CN108054940B - 电容串联自动均压电路及其控制电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电容串联自动均压电路及其控制电路，包括功率电路，所述功率电路包括均压电路和逆变电路；控制电路用以完成对功率电路中的滤波电容端电压进行检测和均压，将检测到的电压输入到外围电路进行处理，将处理得到的比较信号反馈到模拟电路中控制芯片的反馈输入端，控制芯片对各个输入端口的信号进行处理后输出驱动信号，驱动所述功率电路中的功率器件的开关状态，经过均压电路电路的原边与副边能量传输，使得所述功率电路中的滤波电容实现自动均压。本发明能在功率电路采用多个滤波电容串联时，使得滤波电容能够实现自动均压，具有控制简单，响应快速，均压效果好的特点，可应用于半桥逆变型等离子切割机等实际应用中。

Description

电容串联自动均压电路及其控制电路

技术领域

本发明涉及电力电子变换技术领域的一种均压电路及其控制电路，具体地，涉及一种电容串联自动均压电路及其控制电路。

背景技术

在目前的中小功率应用场合中，由于半桥电路具有结构简单、易于控制并且直流侧采用电容的串联提升了耐压效果等优点，因此得到了较为广泛的应用，但是这种电路常采用数个滤波电容串联，由于电容容值、漏电阻以及电路参数等原因存在着电容均压的问题。

电容不均压的隐患是不能忽视的，如果均压效果不好，可能会导致电容过压击穿、控制信号产生偏差、输出波形畸变等问题，甚至使系统失控。因此电容均压问题应当引起高度重视，必须采用适当的均压措施来避免电容不均压的情况产生。

经过对电容器串联均压现有技术的检索发现，Lin B.R.Hung T.L.Single-phasehalf-bridge converter topology for power quality compensation.IEE ProceedingsElectric Power Applications，2002，149(5)：351～359.提出在功率电路中增加元器件来解决直流分压电容电压偏差问题。但是这种方法增加了变换器的体积重量，加大了成本，并且不能从根本上保证串联电容的电压均衡，实际用效果不理想。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种电容串联自动均压电路及其控制电路，实现功率电路中的多个滤波电容始终保持电压均衡，具有控制简便，响应快速，均压效果好的优点。

根据本发明的第一目的，提供一种电容串联自动均压电路，所述电路包括功率电路，所述功率电路包括均压变压器和逆变电路，其中：

所述均压电路设有均压变压器Tr1，所述均压变压器Tr1的副边设有第一～第三副边绕组N12、N11、N13和第二～第四二极管D2、D3、D4；

所述逆变电路由电容桥臂、电阻桥臂、IGBT桥臂、第一逆变变压器Tr2以及第二逆变变压器Tr3组成，其中：电容桥臂由第二～第四滤波电容C2、C3、C4依次串联组成，负责提供平衡的三路直流电压；电阻桥臂负责为电容桥臂进行静态均压；IGBT桥臂负责DC-AC逆变，将静态均压后电阻桥臂的三路直流电压逆变成检流电压；第一逆变变压器Tr2与第二逆变变压器Tr3与电容桥臂、IGBT桥臂连接，起隔离作用，同时，通过电磁感应传输电能；

所述均压变压器Tr1原边与副边能量传输时，第二副边绕组N11通过第三二极管D3连接在第三滤波电容C3的两端；第一副边绕组N12通过第二二极管D2连接在第二滤波电容C2的两端；第三副边绕组N13通过第三二极管D4连接在第四滤波电容C4的两端，为第二～第四滤波电容C2、C3、C4均压。

优选地，所述的均压电路还包括第一功率MOSFET S1、第一滤波电容C1、第一电阻R1、第二十三电阻R23、第一二极管D1，其中：

第一电阻R1一端与第一滤波电容C1一端、均压变压器Tr1原边绕组同名端以及直流正极相连，第一电阻R1另一端与第一滤波电容C1另一端以及第一二极管D1阴极相连；

第一二极管D1阳极与均压变压器Tr1非同名端、第一功率MOSFET S1的漏极相连，第一功率MOSFET S1的漏极与第二十三只电阻的一端相连，第二十三只电阻的另一端与直流负极相连；

均压变压器Tr1第一副边绕组N12同名端通过第二二极管D2与第二滤波电容C2正极和直流正极相连，其非同名端与第二滤波电容C2负极相连；

均压变压器Tr1第二副边绕组N11同名端通过第三二极管D3与第三滤波电容C3正极相连，其非同名端与第三滤波电容C3负极相连；

均压变压器Tr1第三副边绕组N13同名端通过第四二极管D4与第四滤波电容C4正极相连，其非同名端与第二滤波电容C2负极相连。

更优选地，所述均压变压器Tr1的第一～第三副边绕组N12、N11、N13匝数相同，均为原边绕组P1匝数的三分之一。

优选地，所述电容桥臂由第二滤波电容C2～第四滤波电容C4依次串联构成；

所述电阻桥臂由第二均压电阻R2～第四均压电阻R4依次串联构成；

所述IGBT桥臂由第二IGBT S2～第四IGBT S4依次连接构成；

其中：

直流正极与第二滤波电容C2正极、第二均压电阻R2一端以及第二IGBT S2漏极相连；

直流负极与第四滤波电容C4负极、第四均压电阻R4一端以及第四IGBT S4源极相连；

第二滤波电容C2负极与第三滤波电容C3正极、第二均压电阻R2另一端、第三均压电阻R3一端以及第一逆变变压器Tr2原边绕组非同名端相连；

第三滤波电容C3负极与第四滤波电容C4正极、第三均压电阻R3另一端、第四均压电阻R4另一端以及第二逆变变压器Tr3原边绕组非同名端相连；

第二IGBT S2源极与第三IGBT S3漏极以及第一逆变变压器Tr2原边绕组同名端相连；

第三IGBT S3源极与第四IGBT S4漏极以及第二逆变变压器Tr3原边绕组同名端相连；

输出正极与第一逆变变压器Tr2副边绕组同名端相连；输出负极与第二逆变变压器Tr3副边绕组非同名端相连；第一逆变变压器Tr2副边绕组非同名端与第二逆变变压器Tr3副边绕组同名端相连。

更优选地，具有以下一种或多种特征：

-所述第二滤波电容C2～第四滤波电容C4的容值相同；

-所述第一均压电阻R2～第四均压电阻R4的阻值相等。

根据本发明的第二目的，提供一种电容串联自动均压电路的控制电路，所述控制电路包括测压电路、外围电路以及模拟电路，其中：

所述测压电路，用于检测直流侧电压，经过第七～第八分压电阻R7、R8作用，得到一个电压信号，并检测功率电路中第四滤波电容C4端电压，得到经过第五～第六分压电阻R5、R6作用，得到另一个电压信号，这两个电压信号作为外围电路的输入；

所述外围电路，用于对测压电路得到的两个电压信号进行比较处理，将处理后的信号反馈到所述模拟电路中控制芯片的反馈输入端口；

所述控制芯片，用于来自模拟电路各个信号，经过处理后得到驱动脉冲信号，控制功率电路中功率器件的开关状态。

优选地，所述测压电路包括第五分压电阻R5～第八分压电阻R8，所述第五分压电阻R5、所述第六分压电阻R6串联后并联在功率电路中的第四滤波电容C4两端；所述第七分压电阻R7与所述第八分压电阻R8串联后接在直流正极与直流负端之间。

优选地，所述第五分压电阻R5～第八分压电阻R8有R₆/(R₅+R₆)＝3R₈/(R₇+R₈)的关系，公式中各参数均为对应电阻的电阻值。

优选地，所述外围电路包括第九电阻R9～第十九电阻R19以及第一运算放大器U1～第三运算放大器U3，其中：

第九电阻R9一端与第一检测电压u1相连，另一端与第一运算放大器U1反向输入端相连；第十电阻R10一端与第二检测电压u2相连，另一端与第一运算放大器U1正向输入端相连；第十一电阻R11一端与第一运算放大器U1正向输入端相连，另一端接地；第十二电阻R12一端与第二检测电压u2相连，另一端与第二运算放大器U2反向输入端相连；

第十三电阻R13一端与第一检测电压u1相连，另一端与第二运算放大器U2正向输入端相连；第十四电阻R14一端与第二运算放大器U2正向输入端相连，另一端接地；第十五电阻R15一端与第一运算放大器U1输出端相连，另一端与第三运算放大器U3反向输入端相连；

第十六电阻R16一端与第二运算放大器U2输出端相连，另一端与第三运算放大器U3正向输入端相连；第十七电阻R17一端与第三运算放大器U3正向输入端相连，另一端接地；第十八电阻R18一端与第三运算放大器U3反向输入端相连，另一端接地；第十九电阻R19一端与第三运算放大器U3反向输入端相连，另一端与第三运算放大器U3输出端相连后，与控制芯片的反馈输入端第三引脚FB相连。

优选地，所述模拟电路包括控制芯片、第一瞬态抑制二极管TVS1以及第二十电阻R20～第二十七电阻R27，其中：

控制芯片的第一引脚VDD与+15V工作电源相连，第二十电阻R20一端与+15V工作电源相连，另一端与控制芯片的电压检测输入端第二引脚VS、第二十一电阻R21的一端相连；第二十一电阻R21另一端接地；第二十二电阻R22一端与控制芯片的驱动输出端口第六引脚DRV相连，另一端与功率电路中的第一功率MOSFET S1栅极相连；第二十三电阻R23一端与功率电路中的第一功率MOSFET S1源极、控制芯片的第五引脚CS相连，另一端接地；第二十四电阻R24一端与第一瞬态抑制二极管TVS1阳极以及控制芯片的高压输入端口第八引脚HV相连，另一端与第二十五电阻R25～第二十七电阻R27依次串联后接地；第二十五电阻R25、第二十六电阻R26、第二十七电阻R27首尾依次串联；控制芯片的偏置电源输入端口VDD与+15V工作电源相连，接地输入端口第四引脚GND与地端相连。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明均压电路可以对多个滤波电容串联能起到自动均压效果，均压效果好。

本发明控制电路采用控制芯片作为功率器件MOSFET的驱动控制，将检测到的滤波电容电压，通过外围电路进行处理，得到控制信号，输入到控制芯片，从而控制功率器件的开关状态，导通或关断，使得均压变压器自动工作，为滤波电容实现均压控制。具体地，均压变压器副边绕组匝数为原边绕组匝数的三分之一，功率器件MOSFET导通时，串联的滤波电容同时为均压变压器的原边绕组供电，均处于放电状态，端电压高的滤波电容放电较多，端电压低的滤波电容放电较少，均压变压器原边存储。功率器件MOSFET关断时，均压变压器的副边为后级端电压低的滤波电容充电，端电压高的滤波电容不能充电。经过功率器件MOSFET不断的通断工作，串联滤波电容的端电压趋向一致。只要两路检测电压存在电压偏差，控制芯片就会控制功率器件工作。只要功率器件工作，各个滤波电容就会自动均压。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一实施例的自动均压电路及其控制电路图；

图中：功率电路1，均压电路11，逆变电路12；控制电路2，测压电路21，模拟电路22，外围电路23。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，一种电容串联自动均压电路，包括功率电路1；所述功率电路1包括均压电路11和逆变电路12，其中：

所述均压电路1中均压变压器Tr1的副边设有三个副边绕组N11、N12、N13和三只二极管D2、D3、D4；

所述逆变电路2由电容桥臂(C2、C3、C4)、电阻桥臂(R2、R3、R4)、IGBT桥臂(S2、S3、S4)、第一逆变变压器Tr2以及第二逆变变压器Tr3组成，其中：电容桥臂为三只电解电容C2、C3、C4串联支路，负责提供平衡的三路直流电压；电阻桥臂负责为电容桥臂进行静态均压；IGBT桥臂负责DC-AC逆变；第一逆变变压器Tr2与第二逆变变压器Tr3起到隔离作用，副边串联后连接任何形式的整流器。

进一步的，所述电容桥臂由滤波电容C2、C3、C4元器件构成，它们连接方式为顺次串联，即滤波电容C2的正极与直流正极DCP相连，其负极与滤波电容C3的正极相连，滤波电容C3的负极与滤波电容C4的正极相连，滤波电容C4的负极与直流负极DCN相连，电容桥臂用于产生均压的三路直流电压，为后级功率器件IGBT S2、S3、S4连同逆变变压器Tr2和Tr3构成的逆变电路提供直流电源；

进一步的，所述电阻桥臂由R2、R3、R4元器件构成，它们连接方式为顺次串联，即电阻R2的一端与直流正极DCP相连，其另一端与电阻R3的一端相连，电阻R3的另一端与电阻R4的一端相连，电阻R4的另一端与直流负极DCN相连，同时在结构上，电阻R2与电容C2并联，电阻R3与电容C3并联，电阻R4与电容C4并联，电阻桥臂用于滤波电容C2、C3、C4的静态均压；

进一步的，所述IGBT桥臂由功率器件IGBT S2、S3、S4元器件构成，它们连接方式为顺次串联，即IGBT S2的集电极与直流正极DCP相连，其发射极与IGBT S3的集电极相连，IGBT S3的发射极与IGBT S4的集电极相连，IGBT S4的发射极与直流负极DCN相连，IGBT桥臂将均压后滤波电容C2、C3、C4的三路直流电压逆变成检流电压，以便逆变变压器Tr2与Tr3通过电磁感应，传输电能。

进一步的，所述第一均压变压器Tr1原边P1与副边绕组N12、N11、N13能量传输时，三个所述副边绕组N12、N11、N13分别通过二极管D2、D3、D4连接在所述电容桥臂的滤波电容C2、C3、C4的两端，为所述滤波电容C2、C3、C4的均压。

所述均压电路包括第一功率MOSFET S1、第一滤波电容C1、第一电阻R1、第二十三电阻R23、第一二极管D1～第四二极管D4以及均压变压器Tr1，包括一个原边绕组P1和三个副边绕组N12、N11、N13，其中：

第一电阻R1一端与第一滤波电容C1一端、均压变压器Tr1原边绕组同名端以及直流正极DCP相连，第一电阻R1另一端与第一滤波电容C1另一端以及第一二极管D1阴极相连；

第一二极管D1阳极与均压变压器Tr1非同名端、第一功率MOSFET S1的漏极相连，第一功率MOSFET S1的漏极与第二十三只电阻R23的一端相连，第二十三只电阻R23的另一端与直流负极DCN相连；

均压变压器Tr1第一副边绕组N12同名端通过第二二极管D2与第二滤波电容C2正极和直流正极DCP相连，其非同名端与第二滤波电容C2负极相连；

均压变压器Tr1第二副边绕组N11同名端通过第三二极管D3与第三滤波电容C3正极相连，其非同名端与第三滤波电容C3负极相连；

均压变压器Tr1第三副边绕组N13同名端通过第四二极管D4与第四滤波电容C4正极相连，其非同名端与第二滤波电容C2负极相连。

所述均压变压器Tr1的副边绕组N11～N13匝数相同，均为原边绕组P1匝数的三分之一。

所述的逆变电路包括第二滤波电容C2～第四滤波电容C4、第二均压电阻R2～第四均压电阻R4、第一逆变变压器Tr2的原边绕组与副边绕组以及第二逆变变压器Tr3的原边绕组与副边绕组，其中：

直流正极DCP与第二滤波电容C2正极、第二均压电阻R2一端以及第二IGBT S2漏极相连；

直流负极DCN与第四滤波电容C4负极、第四均压电阻R4一端以及第四IGBT S4源极相连；

第二滤波电容C2负极与第三滤波电容C3正极、第二均压电阻R2另一端、第三均压电阻R3一端以及第一逆变变压器Tr2原边绕组非同名端相连；

第三滤波电容C3负极与第四滤波电容C4正极、第三均压电阻R3另一端、第四均压电阻R4另一端以及第二逆变变压器Tr3原边绕组非同名端相连；

第二IGBT S2源极与第三IGBT漏极以及第一逆变变压器Tr2原边绕组同名端相连；

第三IGBT S3源极与第四IGBT S4漏极以及第二逆变变压器Tr3原边绕组同名端相连；

输出正极DCP与第一逆变变压器Tr2副边绕组同名端相连；输出负极DCN与第二逆变变压器Tr3副边绕组非同名端相连；第一逆变变压器Tr2副边绕组非同名端与第二逆变变压器Tr3副边绕组同名端相连。

在另外的实施例中，上述电容串联自动均压电路的控制电路，所述控制电路2包括测压电路21、模拟电路22以及外围电路23，其中：

所述测压电路21，用于检测直流侧电压，经过分压电阻R7、R8作用，得到一个电压信号；并检测功率电路中滤波电容C4端电压，经过分压电阻(R5、R6)作用，得到另一个电压信号；这两个电压信号作为外围电路23的输入；

所述外围电路23，用于对测压电路得到的两个电压信号进行比较处理，将处理后的信号反馈到所述模拟电路22中控制芯片的反馈输入端口FB；

所述模拟电路22中控制芯片，用于检测各个输入端口(VDD、VS、FB、GND、CS、DRV、HV)的信号，经过处理后得到驱动脉冲信号，控制功率电路1中功率器件S1的开关状态。

所述的电容串联自动均压电路的控制电路中，所述测压电路21包括第五分压电阻R5～第八分压电阻R8，所述第五分压电阻R5、所述第六分压电阻R6串联后并联在功率电路中的第四滤波电容C4两端；所述第七分压电阻R7与所述第八分压电阻R8串联后接在直流正极DCP与直流负端DCN之间。

所述的电容串联自动均压电路的控制电路中，所述第五分压电阻R5～第八分压电阻R8有R₆/(R₅+R₆)＝3R₈/(R₇+R₈)的关系，公式中各参数均为对应电阻的电阻值。

所述的电容串联自动均压电路的控制电路中，所述外围电路23包括第九电阻R9～第十九电阻R19以及第一运算放大器U1～第三运算放大器U3，其中：

第九电阻R9一端与第一检测电压u1相连，另一端与第一运算放大器U1反向输入端相连；第十电阻R10一端与第二检测电压u2相连，另一端与第一运算放大器U1正向输入端相连；第十一电阻R11一端与第一运算放大器U1正向输入端相连，另一端接地；第十二电阻R12一端与第二检测电压u2相连，另一端与第二运算放大器U2反向输入端相连；

第十三电阻R13一端与第一检测电压u1相连，另一端与第二运算放大器U2正向输入端相连；第十四电阻R14一端与第二运算放大器U2正向输入端相连，另一端接地；第十五电阻R15一端与第一运算放大器U1输出端相连，另一端与第三运算放大器U3反向输入端相连；

第十六电阻R16一端与第二运算放大器U2输出端相连，另一端与第三运算放大器U3正向输入端相连；第十七电阻R17一端与第三运算放大器U3正向输入端相连，另一端接地；第十八电阻R18一端与第三运算放大器U3反向输入端相连，另一端接地；第十九电阻R19一端与第三运算放大器U3反向输入端相连，另一端与第三运算放大器U3输出端相连后，与控制芯片的反馈输入端第三引脚FB相连。

所述的电容串联自动均压电路的控制电路中，所述模拟电路22包括控制芯片22、第一瞬态抑制二极管TVS1以及第二十电阻R20～第二十七电阻R27，其中：

控制芯片22的第一引脚VDD与+15V工作电源相连，第二十电阻R20一端与+15V工作电源相连，另一端与控制芯片的电压检测输入端第二引脚VS、第二十一电阻R21的一端相连；第二十一电阻R21另一端接地；第二十二电阻R22一端与控制芯片的驱动输出端口第六引脚DRV相连，另一端与功率电路中的第一功率MOSFET S1栅极相连；第二十三电阻R23一端与功率电路中的第一功率MOSFET S1源极、控制芯片的第五引脚CS相连，另一端接地；第二十四电阻R24一端与第一瞬态抑制二极管TVS1阳极以及控制芯片的高压输入端口第八引脚HV相连，另一端与第二十五电阻R25～第二十七电阻R27依次串联后接地；第二十五电阻R25、第二十六电阻R26、第二十七电阻R27首尾依次串联；控制芯片的偏置电源输入端口VDD与+15V工作电源相连，接地输入端口第四引脚GND与地端相连。

进一步的，在部分优选实施例中，如图1所示，所述测压电路包括第五分压电阻R5～第八分压电阻R8；第五分压电阻R5与第六分压电阻R6经过串联后并联在功率电路中的第四滤波电容C4两端；第七分压电阻R7与第八分压电阻R8串联后接在直流正极与负端之间。

所述外围电路包括第九电阻R9～第十九电阻R19以及第一运算放大器U1～第三运算放大器U3，其中：第九电阻R9一端与第一检测电压相连，另一端与第一运算放大器U1反向输入端相连；第十电阻R10一端与第二检测电压相连，另一端与第一运算放大器U1正向输入端相连；第十一电阻R11一端与第一运算放大器U1正向输入端相连，另一端接地；第十二电阻R12一端与第二检测电压相连，另一端与第二运算放大器U2反向输入端相连；第十三电阻R13一端与第一检测电压相连，另一端与第二运算放大器U2正向输入端相连；第十四电阻R14一端与第二运算放大器U2正向输入端相连，另一端接地；第十五电阻R15一端与第一运算放大器U1输出端相连，另一端与第三运算放大器U3反向输入端相连；第十六电阻R16一端与第二运算放大器U2输出端相连，另一端与第三运算放大器U3正向输入端相连；第十七电阻R17一端与第三运算放大器U3正向输入端相连，另一端接地；第十八电阻R18一端与第三运算放大器U3反向输入端相连，另一端接地；第十九电阻R19一端与第三运算放大器U3反向输入端相连，另一端与第三运算放大器U3输出端相连。

所述模拟电路包括控制芯片、第一瞬态抑制二极管TVS1以及第二十电阻R20～第二十七电阻R27，其中：第二十电阻R20一端与外加电源正极相连，另一端与控制芯片的电压检测输入端VS相连；第二十一电阻R21一端与控制芯片的电压检测输入端VS相连，另一端接地；第二十二电阻R22一端与控制芯片的驱动输出端口DRV相连，另一端与功率电路中的第一功率MOSFET S1栅极相连；第二十三电阻R23一端与功率电路中的第一功率MOSFET S1源极相连，另一端接地；第二十四电阻R24一端与第一瞬态抑制二极管TVS1阳极以及控制芯片的高压输入端口HV相连，另一端与第二十五电阻R25～第二十七电阻R27串联后接地；第二十五电阻R25、第二十六电阻R26、第二十七电阻R27首尾依次串联；控制芯片的偏置电源输入端口VDD与外接电源正极相连，接地输入端口GND与地端相连。

本发明上述实施例中，功率电路中逆变电路的三个滤波电容C2～C4的容值相同，第一～第四均压电阻R2～R4的阻值相等，均压变压器Tr1的副边绕组N11～N13匝数相同，均为原边绕组P1匝数的三分之一倍。第五分压电阻R5～第八分压电阻R8有R₆/(R₅+R₆)＝3R₈/(R₇+R₈)的关系。

为了更清楚的说明本发明上述实施例的实现原理，以第四滤波电容C4出现不均压情况来对本发明做进一步说明。以下说明中控制芯片采用UCC28740，具体引用连接参见图1所示。

功率电路在正常工作时，功率电路中的三个滤波电容C2～C4的端电压相等且为u_i/3，采样电压u₁的值与采样电压u₂的值相等，外围电路输出为零，控制芯片UCC28740没有反馈输入信号，输出端口DRV没有信号输出，第一功率MOSFET S1没有驱动信号因而处于关断状态，均压变压器Tr1电路不工作。当由于容值或者漏电阻等原因导致第四滤波电容C4的端电压u_C4小于u_i/3而第二滤波电容C2与第三滤波电容C3C3的端电压均大于u_i/3时，采样电压u₁的值小于采样电压u₂的值，此时采样电压的差值信号通过外围电路的处理使得第三运算放大器U3输出一个比较信号到控制芯片UCC28740的反馈输入端口FB；15V外接电源正极与控制芯片UCC28740的偏置电源输入端VDD相连，并且通过分压电阻R21得到一个电压信号输入到控制芯片UCC28740的电压检测输入端VS作为过压检测；直流正极电压u₁通过稳压管TVS1与控制芯片UCC28740的高压输入端口HV相连，为VDD中的电容充电；控制芯片UCC28740的电流检测端口CS实时检测流过与第一功率MOSFET S1串联的接地参考电阻R23上的电流。接地端口GND可靠接地。控制芯片UCC28740对各个输入端口的信号进行处理从而使输出端口DRV输出一个脉冲驱动信号控制第一功率MOSFET S1导通，均压变压器Tr1电路开始工作，由均压变压器Tr1的原边与副边绕组匝数比关系可知第三副边绕组N13的电压为u_i/3，从而使第四二极管D4导通，第三副边绕组N13为第四滤波电容C4充电直到第四滤波电容C4端电压达到u_i/3，同时由于功率电路中的三个滤波电容端电压之和始终等于u_i，第二滤波电容C2和第三滤波电容C3C3通过放电使端电压下降到u_i/3，至此功率电路又达到正常工作状态，实现了滤波电容的自动均压。

在滤波电容均压时，假设每只电容电压为uc，后级逆变电路具有以下四种开关组合，工作原理如下：(1)三只IGBT S2～S4中，只有IGBT S2导通时，逆变变压器Tr2原边导电，原边施加的电压为正的滤波电容C2的端电压，逆变变压器Tr2副边感应电压，如果逆变变压器Tr2原边与副边匝数相等，此时最终输出电压uo为+uo；(2)三只IGBT S2～S4中，只有IGBTS4导通时，逆变变压器Tr3原边导电，原边施加的电压为负的滤波电容C4的端电压，逆变变压器Tr2副边感应电压，如果逆变变压器Tr2原边与副边匝数相等，此时最终输出电压uo为-uo；(3)三只IGBT S2～S4中，只有IGBT S2与S3导通时，此时最终输出电压uo为+3uo；(4)三只IGBT S2～S4中，只有IGBT S3与S4导通时，此时最终输出电压uo为-3uo；因此通过合理地控制IGBT桥臂，取舍不同的开关组合，就可以在两只逆变变压器的次级得到交变电压，为后级交流负载供电。交变电压后接整流器后，也可以得到直流电压，为后级直流负载供电，如等离子切割机负载。IGBT S3也可以取消不用，可以消除两种开关组合，但是不会影响逆变电路的工作。

由于直流电压均压良好，可以省去逆变变压器原边绕组串联的隔直电容。

在一优选实施例中，逆变式等离子切割机直流电源，上述各元件参数可选择如下：

功率器件MOSFET S1开关频率：20kHz—50kHz；

吸收电阻R1：3*47kΩ，用于均压变压器原边磁复位；

均压电阻R2-R4：5.6kΩ/5W，用于静态均压；

吸收电容C1：4.70pF/3kV，用于均压变压器原边磁复位；

C2-C4：680μF/200V，滤波电容，为逆变器提供三路直流电压；

肖特基二极管D1：1kV，3A/85℃，用于均压变压器原边磁复位；

D2-D4：600V，5A/85℃，用均压变压器副边绕组单方向为滤波电容充电；

功率器件IGBT S1-S4：1200V，25A/85℃，用于逆变器；

分压电阻：R5、R6：199kΩ和1kΩ，用于产生滤波电容C4的电压信号；

分压电阻：R7、R8：3*199kΩ和3kΩ，用于产生整个直流回路的电压信号；

电阻R9-R19：2kΩ，用于比较电路；

分压电阻：R20与R21：68kΩ和22kΩ，用于电压检测和限制最高开关频率；

驱动电阻R22：11Ω，用于驱动功率器件MOSFET S1的门极限流；

分流电阻R23：1.5Ω，用于检测功率器件MOSFET S1的电流；

R24—R27：均为300kΩ，用于测量直流回路电压；

瞬态抑制二极管TVS1：200V，P4SMA200A，用于测量直流回路电压；

均压变压器Tr1：47kHz；

逆变变压器Tr2与Tr3：10kHz～40kHz；

控制芯片：UCC28740，反激式开关电源控制器；

控制电路运算放大器U1-U3：LM358，运算放大器，用作比较器；

直流电源：+15.0V，工作电源。

综上，本发明实现功率电路中的滤波电容由于容值、漏电阻等原因导致各个滤波电容电压不均衡时控制高频变压器电路为不均压滤波电容实现自动均压的效果，具有控制简单，响应快速，均压效果好的特点，可应用于半桥逆变型等离子切割机等实际应用中。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (5)

1.一种电容串联自动均压电路的控制电路，其特征在于：

所述电容串联自动均压电路包括功率电路，所述功率电路包括均压电路和逆变电路，其中：

所述均压电路设有均压变压器Tr1，所述均压变压器Tr1的副边设有第一～第三副边绕组N12、N11、N13和第二～第四二极管D2、D3、D4；

所述逆变电路由电容桥臂、电阻桥臂、IGBT桥臂、第一逆变变压器Tr2以及第二逆变变压器Tr3组成，其中：电容桥臂由第二～第四滤波电容C2、C3、C4依次串联组成，负责提供平衡的三路直流电压；电阻桥臂负责为电容桥臂进行静态均压；IGBT桥臂负责DC-AC逆变，将静态均压后电阻桥臂的三路直流电压逆变成检流电压；第一逆变变压器Tr2与第二逆变变压器Tr3与电容桥臂、IGBT桥臂连接，起隔离作用，同时，通过电磁感应传输电能；

所述均压变压器Tr1原边与副边能量传输时，第二副边绕组N11通过第三二极管D3连接在第三滤波电容C3的两端；第一副边绕组N12通过第二二极管D2连接在第二滤波电容C2的两端；第三副边绕组N13通过第三二极管D4连接在第四滤波电容C4的两端，为第二～第四滤波电容C2、C3、C4均压；

所述电容桥臂由第二滤波电容C2～第四滤波电容C4依次串联构成；

所述电阻桥臂由第二均压电阻R2～第四均压电阻R4依次串联构成；

所述IGBT桥臂由第二IGBT S2～第四IGBT S4依次连接构成；

其中：

直流正极与第二滤波电容C2正极、第二均压电阻R2一端以及第二IGBT S2漏极相连；

直流负极与第四滤波电容C4负极、第四均压电阻R4一端以及第四IGBT S4源极相连；

第二滤波电容C2负极与第三滤波电容C3正极、第二均压电阻R2另一端、第三均压电阻R3一端以及第一逆变变压器Tr2原边绕组非同名端相连；

第三滤波电容C3负极与第四滤波电容C4正极、第三均压电阻R3另一端、第四均压电阻R4另一端以及第二逆变变压器Tr3原边绕组非同名端相连；

第二IGBT S2源极与第三IGBT S3漏极以及第一逆变变压器Tr2原边绕组同名端相连；

第三IGBT S3源极与第四IGBT S4漏极以及第二逆变变压器Tr3原边绕组同名端相连；

输出正极与第一逆变变压器Tr2副边绕组同名端相连；输出负极与第二逆变变压器Tr3副边绕组非同名端相连；第一逆变变压器Tr2副边绕组非同名端与第二逆变变压器Tr3副边绕组同名端相连；

所述控制电路包括测压电路、外围电路以及模拟电路，其中：所述测压电路包括第五分压电阻R5～第八分压电阻R8，所述第五分压电阻R5、所述第六分压电阻R6串联后并联在功率电路中的第四滤波电容C4两端；所述第七分压电阻R7与所述第八分压电阻R8串联后接在直流正极与直流负端之间；

所述测压电路，用于检测直流侧电压，经过第七～第八分压电阻R7、R8作用，得到一个电压信号，并检测功率电路中第四滤波电容C4端电压，得到经过第五～第六分压电阻R5、R6作用，得到另一个电压信号，这两个电压信号作为外围电路的输入；

所述外围电路，用于对测压电路得到的两个电压信号进行比较处理，将处理后的信号反馈到所述模拟电路中控制芯片的反馈输入端口；所述控制芯片为反激式开关电源控制器；

所述控制芯片，用于来自模拟电路各个信号，经过处理后得到驱动脉冲信号，控制功率电路中功率器件的开关状态；

所述第五分压电阻R5～第八分压电阻R8有R₆/(R₅+R₆)＝3R₈/(R₇+R₈)的关系，公式中各参数均为对应电阻的电阻值；

所述模拟电路包括控制芯片、第一瞬态抑制二极管TVS1以及第二十电阻R20～第二十七电阻R27，其中：控制芯片的第一引脚VDD与+15V工作电源相连，第二十电阻R20一端与+15V工作电源相连，另一端与控制芯片的电压检测输入端第二引脚VS、第二十一电阻R21的一端相连；第二十一电阻R21另一端接地；第二十二电阻R22一端与控制芯片的驱动输出端口第六引脚DRV相连，另一端与功率电路中的第一功率MOSFET S1栅极相连；第二十三电阻R23一端与功率电路中的第一功率MOSFET S1源极、控制芯片的第五引脚CS相连，另一端接地；第二十四电阻R24一端与第一瞬态抑制二极管TVS1阳极以及控制芯片的高压输入端口第八引脚HV相连，另一端与第二十五电阻R25～第二十七电阻R27依次串联后接地；第二十五电阻R25、第二十六电阻R26、第二十七电阻R27首尾依次串联；控制芯片的偏置电源输入端口VDD与+15V工作电源相连，接地输入端口第四引脚GND与地端相连。

2.根据权利要求1所述的电容串联自动均压电路的控制电路，其特征在于：所述的均压电路还包括第一功率MOSFET S1、第一滤波电容C1、第一电阻R1、第二十三电阻R23、第一二极管D1，其中：

第一电阻R1一端与第一滤波电容C1一端、均压变压器Tr1原边绕组同名端以及直流正极相连，第一电阻R1另一端与第一滤波电容C1另一端以及第一二极管D1阴极相连；

第一二极管D1阳极与均压变压器Tr1非同名端、第一功率MOSFET S1的漏极相连，第一功率MOSFET S1的漏极与第二十三只电阻的一端相连，第二十三只电阻的另一端与直流负极相连；

均压变压器Tr1第一副边绕组N12同名端通过第二二极管D2与第二滤波电容C2正极和直流正极相连，其非同名端与第二滤波电容C2负极相连；

均压变压器Tr1第二副边绕组N11同名端通过第三二极管D3与第三滤波电容C3正极相连，其非同名端与第三滤波电容C3负极相连；

均压变压器Tr1第三副边绕组N13同名端通过第四二极管D4与第四滤波电容C4正极相连，其非同名端与第二滤波电容C2负极相连。

3.根据权利要求2所述的电容串联自动均压电路的控制电路，其特征在于：所述均压变压器Tr1的第一～第三副边绕组N12、N11、N13匝数相同，均为原边绕组P1匝数的三分之一。

4.根据权利要求2所述的电容串联自动均压电路的控制电路，其特征在于：具有以下一种或多种特征：

-所述第二滤波电容C2～第四滤波电容C4的容值相同；

-所述第一均压电阻R2～第四均压电阻R4的阻值相等。

5.根据权利要求1-4任一项所述的电容串联自动均压电路的控制电路，其特征在于：所述外围电路包括第九电阻R9～第十九电阻R19以及第一运算放大器U1～第三运算放大器U3，其中：

第九电阻R9一端与第一检测电压u1相连，另一端与第一运算放大器U1反向输入端相连；第十电阻R10一端与第二检测电压u2相连，另一端与第一运算放大器U1正向输入端相连；第十一电阻R11一端与第一运算放大器U1正向输入端相连，另一端接地；第十二电阻R12一端与第二检测电压u2相连，另一端与第二运算放大器U2反向输入端相连；

第十三电阻R13一端与第一检测电压u1相连，另一端与第二运算放大器U2正向输入端相连；第十四电阻R14一端与第二运算放大器U2正向输入端相连，另一端接地；第十五电阻R15一端与第一运算放大器U1输出端相连，另一端与第三运算放大器U3反向输入端相连；

第十六电阻R16一端与第二运算放大器U2输出端相连，另一端与第三运算放大器U3正向输入端相连；第十七电阻R17一端与第三运算放大器U3正向输入端相连，另一端接地；第十八电阻R18一端与第三运算放大器U3反向输入端相连，另一端接地；第十九电阻R19一端与第三运算放大器U3反向输入端相连，另一端与第三运算放大器U3输出端相连后，与控制芯片的反馈输入端第三引脚FB相连。

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