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1、(10)申请公布号 CN 102916583 A (43)申请公布日 2013.02.06 C N 1 0 2 9 1 6 5 8 3 A *CN102916583A* (21)申请号 201210347789.9 (22)申请日 2012.09.19 H02M 3/156(2006.01) (71)申请人台州学院 地址 317000 浙江省台州市临海市东方大道 605号 申请人温岭市三木机电有限公司 (72)发明人李军 李绣峰 (74)专利代理机构杭州宇信知识产权代理事务 所(普通合伙) 33231 代理人张宇娟 (54) 发明名称 降压式开关电源 (57) 摘要 降压式开关电源，包括上桥驱。
2、动信号模块、下 桥驱动信号模块、上下桥模块、以及电感电容稳压 模块，上下桥模块包括上桥IGBT和下桥IGBT，上 桥驱动信号模块的输出端连接上桥IGBT的栅极， 下桥驱动信号模块的输出端连接下桥IGBT的栅 极，上桥IGBT的集电极连接高压直流电源，上桥 IGBT的发射极通过二极管连接下桥IGBT的集电 极，电感电容稳压模块包括电感和电容，所述电感 的一端连接下桥IGBT的集电极，下桥IGBT的发射 极为低电平，二极管使得电流可以从上桥IGBT的 发射极流向所述电感的一端，电感的另一端为输 出直流电源。本发明提供一种降压式开关电源，可 以低成本高效地生成降压直流电源，供大功率的 负载使用。 (。
3、51)Int.Cl. 权利要求书1页 说明书4页 附图5页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 5 页 1/1页 2 1.降压式开关电源，其特征在于：包括上桥驱动信号模块、下桥驱动信号模块、上下桥 模块、以及电感电容稳压模块，所述上下桥模块包括上桥IGBT和下桥IGBT，所述上桥驱动 信号模块的输出端连接上桥IGBT的栅极，所述下桥驱动信号模块的输出端连接下桥IGBT 的栅极，所述上桥IGBT的集电极连接高压直流电源，上桥IGBT的发射极通过二极管连接下 桥IGBT的集电极，所述电感电容稳压模块包括串联的电感和电容，所述电感的一。
4、端连接下 桥IGBT的集电极，下桥IGBT的发射极为低电平，所述二极管使得电流可以从上桥IGBT的 发射极流向所述电感的一端，所述电感的另一端为输出直流电源。 2.如权利要求1所述的降压式开关电源，其特征在于：所述降压式开关电源还包括与 所述上桥驱动信号模块连接的上桥欠驱动电压保护模块，所述上桥欠驱动电压保护模块用 于检测上桥IGBT的栅极与发射极之间的上桥驱动电压，当该上桥驱动电压低于设定值时， 上桥驱动信号模块输出低电平，上桥IGBT不导通。 3.如权利要求1或2所述的降压式开关电源，其特征在于：所述降压式开关电源还包 括与所述下桥驱动信号模块连接的下桥欠驱动电压保护模块，所述下桥欠驱动电。
5、压保护模 块用于检测下桥IGBT的栅极与发射极之间的下桥驱动电压，当该下桥驱动电压低于设定 值时，下桥驱动信号模块输出低电平，下桥IGBT不导通。 4.如权利要求3所述的降压式开关电源，其特征在于：所述上桥IGBT的栅极与发射极 之间连接有两个反向串联的稳压二极管。 5.如权利要求4所述的降压式开关电源，其特征在于：所述下桥IGBT的栅极与发射极 之间连接有两个反向串联的稳压二极管。 6.如权利要求1所述的降压式开关电源，其特征在于：所述高压直流电源为500V。 权 利 要 求 书CN 102916583 A 1/4页 3 降压式开关电源 技术领域 0001 本发明涉及一种开关电源，特别适用于。
6、大功率直流电机的通过调节电压来调速的 场合。 背景技术 0002 图1所示为常用小功率降压式开关稳压器的原理图。由于电感L只有单向电流流 过，没有较大的电压降，输入与输出的电压降主要由开关管VT承受，当负载功率较大时，开 关管将发热而无法工作。 发明内容 0003 有鉴于此，本发明提供一种降压式开关电源，可以低成本高效地生成降压直流电 源，供大功率的负载使用。 0004 本发明采用以下的技术方案： 0005 降压式开关电源，包括上桥驱动信号模块、下桥驱动信号模块、上下桥模块、以及 电感电容稳压模块，所述上下桥模块包括上桥IGBT和下桥IGBT，所述上桥驱动信号模块的 输出端连接上桥IGBT的栅。
7、极，所述下桥驱动信号模块的输出端连接下桥IGBT的栅极，所述 上桥IGBT的集电极连接高压直流电源，上桥IGBT的发射极通过二极管连接下桥IGBT的集 电极，所述电感电容稳压模块包括串联的电感和电容，所述电感的一端连接下桥IGBT的集 电极，下桥IGBT的发射极为低电平，所述二极管使得电流可以从上桥IGBT的发射极流向所 述电感的一端，所述电感的另一端为输出直流电源。 0006 进一步，所述降压式开关电源还包括与所述上桥驱动信号模块连接的上桥欠驱动 电压保护模块，所述上桥欠驱动电压保护模块用于检测上桥IGBT的栅极 与发射极之间的 上桥驱动电压，当该上桥驱动电压低于设定值时，上桥驱动信号模块输。
8、出低电平，上桥IGBT 不导通。 0007 进一步，所述降压式开关电源还包括与所述下桥驱动信号模块连接的下桥欠驱动 电压保护模块，所述下桥欠驱动电压保护模块用于检测下桥IGBT的栅极与发射极之间的 下桥驱动电压，当该下桥驱动电压低于设定值时，下桥驱动信号模块输出低电平，下桥IGBT 不导通。 0008 优选的，所述上桥IGBT的栅极与发射极之间连接有两个反向串联的稳压二极 管。每个稳压二极管的电压为15V，若上桥IGBT的栅极与集电极之间的电压高于20V或低 于-20V，上桥IGBT会立即被烧毁，所以在上桥IGBT的栅极与集电极之间加上两个反向连接 的15V的稳压二极管可以起限压保护作用。 0。
9、009 优选的，所述下桥IGBT的栅极与发射极之间连接有两个反向串联的稳压二极 管。每个稳压二极管的电压为15V，若下桥IGBT的栅极与集电极之间的电压高于20V或低 于-20V，下桥IGBT会立即被烧毁，所以在下桥IGBT的栅极与集电极之间加上两个反向连接 的15V的稳压二极管可以起限压保护作用。 说 明 书CN 102916583 A 2/4页 4 0010 优选的，所述高压直流电源为500V。 0011 本发明的技术构思在于：当上桥IGBT导通时，高压直流电源经过上桥IGBT、二极 管、电感电容稳压模块的电感对电容充电，这时电感流过正向电流；当下桥IGBT导通时，输 出直流电源经过电感电。
10、容稳压模块的电感流向下桥IGBT，这时电感流过反向电流；这样， 电感通过的是正负交替变化的高频交流电，较小的电感可以获得大的感抗而起到良好的分 压作用，高压直流电源与输出直流电源之间的压差主要由电感承担，这样上桥IGBT的压降 小，从而能通过更大的电流（因为IGBT的最大耗散功率是恒定的），这样，该降压式开关电源 可以用 于大功率负载的工作场合。另外，开关电路选用高效、耐高压的电压驱动的IGBT作 为开关管，可以扩大该开管电源的电压及功率范围。 0012 本发明的有益效果在于：（1）采用上下桥结构，利用了IGBT作为开关管，提供了低 成本、高效地生成降压直流电源的解决方案；（2）电感主要提供压。
11、降的作用，由于电感通过 的是高频交流电，电感可以比较小，节省制作大电感所需的原材料，节约了成本。 附图说明 0013 图1是上桥驱动信号模块的电路图之一。 0014 图1续是上桥驱动信号模块的电路图之二，其中，line1、line2、line3、line4是图 1与图1续的连接点。 0015 图2是下桥驱动信号模块的电路图。 0016 图3是上桥欠驱动电压保护模块的电路图。 0017 图4是下桥欠驱动电压保护模块的电路图。 0018 图5是上下桥模块和电感电容稳压模块的电路图。 0019 附图标号：1-上桥驱动信号模块；2-下桥驱动信号模块；3-上下桥模块；4-电感 电容稳压模块；5-上桥欠驱。
12、动电压保护模块；6-下桥欠驱动电压保护模块。 具体实施方式 0020 以下结合附图对本发明作进一步说明。 0021 参照图1-5：降压式开关电源，包括上桥驱动信号模块1、下桥驱动信号模块2、上 下桥模块3、以及电感电容稳压模块4，所述上下桥模块3包括上桥IGBT和下桥IGBT，所述 上桥驱动信号模块1的输出端连接上桥IGBT Q10的栅极， 所述下桥驱动信号模块2的输 出端连接下桥IGBT Q11的栅极，所述上桥IGBT Q10的集电极连接500V的高压直流电源， 上桥IGBT Q10的发射极通过二极管D15连接下桥IGBT Q11的集电极，所述电感电容稳压 模块4包括串联的电感L6和电容，所。
13、述电容由C60与C61串联而成，所述电感L6的一端连 接下桥IGBT Q11的集电极，下桥IGBT Q11的发射极为低电平G，所述二极管D15使得电流 可以从上桥IGBT Q10的发射极流向所述电感L6的一端，所述电感L6的另一端为输出直流 电源V_OUT。 0022 所述降压式开关电源还包括与所述上桥驱动信号模块1连接的上桥欠驱动电压 保护模块5，所述上桥欠驱动电压保护模块5用于检测上桥IGBT Q10的栅极与发射极之间 的上桥驱动电压（ZG+）-ZS，当该上桥驱动电压低于设定值（取决于D1、R9和P3，对于图中 参数该设定值为12V），上桥驱动信号模块1输出低电平，上桥IGBT Q10不导。
14、通。图2中上 说 明 书CN 102916583 A 3/4页 5 桥欠驱动电压保护模块5检测的是+20_Z-ZS,由于上桥IGBT导通时（ZG+）=+20_Z（Q2截 止，Q3导通），所以检测+20_Z-ZS就是检测（ZG+）-ZS。 0023 所述降压式开关电源还包括与所述下桥驱动信号模块2连接的下桥欠驱动电压 保护模块6，所述下桥欠驱动电压保护模块6用于检测下桥IGBT的栅极与发射极之间的下 桥驱动电压（ZG-）-G，当该下桥驱动电压低于设定值时，下桥驱动信号模块2输出低电平， 下桥IGBT不导通。图4中下桥欠驱动电压保护模块5检测的是+15V-G,由于下桥IGBT导 通时（ZG-）=+。
15、15V（Q8截止，Q9导通），所以检测+15V-G就是检测（ZG-）-G。 0024 所述上桥IGBT的栅极与发射极之间连接有两个反向串联的稳压二极管D12和 D13。每个稳压二极管的电压为15V，若上桥IGBT的栅极与集电极之间的电 压高于20V或 低于-20V，上桥IGBT会立即被烧毁，所以在上桥IGBT的栅极与集电极之间加上两个反向连 接的15V的稳压二极管可以起限压保护作用。 0025 所述下桥IGBT的栅极与发射极之间连接有两个反向串联的稳压二极管D18和 D19。每个稳压二极管的电压为15V，若下桥IGBT的栅极与集电极之间的电压高于20V或低 于-20V，下桥IGBT会立即被烧毁。
16、，所以在下桥IGBT的栅极与集电极之间加上两个反向连接 的15V的稳压二极管可以起限压保护作用。 0026 本实施例的电路原理说明如下： 0027 1.Vcc、Gnd为外部数字电源，+500V、G为外部输入直流电源，+15V、G、-10V为下桥 驱动用外部电源，+5V、+20_Z、ZS、-5_Z为上桥驱动用外部电源，V_OUT、G是本实施例降压式 开关电源的输出。其中，+20_Z-ZS=15V，ZS-（-5_Z）=5V。 0028 2.P1、P2、P3、P4为光耦。 0029 3.P_C为外部数字输入脉冲信号。当P_C=0时，P1不导通，P1的端口4输出高电 平，Q1导通，C100被充电，运放。
17、U50A的+输入端电压升高；当P_C=1时，P1导通，P1的端口 4输出低电平，Q1截止，C100经R4放电，运放U50A的+输入端电压下降。因此通过控制脉 冲信号P_C的占空比，就能获得确定的U50A的+输入端电压。 0030 4.当运放U50A的+输入端电压高于运放U50A的-输入端电压（-输入端电压即 V_OUT经R5，R6分压后的电压）时，运放U50A输出端P_V输出高电平，电流经R7对C34充 电，P2延时导通，P2的端口4输出低电平，Q2截止，Q3导通，ZG+为+20_Z电平，上桥IGBT Q10的栅极与发射极之间的驱动电压（ZG+）-ZS为+20_ZZS，由于设定+20_Z-ZS。
18、=15V，所以 上桥IGBT的栅极 与发射极之间的驱动电压为15V，上桥IGBT导通，+500V高压直流电源经 上桥IGBT Q10、二极管D15、电感L6对电容C60、C61充电，输出直流电源V_OUT电压升高， 运放U50A的输入端电压（V_OUT经R5，R6分压后的电压）亦升高，当高于U50A的+输入 端电压时，U50A输出端P_V输出低电平，C34经D3迅速放电，放电完毕后P2截止，P2输出 端4输出高电平，Q2导通，Q3截止，ZG+经D5电平降为-5_Z，此时上桥IGBT Q10的栅极与 发射极之间的驱动电压（ZG+）ZS成为（-5_Z）ZS，由于设定ZS（-5_Z）=5V，所以上桥。
19、 IGBTQ10的栅极与发射极之间的驱动电压为-5V，上桥IGBT截止。需要说明的是，IGBT在 栅极与发射极之间的驱动电压为15V时，导通效果最好，在栅极与发射极之间的驱动电压 为-5V时，截止效果最好。 0031 5.U50A的输出端P_V同时接到下桥驱动信号模块2中，与Z、ZS的电平一起用于 产生下桥驱动信号ZG-。由于稳压二极管D6、D7的压降为15V，所以当P_V为高电平，或Z 说 明 书CN 102916583 A 4/4页 6 低于5V电压，或ZS高于15V电压时，Q8基极为高电平而导通，ZG-经D11电平降为-10V， 下桥IGBT Q11截止。相反，上述3条件全不满足（即：保。
20、证上下桥不同时导通），Q8才截止， ZG-为高电平，下桥IGBT Q11导通，电流从V_OUT经过电感L6流向下桥IGBT Q11，此时电 感L6获得反向电流流过。当上桥IGBT导通时，由于电感L6之前通的是反向电流，电感的 电流不能发生突变，电流由反向变为0，再逐步正向增加，使电容充电。只要电感、电容根据 负载设计适中，上、下桥交替导通的频率较高，会使输入+500V高压直流电源与输出直流电 源V_OUT之间的压差主要由电感L6承担，上桥IGBT Q10的压降小而能通更大的电流，从而 能适用于大功率负载的工作场合。下桥导通时，由于其发射极直接接G，其压降主要取决于 驱动， 当驱动能力强时，其压。
21、降在1V以下，这样，当下桥IGBT良好导通时，V_OUT与G之间 的电压主要由电感L6承担，下桥IGBT的压降小也能通更大的电流，从而适用于大功率负载 的场合。 0032 6.对于上桥欠驱动电压保护模块5，如果由于某种原因（如干扰或故障），使得 +20_Z与ZS的电压差小于设定值（取决于D1、R9和P3，对于图中参数该值为12V），光耦P3 左端不导通，则光耦P3的输出端4输出高电平，Q2导通，Q3截止，ZG+输出低电平-5_Z，上 下桥模块3的上桥IGBT的栅极与发射极之间的驱动电压（ZG+）ZS=-5_ZZS=-5V，下桥 IGBT Q10不导通，从而起到当外部输入的驱动电压+20_ZZS。
22、小于设定值时，上桥IGBT不 导通的保护作用。相反，当外部输入的驱动电压+20_ZZS大于设定值时，光耦P3导通，D2 左边为低电平，Q2截止，Q3导通，ZG+输出高电平，上桥IGBT导通。 0033 7.对于下桥欠驱动电压保护模块6，如果由于某种原因（如干扰或故障），使得 +15V与ZS的电压差小于设定值（取决于D8、R19和P4，对于图中参数该值为12V），光耦P4 左端不导通，则光耦P4的输出端4输出高电平，Q8导通，Q9截止，ZG-输出低电平-10V，上 下桥模块3的下桥IGBT Q11不通，从而起到当外部输入的驱动电压+15VZS小于设定值时， 下桥IGBT不导通的保护作用。相反，当。
23、外部输入的驱动电压+15V-ZS大于设定值时，光耦 P4导通，D10左边为低电平，Q8截止，Q9导通，ZG-输出高电平15V，下桥IGBT Q11导通。 0034 本实施例中，选用IGBT作为开关管，可以扩大该开管电源的电压及功率范围的 原因是：IGBT开关管使用的电压范围较高，一般能达到1200V，电流也较大，常见的电流如 15A，而它的控制只需要15V的电压驱动就可以了，所以， 对大功率、高压的场合，一般优选 IGBT作为开关管。而其他的开关管如场效应管，10A以上的耐压就没那么高，一般在800V以 下，达林顿功率管是电流驱动型，耐压更低，一般在200V以下，而可控硅的工作频率较低， 一般。
24、用在交流电的场合。 0035 图1至图5中，上桥驱动信号模块1和上桥欠驱动电压保护模块5在节点UP_V处 连接，下桥驱动信号模块2和下桥欠驱动电压保护模块6在节点DOWN_V处连接，上桥驱动 信号模块1和上下桥模块3在节点ZG+处连接，下桥驱动信号模块2和上下桥模块3在节 点ZG-处连接，上下桥模块3和电感电容稳压模块4在节点Z处连接。 0036 上述实施例仅仅是本发明技术构思实现形式的列举，本发明的保护范围不仅限于 上述实施例，本发明的保护范围可延伸至本领域技术人员根据本发明的技术构思所能想到 的等同技术手段。 说 明 书CN 102916583 A 1/5页 7 图1 说 明 书 附 图CN 102916583 A 2/5页 8 图1续 说 明 书 附 图CN 102916583 A 3/5页 9 图2 说 明 书 附 图CN 102916583 A 4/5页 10 图3 图4 说 明 书 附 图CN 102916583 A 10 5/5页 11 图5 说 明 书 附 图CN 102916583 A 11 。