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CN112019063A - 一种超高功率密度的电源系统 - Google Patents

一种超高功率密度的电源系统 Download PDF

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CN112019063A
CN112019063A CN202010991560.3A CN202010991560A CN112019063A CN 112019063 A CN112019063 A CN 112019063A CN 202010991560 A CN202010991560 A CN 202010991560A CN 112019063 A CN112019063 A CN 112019063A
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赵智星
杨譓鹏
蒋全斌
谢峰
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Hunan Giantsun Power Electronics Co Ltd
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Hunan Giantsun Power Electronics Co Ltd
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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Abstract

本发明实施例公开了一种超高功率密度的电源系统，包括输入EMC滤波模块、输入功率模块、系统控制模块、输出功率模块和输出电压反馈模块；输入功率模块连接电网，并将交直流转换后的直流电流送入用于进行同步整流的输出功率模块，由输出功率模块对用户端的电路单元进行供电；将输入EMC滤波模块置于输入功率模块与电网的接入端；输出电压反馈模块采集输出功率模块的输出电压波动传递给系统控制模块，并通过系统控制模块内的主电源电压反馈模块将电压波动传输至输入功率模块的PWM‑IC，由PWM‑IC调整内置于输入功率模块内的功率转换开关管的工作参数使输出功率模块的输出电压稳定。

Description

一种超高功率密度的电源系统
技术领域
本发明实施例涉及电源系统技术领域，具体涉及一种超高功率密度的电源系统。
背景技术
开关电源作为电力电子设备中不可或缺的组成部分,随着科技的飞速发展在不断改进优化,更高效、更可靠、低损耗、低噪声、抗干扰和模块化已成为开关电源的发展方向，电源在手机、数码电子产品、计算机、通信、数据中心、电池充电、工业和航空等领域具有十分广泛的应用。
随着科学技术的发展，开关电源电路拓扑逐渐成型,其体积小、重量轻和效率高的优势逐渐显现,电力电子技术进一步发展以及PWM技术的出现使电源效率可以提高到85％以上，但是其中大部分大功率电源主要采用晶闸管整流和二极管整流技术,其存在效率低、输出纹波大、动态响应慢、稳定性差等缺点等。
GaN技术的最新发展，再加上经过大量优化的GaN器件和驱动电路的可用性不断提高，使更多的电源设计工程师开始关注并尝试基于GaN器件的设计可能性。GaN功率器件拥有比传统的硅MOSFETs的器件更显著的优势：例如更快的开关速度，更高的效率等。提供电源的功率密度，使其小型化、轻量化，是今后开关电源追求的主要目标，目前市面上已经出现了多家拥有氮化镓技术的厂商，不过相对硅功率器件而言，氮化镓功率器件的应用技术门槛相对较高，业界大部分充电器厂商都还处于刚起步的阶段。
发明内容
为此，本发明实施例提供一种超高功率密度的电源系统，通过使用更优化的功率转化开关管以及驱动电路以解决现有技术中效率低、输出纹波大、动态响应慢和稳定性差的问题。
为了实现上述目的，本发明的实施方式提供如下技术方案：
在本发明的实施方式中，提供了一种超高功率密度的电源系统，包括输入EMC滤波模块、输入功率模块、系统控制模块、输出功率模块和输出电压反馈模块；
所述输入功率模块连接电网，并将交直流转换后的直流电流送入用于进行同步整流的所述输出功率模块，由所述输出功率模块对用户端的电路单元进行供电；
将所述输入EMC滤波模块置于所述输入功率模块与所述电网的接入端；
所述输出电压反馈模块采集所述输出功率模块的输出电压波动传递给系统控制模块，并通过系统控制模块内的主电源电压反馈模块将电压波动传输至所述输入功率模块的PWM-IC，由所述PWM-IC调整内置于所述输入功率模块内的功率转换开关管的工作参数使所述输出功率模块的输出电压稳定。
本发明实施例的特征还在于，所述输入功率模块采用两颗GaN(氮化镓)功率转换开关管组成的有源钳位反激式电路对来自所述电网的电流进行功率转换。
本发明实施例的特征还在于，所述输入功率模块内的PWM-IC通过电路检测变压器辅助绕组的电压来保持输入所述输入功率模块的电压稳定；
所述输入功率模块内的PWM-IC主动检测来自所述电网的输入电流，以及实时检测电源系统内的温升，并在输入电流异常和温度异常时关断输出。
本发明实施例的特征还在于，所述用户端的电路单元包括根据电源用途的不同设置的快充智能识别控制模块，并通过在所述快充智能识别模块和所述输出功率模块之间的输出智能限流模块对进入所述快充智能识别控制模块的输入电流进行控制。
本发明实施例的特征还在于，所述系统控制模块通过接收所述输出电压反馈模块的电压波动分析输出电压的情况，并在输出电压过高、输出电流超过上限以及所述输出功率模块的输出端出现短路状态，系统控制模块的所述主电源电压反馈模块将进入系统保护状态的信号输送至PWM-IC。
本发明实施例的特征还在于，所述电源系统根据电源用途的不同设置还包括输出智能显示模块。
本发明提供了一种超高功率密度的电源实现方法，包括步骤：
S100、通过在连接电网端的输入功率模块中使用两颗功率转化开关管，将电网端进入输入功率模块的电源工作频率提升到300-400KHz，同时在输入功率模块的前端设置EMC滤波模块；
S200、通过输出功率模块对输入功率模块输出的电流进行电源输出侧的同步整流，将输出功率模块的输出端对用户端的电路单元进行供电；
S300、根据电源的用途不同，在输出功率模块的输出端设置用于对电子设备终端进行识别的快充智能识别控制模块，并通过在快充智能识别控制模块的初级侧设置用于对输出功率模块输出端的电流进行限流的输出智能限流模块。
本发明实施例的特征还在于，输入功率模块的驱动电路采用PWM-IC，通过RM系列变压器储能器件与两颗功率转化开关管连接形输入功率模块的功率转换电路。
本发明的实施方式具有如下优点：
本发明通过使用氮化镓半导体作为功率转换开关管，并通过PWM-IC作为电源的驱动电路使得功率密度成倍的提高，并采用有源嵌位电路结构使得电源系统的功率转化效率实现较大的提高，开关管的耐压更低，并从多个方面提高了电源效率，极大提高电源转换功率密度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式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示例性的，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，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。
图1为本发明实施例的整体结构示意图；
图2为本发明实施例的电路图。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，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。
如图1所示，本发明提供了一种超高功率密度的电源系统，包括输入EMC滤波模块、输入功率模块、系统控制模块、输出功率模块和输出电压反馈模块；
输入功率模块连接电网，并将交直流转换后的直流电流送入用于进行同步整流的输出功率模块，由输出功率模块对用户端的电路单元进行供电；
将输入EMC滤波模块置于输入功率模块与电网的接入端；
输出电压反馈模块采集输出功率模块的输出电压波动传递给系统控制模块，并通过系统控制模块内的主电源电压反馈模块将电压波动传输至输入功率模块的PWM-IC，由PWM-IC调整内置于输入功率模块内的功率转换开关管的工作参数使输出功率模块的输出电压稳定。
输入功率模块采用两颗功率转换开关管对来自电网的电流进行功率转换。
本发明的输入EMC滤波模块：
在交流电转换成直流电电路中，使用相关滤波元件(差模电感，共模点，X电容等)防止输入电网对电源模块的干扰，同时也防止电源模块对电网的干扰。能够满足国标CCC，美国FCC等其他安规机构对电磁兼容EMC的要求，屏蔽电磁干扰，使产品更环保，更安全。
本发明的输入功率模块：
如图2所示，输入功率模块采用两颗GaN(氮化镓)功率转换开关管组成的有源钳位反激式电路对来自所述电网的电流进行功率转换，将交流电转换成直流电对各电路单元直接供电，产品结合节能减排要求，输入控制电路使用全方位节能方案的驱动PWM IC，极限待机功耗可满足COC V6(75mW)的要求；电源功率转换电路的变压器储能器件采用特有RM系列，其体积小、功率密度高，磁芯材质优异、磁损、铜损小，EMI屏蔽效果佳，非常有利于通过各国的EMC认证标准；
此模块使用2颗功率转换开关管，开关管为新型半导体器件-氮化镓(GaN)晶体管，拥有很高的工作频率，达300-400KHz,且导通电阻小，仅为MOSFET晶体管的1/2,效率很高，热损耗小，可减少散热片及变压器等磁性器件的体积，故在同等功率条件下，其体积可做的更小，电源功率密度更高。
目前对于中小功率的充电器，通常使用反激式拓扑结构电路，其电路结构相对简单，所需元件数量少，成本较低，但其和变压器的漏感损耗和开关损耗较大，转换效率低。
为进一步提高效率，本实施例采用有源钳位反激式拓扑结构电路，不同于一般的反激式电源，有源钳位的最大特是能将漏感能量反复利用，且开关管实现零电压导通，损耗很小；产品由PWM芯片控GaN开关管Q1和Q2的不同导通时序，将励磁能量与漏感能量转换到输出，使GaN开关管每次在零电压导通，可以最大程度的降低漏感损耗及开关损耗，从而提高了转换效率。
Q1和Q2为GaN氮化镓半导体材质的MOS开关管，有比普通MOS管更低的导通阻抗(约为普通MOS管的50％)，同时具有更高的工作频率，可达300-400KHz，为普通MOS管工作频率的5-10倍，频率的提高进一步提高了转换效率，另外可选择更小体积的感性元件，如变压器滤波电感，可以让电源体积更小，功率密度更高
有源钳位反激式拓扑结构电路，如图1所示，其主要包括：钳位电路和电源电路；钳位电路主要由电容C2、电阻R1、开关管Q1和Q2组成，其中，为Q1为氮化镓MOS管，电容C2与电阻R1并联连接，Q1氮化镓MOS管与电容C2与电阻R1并联连接串联连接；
Q1开关管的栅极连接于所述系统控制器，该开关管又称为高端开关或钳位开关，还包括Q2开关管，其源极连接于电源，漏级连接于变压器T1初级线圈与所述Q1开关管的公共端，其栅极也连接于系统控制器；该Q2开关管又称为底端开关或电源开关。
Q1与电容C2与电阻R1构成钳位电路，用于吸收漏感能量，提高整个装置的效率，Q2开光管用于控制电源与装置的连接，其内阻和结电容均较低，将进一步降低整个电路的损耗，提升了转换效率。
输入过压欠压保护：PWM IC通过专门电路检测变压器辅助绕组的电压来设计防止输入电压过低或者过高造成产品损坏(超出额定输入电压)。
输入过流保护：PWM IC智能实时检测输入端电流状况，当输入电流异常时自动保护，关断输出，防止电路及相关元器件损坏。
输入过温保护：PWM IC实时检测电源产品内部温升状况，当电源产品内部温度过高时自动保护，关断输出，使产品内部温度下降，防止电路及相关元器件损坏。
本发明的输出功率模块：
输出功率电路采用同步整流技术。使用同步整流技术可保证产品在工作时，次级整流电路几乎接近零损耗，大大提高产品的工作效率，有效的降低了关键发热元件次级MOS管的温升。同时可以节省散热片的空间，有效的减小产品的尺寸，使得产品功率密度更高，更加小型化。工作效率的提高更能确保电源工作时满足相关能源法规要求。
本发明的输出电压反馈模块：
输出电压反馈电路采用精准度非常高的三端稳压IC加光耦的方案，能够快速并准确反馈输出电压的波动变化给PWM IC，PWM IC调整相关功率器件使输出电压趋于稳定。另外，考虑到输出线的线损存在，在输出电压反馈电路有增加我司自主设计的线性补偿电路，保证大电流输出时终端产品电压稳定性。
本发明的系统控制模块：
包含主电源电压反馈电路、线性补偿电路、过流保护电路。输出过压保护：实时反馈输出电压，当出现异常使得输出电压过高时，系统进入保护状态；当异常状况解除后，输出电压自动恢复至正常输出电压。
输出过流保护：当输出电流超过额定的输出电流上限时，系统进入保护状态，关断输出电压；当输出电流恢复正常后，系统撤销保护，输出电压自动恢复至正常输出电压。
输出短路保护：当电流太大，输出端呈现短路状态时，系统进入保护状态，关断输出电压；当短路状态撤销后，系统撤销保护，输出电压自动恢复至正常输出电压。
本发明的系统电源工作频率高，此电源产品使用一种新型的GaN氮化镓半导体做为开关管，而驱动电路采用TI最先进的PWM IC，电路工作频率可高达300-400KHz，而普通开关电源的工作频率仅为50-100KHz，频率提高后，可使用体积较小的开关管以及磁性材料，如变压器、电感等；相对普通开关电源，此项目产品的功率密度可提高3-5倍。
功率转换电路采用新型的有源嵌位技术，采用有源嵌位电路结构使系统效率大为提高，开关管的耐压更低，本项目使用利用两颗GaN氮化镓开关管，其中一颗用于有源钳位，它能够吸收寄生电感的能量所产生的尖峰电压，实现电路的稳定输出，降低电源损耗，提高工作效率，另GaN氮化镓开关管导通电阻很低，不到普通开关管的50％，进一步降低了能耗，提高了效率。
电路采用MCU单片机控制，可智能进行充电控制，确保产品以最佳状态高效的工作，另产品具有自动指示功能，让用户随时体验产品的使用状态。
新型双电压供电的同步整流技术，输出侧使用一种新型的同步整流电路，用于驱动同步开关管的IC，使用了双电压供电，依据工作情况进行切换，可进一步降低损耗，从而提高电源的
工作效率，相对普通开关电源，其效率可提高7％以上，提高的幅度非常明显。
输入端具有防雷、EMI滤波功能；具有五重保护功能，产品输出具有输出过压及恒流功能，
当终端产品故障时，本电源系统能快速切断输出，保护终端电器免受损坏。
超高功率密度，因产品使用了上述多个新型的电源技术，从多个方面提高了电源效率、减小了关键器件的体积，相对普通开关电源，此项目产品的功率密度可提高3-5倍，提升幅度非常明显。
输入功率模块内的PWM-IC通过电路检测变压器辅助绕组的电压来保持输入输入功率模块的电压稳定；
输入功率模块内的PWM-IC主动检测来自电网的输入电流，以及实时检测电源系统内的温升，并在输入电流异常和温度异常时关断输出。
用户端的电路单元包括根据电源用途的不同设置的快充智能识别控制模块，并通过在快充智能识别模块和输出功率模块之间的输出智能限流模块对进入快充智能识别控制模块的输入电流进行控制；
输出智能限流模块在多口输出情况下，能实现对每一单路单独进行限流保护，同时不影响其他各路输出。当某一充电端口电流超过预设值时，充电端口会自动关断输出，待充电端口恢复正常后再自恢复正常充电状态。
系统控制模块通过接收输出电压反馈模块的电压波动分析输出电压的情况，并在输出电压过高、输出电流超过上限以及输出功率模块的输出端出现短路状态，系统控制模块的主电源电压反馈模块将进入系统保护状态的信号输送至PWM-IC。
电源系统根据电源用途的不同设置还包括输出智能显示模块，采用特有灯效电路，在充电状态与待机状态时控制双色灯显示不同的颜色，指示出电源的工作状态(充电中或已经充满)；同时可采用公司特有单片机技术，为客户或用户定制特有显示功能。
本发明提供了一种超高功率密度的电源实现方法，包括步骤：
S100、通过在连接电网端的输入功率模块中使用两颗功率转化开关管，将电网端进入输入功率模块的电源工作频率提升到300-400KHz，同时在输入功率模块的前端设置EMC滤波模块；
S200、通过输出功率模块对输入功率模块输出的电流进行电源输出侧的同步整流，将输出功率模块的输出端对用户端的电路单元进行供电；
S300、根据电源的用途不同，在输出功率模块的输出端设置用于对电子设备终端进行识别的快充智能识别控制模块，并通过在快充智能识别控制模块的初级侧设置用于对输出功率模块输出端的电流进行限流的输出智能限流模块。
其中，步骤S200中输出功率模块采用输出同步整流电路，将变压器输出的交流电压整流为直流电压，普通的同步整流电路，其同步整流控制IC通常采用单级电压供电，当输出电压较高时，例如输出PD 20V时，控制IC及整流MOS将承受更高的供电电路压，如此导致其导通损耗较大；此专利同步整流电路，采用一种新型供电电路，即多级的辅助绕组供电，其目的是为了减少当输出PD 20V时输出控制IC及整流MOS上的导通损耗，进一步提高电源效率和功率密度。
具体如图2所示，变压器T1、二极管D1、电阻R3、电阻R4、稳压管ZD3、MOS管Q3等组成第一级辅助绕组供电电路；变压器T1、二极管D2、电阻R5、MOS管Q3等组成第二级辅助绕组供电电路；Q4为同步整流输出MOS管，由同步整流控制IC-U1对其进行控制；在输出小于15V电压时，由第一级辅助绕组供电电路对U1进行供电，当输出大于15V电压时，例如输出PD 20V,如果还是使用第一级辅助绕组供电电路，则Q3 MOS管源极输出电压较高，导致U1和Q4的导通损耗加大，此专利中，当输出PD 20V时，稳压管ZD3将使其第一级辅助绕组供电电路停止使用；当输出PD 20V时，使用第二级辅助绕组供电电路，此电路的输入端接变压器T1的次级绕组中心抽头，经过二极管D2整流的电压相对较低，如此可减小U1和Q4的导通损耗，进一步提高电源效率和功率密度。
本发明实施例的特征还在于，输入功率模块的驱动电路采用PWM-IC，通过RM系列变压器储能器件与两颗功率转化开关管连接形输入功率模块的功率转换电。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (8)

1.一种超高功率密度电源系统，其特征在于，包括输入EMC滤波模块、输入功率模块、系统控制模块、输出功率模块和输出电压反馈模块；
所述输入功率模块连接电网，并将交直流转换后的直流电流送入用于进行同步整流的所述输出功率模块，由所述输出功率模块对用户端的电路单元进行供电；
将所述输入EMC滤波模块置于所述输入功率模块与所述电网的接入端；
所述输出电压反馈模块采集所述输出功率模块的输出电压波动传递给系统控制模块，并通过系统控制模块内的主电源电压反馈模块将电压波动传输至所述输入功率模块的PWM-IC，由所述PWM-IC调整内置于所述输入功率模块内的功率转换开关管的工作参数使所述输出功率模块的输出电压稳定。
2.根据权利要求1所述的一种超高功率密度的电源系统，其特征在于，所述输入功率模块采用两颗GaN(氮化镓)功率转换开关管组成有源钳位反激式电路，对来自所述电网的电流进行功率转换。
3.根据权利要求2所述的一种超高功率密度的电源系统，其特征在于，所述输入功率模块内的PWM-IC通过电路检测变压器辅助绕组的电压来保持输入所述输入功率模块的电压稳定；
所述输入功率模块内的PWM-IC主动检测来自所述电网的输入电流，以及实时检测电源系统内的温升，并在输入电流异常和温度异常时关断输出。
4.根据权利要求1所述的一种超高功率密度的电源系统，其特征在于，所述用户端的电路单元包括根据电源用途的不同设置的快充智能识别控制模块，并通过在所述快充智能识别模块和所述输出功率模块之间的输出智能限流模块对进入所述快充智能识别控制模块的输入电流进行控制。
5.根据权利要求3所述的一种超高功率密度的电源系统，其特征在于，所述系统控制模块通过接收所述输出电压反馈模块的电压波动分析输出电压的情况，并在输出电压过高、输出电流超过上限以及所述输出功率模块的输出端出现短路状态，系统控制模块的所述主电源电压反馈模块将进入系统保护状态的信号输送至PWM-IC。
6.根据权利要求1所述的一种超高功率密度的电源系统，其特征在于，所述电源系统根据电源用途的不同设置还包括输出智能显示模块。
7.一种根据权利要求1-6任意一项所述的超高功率密度的电源实现方法，其特征在于，包括步骤：
S100、通过在连接电网端的输入功率模块中使用两颗功率转化开关管，将电网端进入输入功率模块的电源工作频率提升到300-400KHz，同时在输入功率模块的前端设置EMC滤波模块；
S200、通过输出功率模块对输入功率模块输出的电流进行电源输出侧的同步整流，将输出功率模块的输出端对用户端的电路单元进行供电；
S300、根据电源的用途不同，在输出功率模块的输出端设置用于对电子设备终端进行识别的快充智能识别控制模块，并通过在快充智能识别控制模块的初级侧设置用于对输出功率模块输出端的电流进行限流的输出智能限流模块。
8.根据权利要求7所述的一种超高功率密度的电源实现方法，其特征在于，输入功率模块的驱动电路采用PWM-IC，通过RM系列变压器储能器件与两颗功率转化开关管连接形输入功率模块的功率转换电路。
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