，对电源的输入输出电压进行实时采样，不仅可以进行反馈调节，而且保证了电源稳定安全的运行，当过压或者欠压时可以及时采取措施，保证了人员安全。

对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

设计图

一种高电压输入低电压输出的DC-DC辅助电源论文和设计

一种高电压输入低电压输出的DC-DC辅助电源论文和设计-孙俊山

全文摘要

主设计要求

设计方案

设计说明书

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