一种超宽输入电压范围下平衡开关管损耗的装置及方法与流程

本技术涉及电度表的，尤其是涉及一种超宽输入电压范围下平衡开关管损耗的装置及方法。

背景技术：

1、传统的三相四线制智能电表，为解决高压输入及四线制的供电要求，采用3pcs工频变压器进行电压变换，再通过整流及滤波电路实现直流电压的输出，这种方案的优势是成本低，缺点是体积大。同时不同国家、不同区域，三相四线智能电表的工作电压存在很大的区别。目前一些国家实际供电电压达到380vac、而有的国家则达到了480vac。如果把如此高的供电电压通过线-线直接接入85-264vac输入的ac/dc电源中，则电源将出现过压损坏等情况。因此，85-264vac输入的常规电源已经不能满足此应用需求。

2、为满足全球单相或三相输入电压（100vac~440vac）任接两线或者三线都要正常工作的供电要求，并且满足输入-输出、输出-输出高隔离电压的要求，开关电源具有宽输入电压，高效率，低待机功耗等优势，已然成为后续智能电表供电系统的首选，而综合效率和成本，反激电路最为常见。

3、智能电表是智能电网的终端，除了具备传统电能表基本用电量的计量功能以外，为了适应智能电网和新能源的使用，它还具有用电信息存储，双向多种费率计量功能，用户端控制功能，多种数据传输模式的双向数据通信功能，而随着所接通信模块越来越多，对于供电系统的功率要求越来越高，目前最大功率需要到12w，而考虑集成度，结构上常常将反激供电功率模块的控制器和开关器件于一个封装内。为了稳定可靠性的运行，功率开关器件的损耗要控制在一定的范围，避免由于和控制器封在一个封装内，损耗过大导致过热而引起控制器的过温保护，而实现不了稳定工作。

4、功率开关器件的损耗主要由两部分组成，分别是rdson的通态导通损耗和开关过程中电压和电流交越产生的开关损耗组成，而目前中小功率反激电路应用常用的控制方式是固定频率控制，由于开关管的损耗和输入电压，开关频率有关，如图1所示的典型定频率在60khz控制系统下反激开关管损耗图：(横轴代表输入电压vin，纵轴代表损耗ploss)。

5、三条曲线分别代表功率开关器件的rdson的通态导通损耗(虚线)，开关损耗（细实线），功率器件总损耗(粗实线)，由图可以说明，在固定频率控制系统下，在超宽输入电压100v~1000v的范围内，功率开关的总损耗随输入电压呈现抛物线形，在输入电压100v时，以通态导通损耗为主，在输入电压高达1000v时，以开关损耗为主，并且1000v时功率开关的总损耗为100v时功率开关的总损耗的2倍以及以上，这样势必导致在高输入电压下时，由于损耗过大，功率开关管发热大，引起可靠性差或者过温保护，影响产品的在宽范围输入电压的应用。

6、以下是功率开关的开关损耗，相关参数中虽然n，vo，ipk_p，tf，coss，fs为不变的，但是随着功率器件的耐压越来越高，coss和tf也会增大，另外，在系统应用中，变化量为输入电压vin，不仅有正比例的关系，还有平方的正比例关系，所以随着输入电压vin的上升，开关损耗也上升，其中，ipk_p表征为原边电感峰值电流的采样值，tf为换相时间，coss表征为输出电容，fs为开关频率。

7、，

8、为了降低开关损耗，就需要降低开关管的工作频率fs,而由反激断续工作模式下，输出功率的公式 在电感量lp不变的条件下， ipk_p的平方和fs成反比关系，而ipk_p 和开关损耗也有相关，但是频率的降低带来的损耗降低将大大高于ipk_p的上升带来的损耗降低。

9、综上所述，通过计算，如果降低开关频率到20khz，如图2所示，开关管的损耗随输入电压的曲线图 ，相比前图1，在输入电压100v下，以通态导通损耗是前一高频率下的2倍以上，低压输入又成为worse case，损耗过大，非常容易出现过温保护，影响产品的宽范围输入电压的应用。

技术实现思路

1、为了在超宽输入电压范围的系统应用中保持较低的开关管损耗，本技术提供一种超宽输入电压范围下平衡开关管损耗的装置及方法。

2、第一方面，本技术提供一种超宽输入电压范围下平衡开关管损耗的装置，采用如下的技术方案：

3、一种超宽输入电压范围下平衡开关管损耗的装置，应用于反激电路，所述反激电路包括功率开关q1，包括：

4、输入电压检测模块，用于检测获取输入电压大小并生成相应的输入电压信号；

5、频率控制模块，连接于所述输入电压检测模块以接收所述输入电压信号，并基于所述输入电压信号生成相应的频率控制信号；

6、振荡器模块，分别连接于所述频率控制模块以接收所述频率控制信号，并基于所述频率控制信号生成时钟信号；

7、关断信号控制模块，用于获取检测到的流过功率开关q1的电流大小并生成相应的关断信号；

8、pwm控制逻辑模块，分别连接于所述振荡器模块和所述关断信号控制模块以接收所述时钟信号和所述关断信号，并基于所述时钟信号和所述关断信号生成开关控制信号和频率调节信号；

9、驱动模块，连接于所述pwm控制逻辑模块以接收所述开关控制信号，并基于所述开关控制信号控制所述功率开关q1开通或关断，还用于接收所述频率调节信号以控制所述功率开关q1的开关频率。

10、在其中的一些实施例中，所述输入电压检测模块包括第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3和第一电容c1，所述第一电阻r1连接于电压检测端vd，另一端连接于第三电阻r3，所述第三电阻r3的另一端连接于所述频率控制模块，所述第二电阻(r2)的一端连接于所述第一电阻r1和所述第三电阻r3之间的节点，另一端接地，所述第一电容c1一端连接于所述第二电阻(r2)与地之间的节点，另一端连接于所述第三电阻r3和所述频率控制模块之间的节点。

11、在其中的一些实施例中，所述频率控制模块包括第一电压跟随器u1、第二电压跟随器u2、第三电压跟随器u3和加法器u4；

12、所述第一电压跟随器u1的正向输入端连接于所述第三电阻r3，负向输入端接地，输出端连接于所述加法器u4的第一输入端；

13、所述第二电压跟随器u2的正向输入端连接于磁珠fb，负向输入端接地，输出端连接于所述加法器u4的第二输入端；

14、所述加法器u4的输出端连接于所述第三电压跟随器u3的正向输入端；

15、所述第三电压跟随器u3的反向输入端接地，输出端连接于所述振荡器模块。

16、在其中的一些实施例中，所述振荡器模块包括电压控制型振荡器u5，其电压信号输入端vf连接于所述第三电压跟随器u3的输出端，时钟信号输出端连接于所述pwm控制逻辑模块。

17、在其中的一些实施例中，所述关断信号控制模块包括比较器u6，所述比较器u6的输入端用于接收所述功率开关q1的电流大小，其输出端连接于所述pwm控制逻辑模块。

18、在其中的一些实施例中，所述pwm控制逻辑模块包括rs触发器u7，所述rs触发器u7的s端连接于所述电压控制型振荡器u5的输出端，r端连接于所述比较器u6的输出端，q端连接于所述驱动模块。

19、在其中的一些实施例中，所述驱动模块包括正负反向开关u8，所述正负反向开关u8包括第一开关控制端和第二开关控制端；

20、所述第一开关控制端与所述rs触发器u5的q端正向连接，其一端连接于第一电源v1的正极，另一端连接于所述功率开关q1，所述第一电源v1的负极接地；

21、所述第二开关控制端与所述rs触发器u5的输出端反向连接，其一端接地，另一端连接于所述功率开关q1。

22、在其中的一些实施例中，还包括cs基准控制模块，其用于检测流过所述功率开关q1的电流大小，其包括检测端cs、第四电阻r4、第四电压跟随器u9 和第二电源v2，

23、所述检测端cs用于检测所述功率开关q1的源极电流，其连接于所述比较器u6的正向输入端；

24、所述第四电压跟随器u9的正向输入端连接于磁珠fb及所述第四电阻r4，反向输入端接地，输出端连接于所述rs触发器u5的r端；

25、所述第四电阻r4的另一端连接于所述第二电源v2的正极，所述第二电源v2的负极接地。

26、第二方面，本技术提供一种超宽输入电压范围下平衡开关管损耗的方法，采用如下的技术方案：

27、一种超宽输入电压范围下平衡开关管损耗的方法，包括以下步骤：

28、检测获取输入电压大小并生成相应的输入电压信号；

29、基于所述输入电压信号生成相应的频率控制信号；

30、基于所述频率控制信号生成时钟信号；

31、获取检测到的流过功率开关q1的电流大小并生成相应的关断信号；

32、基于所述时钟信号和所述关断信号生成开关控制信号和频率调节信号；

33、基于所述开关控制信号控制所述功率开关q1开通或关断，还用于接收所述频率调节信号以控制所述功率开关q1的开关频率，当所述输入电压信号不小于最高压时，所述开关频率对应第一频率，当所述输入电压信号不大于最低压时，所述开关频率对应第二频率，且所述输入电压信号处于所述最高压与所述最低压之间时，所述开关频率处于所述第一频率与所述第二频率之间。

34、在其中的一些实施例中，所述最高压为1000v，所述最低压为100v，所述第一频率为25khz，所述第二频率为61khz。