CN115118166A - 一种机载直流电源多路隔离输出变换器及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种机载直流电源多路隔离输出变换器及控制方法，DSP与隔离驱动电路连接，隔离驱动电路与LLC谐振电路连接，LLC谐振电路与变压器的原边绕组连接，每个隔离输出电路包括变压电路和模拟变压控制器，多个隔离输出电路分别与变压器的副边绕组连接，每个隔离输出电路的变压电路和对应的模拟变压控制器连接，每个隔离输出电路的模拟变压控制器与DSP的上下电时序控制信号发送端连接；DSP用于向隔离驱动电路发送定频驱动信号，控制LLC谐振电路的上MOS管和下MOS管的通断；每个隔离输出电路的模拟变压控制器用于根据DSP发送的上下电时序控制信号控制对应的变压电路电压保持恒定。本发明实现了机载直流电源多路隔离独立输出，保证低交叉调整率。
Description
技术领域
本发明属于直流电源技术领域，具体涉及一种机载直流电源多路隔离输出变换器及控制方法。
背景技术
机载直流电源通常具有特殊性，是典型的多路隔离输出的变换器，机载直流电源具有输入电压范围宽、开关频率要求高和多路隔离输出的特点。如某航空直流电源要求输入电压范围200V-400V，额定270V，开关频率大于300kHz，多达10路的输出，效率要求89％以上，要求输入有反接保护，较低的空载和待机电流，输入浪涌抑制，各路输出电压纹波低，能带容性负载启动，具有较低的交叉调整率；输入电压突变时启动特性好，上冲和下跌小于5％，恢复时间小于10ms；输入稳定条件下各路输出电压过冲小于5％；各路输出有上下电时序要求；各路输出有过流和短路保护；各路输出有过压和欠压保护；有过热保护；监测和控制系统风机；具有RS485通讯功能。
传统的输出反馈闭环控制，一般适用于单路输出或者隔离输出路数较少的情况。而针对以上机载直流电源多路隔离输出的场景，现有技术采用输出电压反馈调节隔离主变压器原边的占空比或者频率，保持输出电压稳定。但是对于多路隔离输出的情况，这种控制方式难以实现，且难以保证低的交叉调整率，如果有上电时序要求，则无法满足。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种机载直流电源多路隔离输出变换器及控制方法，实现了机载直流电源多路隔离独立输出，解决了传统机载直流电源多路输出电源的交叉调整率问题。
为了解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案予以实现：
一种机载直流电源多路隔离输出变换器，包括DSP、隔离驱动电路、LLC谐振电路、变压器和多个隔离输出电路，所述DSP与所述隔离驱动电路连接，所述隔离驱动电路与所述LLC谐振电路连接，所述LLC谐振电路与所述变压器的原边绕组连接，每个所述隔离输出电路包括变压电路和模拟变压控制器，所述多个隔离输出电路分别与所述变压器的副边绕组连接，每个所述隔离输出电路的变压电路和对应的模拟变压控制器连接，每个所述隔离输出电路的模拟变压控制器与所述DSP的上下电时序控制信号发送端连接；
所述DSP用于向所述隔离驱动电路发送定频驱动信号，控制所述LLC谐振电路的上MOS管和下MOS管的通断；每个所述隔离输出电路的模拟变压控制器用于根据所述DSP发送的上下电时序控制信号控制对应的所述变压电路电压保持恒定。
进一步地，还包括原边电流检测电路，所述原边电流检测电路的一端与所述LLC谐振电路连接，所述原边电流检测电路的另一端与所述DSP连接；所述原边电流检测电路用于检测变换器的输出侧电流，当输出侧电流超过预设在所述DSP中的阈值时，所述DSP向所述隔离驱动电路发送驱动信号，控制所述LLC谐振电路的上MOS管和下MOS管关断。
进一步地，还包括EMI滤波器，所述EMI滤波器的一端连接电源，所述EMI滤波器的另一端与所述LLC谐振电路连接。
进一步地，还包括防反接电路，所述防反接电路的一端与所述EMI滤波器的另一端连接，所述防反接电路的另一端与所述LLC谐振电路连接。
进一步地，还包括反激辅助电源电路，所述反激辅助电源电路的一端连接电源，所述反激辅助电源电路的另一端与所述DSP连接。
进一步地，所述DSP还与机载直流电源基板和负载功率器上布置的温度NTC连接，用于监控机载直流电源基板和负载功率器上的热点。
进一步地，每个所述隔离输出电路的变压电路为降压电路、升压电路或负压电路，降压电路、升压电路和负压电路对应的模拟变压控制器分别为模拟降压控制器、模拟升压控制器和模拟负压控制器。
进一步地，每个所述隔离输出电路还包括整流电路，每个所述隔离输出电路的整流电路的一端与所述变压器的副边绕组连接，每个所述隔离输出电路的整流电路的另一端与对应的变压电路连接。
一种机载直流电源多路隔离输出变换器的控制方法，所述DSP向所述隔离驱动电路发送定频驱动信号，控制所述LLC谐振电路的上MOS管和下MOS管的通断；每个所述隔离输出电路的模拟变压控制器根据所述DSP发送的上下电时序控制信号控制对应的所述变压电路电压保持恒定。
进一步地，所述原边电流检测电路检测变换器的输出侧发生过流或短路时，控制所述DSP向所述隔离驱动电路发送驱动信号，进而控制所述LLC谐振电路的上MOS管和下MOS管关断。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
针对机载直流电源的特殊性要求，本发明提出机载直流电源多路隔离输出变换器，DSP向隔离驱动电路发送定频驱动信号，控制LLC谐振电路的上MOS管和下MOS管的通断；每个隔离输出电路的模拟变压控制器根据DSP发送的上下电时序控制信号控制对应的变压电路上下电时序，并能通过本地闭环控制保持输出电压恒定。本发明为2级变换的隔离多路输出的拓扑结构，第一级采用基于DSP开环控制的LLC谐振主电路，使主电路工作在谐振点，实现ZVS和ZCS，第一级效率最高；第二级采用基于模拟变压控制器的升压/降压/升降压电路，控制输出电压的稳定，实现了机载直流电源多路隔离独立输出，使各路隔离输出独立控制，保证低交叉调整率，动态响应快。
当某路输出侧发生某路过流或者短路时，或者多路同时发生过流和短路，本地模拟变压控制器首先能快速响应关断输出，为进一步降低故障，原边电流检测电路能快速识别过流故障，使DSP触发保护机制，关断LLC原边的MOS管，提高电源系统的可靠性。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式中的技术方案，下面将对具体实施方式描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明机载直流电源多路隔离输出变换器示意图；
图2为本发明机载直流电源多路隔离输出变换器的仿真原理图；
图3为LLC原边电流波形图；
图4为原边电流检测电路图；
图5为原边电流检测电路的仿真波形图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种机载直流电源多路隔离输出变换器，包括DSP、隔离驱动电路、LLC谐振电路、变压器和多个隔离输出电路，DSP与隔离驱动电路连接，隔离驱动电路与LLC谐振电路连接，LLC谐振电路与变压器的原边绕组连接。每个隔离输出电路包括变压电路和模拟变压控制器，多个隔离输出电路分别与变压器的副边绕组连接，每个隔离输出电路的变压电路和对应的模拟变压控制器连接，每个隔离输出电路的模拟变压控制器与DSP的上下电时序控制信号发送端连接。优选的，每个隔离输出电路还包括整流电路，每个隔离输出电路的整流电路的一端与变压器的副边绕组连接，每个隔离输出电路的整流电路的另一端与对应的变压电路连接。DSP用于向隔离驱动电路发送定频驱动信号，控制LLC谐振电路的上MOS管和下MOS管的通断；每个隔离输出电路的模拟变压控制器用于根据DSP发送的上下电时序控制信号控制对应的变压电路电压保持恒定。具体地说，每个隔离输出电路的变压电路为降压电路、升压电路或负压电路，降压电路、升压电路和负压电路对应的模拟变压控制器分别为模拟降压控制器、模拟升压控制器和模拟负压控制器。
优选的，机载直流电源多路隔离输出变换器还包括原边电流检测电路，原边电流检测电路的一端与LLC谐振电路连接，原边电流检测电路的另一端与DSP连接。原边电流检测电路用于检测变换器的输出侧电流，当输出侧电流超过预设在所述DSP中的阈值时，即输出侧发生过流或短路时，DSP向隔离驱动电路发送驱动信号，控制LLC谐振电路的上MOS管和下MOS管关断。
优选的，机载直流电源多路隔离输出变换器还包括EMI滤波器，EMI滤波器的一端连接电源，EMI滤波器的另一端与LLC谐振电路连接。
优选的，机载直流电源多路隔离输出变换器还包括防反接电路，防反接电路的一端与EMI滤波器的另一端连接，防反接电路的另一端与LLC谐振电路连接。
优选的，机载直流电源多路隔离输出变换器还包括反激辅助电源电路，反激辅助电源电路的一端连接电源，反激辅助电源电路的另一端与DSP连接。
作为某一具体实施方式，具体地说，如图1所示，本发明提供的机载直流电源多路隔离输出变换器的主电路包括EMI滤波器、防反接电路、开环控制的LLC谐振电路、各二次绕组输出整流后接各路的升压电路、降压电路和升降压电路(负压电路)；原边DSP用于LLC谐振电路开环控制，开关频率要求大于300kHz，本发明设计的开关频率为350kHz，谐振腔的谐振频率为350kHz，这样使LLC谐振电路工作在谐振点附近，实现原边ZVS和副边ZCS，效率最高；同时设计合适的主变匝比和谐振腔参数，通过开环控制使输入电压从200V-400V，额定270V变换到12V和24V，额定电压17V，作为各路升压、降压和负压电路的输入。另外，原边DSP实现各路输出电压和输出电流的监测，通过RS485将这些信息进行上报；在电源基板和主要负载功率器件布置温度NTC，对电源内部的热点进行监控。各路电压的输出控制通过本地模拟变压控制器实现就近控制，输出电流检测采用高边分流电阻+隔离运放实现，将各路电流信号连接到原边DSP ADC端口，输出电压检测通过隔离运放进行比例缩小并连接到原边DSPADC端口。各路电源的输出有上下电时序要求，原边DSP输出口分别通过光耦对各路输出的模拟变压控制器进行时序控制，保证电源的上下电时序要求。
如图2所示为本实施方式开环控制的LLC谐振电路多路输出变换器的仿真原理图，图3所示为LLC谐振电路原边电流波形，当开关频率接近谐振腔的谐振频率，谐振腔电流为接近正弦波，此时LLC谐振电路的工作效率最高。
如图4为本发明原边电流检测电路，其工作原理是将谐振电容的电压Vcr，接近正弦波，通过电容和电阻分压电路，周期性的导通Q3，从而产生一定幅值的电压。当输出出现过载或者短路，LLC原边谐振腔的电流也相应增大，导致检测的电压信号增大，超出设定的保护阈值，触发原边的过流保护，及时关断原边的上下MOS管。图5为原边电流检测电路的仿真波形，如图5所示，其电压幅值大约为0.55V。
本发明提到的防反接电路、降压电路、升压电路、升降压(负压)电路都是业界经典的DC-DC变换电路，其主电路设计和反馈电路为电源技术人员熟知，这里不再赘述。
本发明的优点是提出的2级主电路的拓扑结构，采用原边开环控制和输出本地控制的方式，实现多路隔离独立输出，解决传统多路输出电源的交叉调整率问题，并满足机载电源多路输出的多种特殊性要求，如开关频率、各种保护和监控、RS485通讯等问题。本发明采用LLC谐振电路作为前级，开环控制，实现隔离和降压；后级为多个非隔离型的DC-DC变换器，实现多路输出的独立闭环控制，各路输出精度高，交叉调整率好，且动态响应快。
本发明提出的2级主电路的拓扑结构，第一级采用开环控制的LLC降压变换器，使开关频率接近谐振腔的谐振频率，第一级变换效率最高；第二级采用基于模拟控制器本地控制的升降压变换器，实现输出电压的稳定控制，并使各路隔离输出独立控制，保证低交叉调整率，动态响应快。DSP放置在主电路原边，实现对半桥或者全桥LLC谐振电路高频控制，客户系统要求开关频率大于300kHz，采用高性能的DSP能输出高频驱动信号，减小谐振腔的体积，保证系统的EMI要求；各路电源的输出电压和输出电流通过隔离传输到DSP，实现在线监控和上报。设计LLC谐振腔原边电流检测电路，当输出侧发生某路过流或者短路时，或者多路同时发生过流和短路，本地模拟变压控制器首先能快速响应关断输出，为进一步降低故障，原边电流检测电路能快速识别过流故障，使DSP触发保护机制，关断LLC原边的MOS管，提高电源系统的可靠性。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种机载直流电源多路隔离输出变换器，其特征在于，包括DSP、隔离驱动电路、LLC谐振电路、变压器和多个隔离输出电路，所述DSP与所述隔离驱动电路连接，所述隔离驱动电路与所述LLC谐振电路连接，所述LLC谐振电路与所述变压器的原边绕组连接，每个所述隔离输出电路包括变压电路和模拟变压控制器，所述多个隔离输出电路分别与所述变压器的副边绕组连接，每个所述隔离输出电路的变压电路和对应的模拟变压控制器连接，每个所述隔离输出电路的模拟变压控制器与所述DSP的上下电时序控制信号发送端连接；
所述DSP用于向所述隔离驱动电路发送定频驱动信号，控制所述LLC谐振电路的上MOS管和下MOS管的通断；每个所述隔离输出电路的模拟变压控制器用于根据所述DSP发送的上下电时序控制信号控制对应的所述变压电路电压保持恒定。
2.根据权利要求1所述的一种机载直流电源多路隔离输出变换器，其特征在于，还包括原边电流检测电路，所述原边电流检测电路的一端与所述LLC谐振电路连接，所述原边电流检测电路的另一端与所述DSP连接；所述原边电流检测电路用于检测变换器的输出侧电流，当输出侧电流超过预设在所述DSP中的阈值时，所述DSP向所述隔离驱动电路发送驱动信号，控制所述LLC谐振电路的上MOS管和下MOS管关断。
3.根据权利要求1所述的一种机载直流电源多路隔离输出变换器，其特征在于，还包括EMI滤波器，所述EMI滤波器的一端连接电源，所述EMI滤波器的另一端与所述LLC谐振电路连接。
4.根据权利要求3所述的一种机载直流电源多路隔离输出变换器，其特征在于，还包括防反接电路，所述防反接电路的一端与所述EMI滤波器的另一端连接，所述防反接电路的另一端与所述LLC谐振电路连接。
5.根据权利要求1所述的一种机载直流电源多路隔离输出变换器，其特征在于，还包括反激辅助电源电路，所述反激辅助电源电路的一端连接电源，所述反激辅助电源电路的另一端与所述DSP连接。
6.根据权利要求1所述的一种机载直流电源多路隔离输出变换器，其特征在于，所述DSP还与机载直流电源基板和负载功率器上布置的温度NTC连接，用于监控机载直流电源基板和负载功率器上的热点。
7.根据权利要求1所述的一种机载直流电源多路隔离输出变换器，其特征在于，每个所述隔离输出电路的变压电路为降压电路、升压电路或负压电路，降压电路、升压电路和负压电路对应的模拟变压控制器分别为模拟降压控制器、模拟升压控制器和模拟负压控制器。
8.根据权利要求1所述的一种机载直流电源多路隔离输出变换器，其特征在于，每个所述隔离输出电路还包括整流电路，每个所述隔离输出电路的整流电路的一端与所述变压器的副边绕组连接，每个所述隔离输出电路的整流电路的另一端与对应的变压电路连接。
9.根据权利要求1至8任一项所述的一种机载直流电源多路隔离输出变换器的控制方法，其特征在于，所述DSP向所述隔离驱动电路发送定频驱动信号，控制所述LLC谐振电路的上MOS管和下MOS管的通断；每个所述隔离输出电路的模拟变压控制器根据所述DSP发送的上下电时序控制信号控制对应的所述变压电路电压保持恒定。
10.根据权利要求9所述的一种机载直流电源多路隔离输出变换器的控制方法，其特征在于，所述原边电流检测电路检测变换器的输出侧发生过流或短路时，控制所述DSP向所述隔离驱动电路发送驱动信号，进而控制所述LLC谐振电路的上MOS管和下MOS管关断。
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