專利名稱：多波形輸入自適應(yīng)電源轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電源轉(zhuǎn)換器。
背景技術(shù)：
近年來，光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、蓄電池供電等交流低壓、直流低壓供電的可再生新能源系統(tǒng)被廣泛使用，提高低壓新能源供電系統(tǒng)的供電效率、供電質(zhì)量、供電可靠性勢在必行。目前本領(lǐng)域公知電源轉(zhuǎn)換基本采用:1、交流(AC)輸入，采用全波整流器把輸入交流(AC)電源整流為直流(DC)電源，再進(jìn)行DC/DC轉(zhuǎn)換為直流(DC)輸出。此種方案解決了較高輸入電壓交流電源和小功率電源的轉(zhuǎn)換問題。但在低電壓交流電源輸入和大功率電源轉(zhuǎn)換時，因為AC/DC整流電路的電壓降較高，而產(chǎn)生很高的功耗，使電源轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換效率很低。2、直流(DC)輸入，直接進(jìn)行DC/DC轉(zhuǎn)換為直流(DC)輸出。此種方案解決了固定設(shè)備供電問題。但使用可靠性較低，尤其是在移動性設(shè)備，經(jīng)常需要重新連接輸入電源的設(shè)備，一旦出現(xiàn)電源極性接反的情況，就會產(chǎn)生輸入短路事故。因此一些要求可靠性較高的設(shè)備，在轉(zhuǎn)換器輸入端加入直流定向整流電路。在低電壓直電源輸入和大功率電源轉(zhuǎn)換時，因為直流識別定向整流電路的電壓降較高，而產(chǎn)生很高的功耗，使電源轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換效率很低。3、為了提高低壓供電效率、降低線路電流一般采用升壓式(BOOST)直流(DC)供電方式。升壓式(BOOST)直流(DC)供電當(dāng)輸出產(chǎn)生短路故障，輸出電壓低于輸入電壓時BOOST電路功能失效，輸入電源直接對負(fù)載短路，大電流(大功率)系統(tǒng)短路保護(hù)控制難度很大。以常規(guī)整流(識別定向)電路在輸入為低壓新能源電源為例進(jìn)行說明，輸入電壓Ui=IOV(AC、DC),輸入電流Ii=20A，輸入功率Pi=IOX 20=200ff,整流(識別定向)電路壓降Ud=2V，整流(識別定向)電路耗為:Pd=2X20=40W，輸出功率Po=200-40=160W，其整流(識別定向)效率為:E=160/200=0.8，由此可見常規(guī)整流(識別定向)電路在輸入為低壓新能源電源時，功耗很大，效率很低。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提供一種多波形輸入自適應(yīng)電源轉(zhuǎn)換器，主要解決了現(xiàn)有低壓新能源電源轉(zhuǎn)換器功耗高、效率低、可靠性差的問題。本發(fā)明的具體技術(shù)解決方案如下:該多波形輸入自適應(yīng)電源轉(zhuǎn)換器，包括VMOS開關(guān)電路和調(diào)寬式脈沖控制電路，VMOS開關(guān)電路的輸入端通過續(xù)流電感與輸入電源的輸出端連接，VMOS開關(guān)電路的輸出端依次通過反向隔離電路、儲能濾波電路與負(fù)載連接，所述VMOS開關(guān)電路的輸入端還與VMOS開關(guān)驅(qū)動電路的輸出端連接，所述調(diào)寬式脈沖控制電路的輸出端通過驅(qū)動信號合成電路與VMOS開關(guān)驅(qū)動電路的輸入端連接，調(diào)寬式脈沖控制電路的輸入端通過輸入電流采樣電路與輸入電源的輸出端連接，驅(qū)動信號合成電路的輸入端還通過續(xù)流電壓采樣電路與VMOS開關(guān)電路的輸出端連接；所述調(diào)寬式脈沖控制電路的輸入端還通過輸出電流采樣電路與儲能濾波電路的輸出端連接；所述調(diào)寬式脈沖控制電路、驅(qū)動信號合成電路、VMOS開關(guān)驅(qū)動電路和續(xù)流電壓采樣電路組成控制電路；所述輸入電流采樣電路包括電流傳感器CSl、電容C13、電阻R21，二極管D4，電流傳感器CSl與二極管D4串聯(lián)構(gòu)成一個支路，電容C13、電阻R21分別與該支路并聯(lián)；所述輸出電流采樣電路包括電流傳感器CS2、電容C9和二極管D5，電流傳感器CS2與二極管D5串聯(lián)構(gòu)成一個支路，電容C9與該支路并聯(lián)。 所述續(xù)流電壓采樣電路包括由穩(wěn)壓二極管Z3，濾波電容Cl I，分壓電阻R3，R4組成的輸出米樣電路和由穩(wěn)壓二極管Z4,濾波電容C12,分壓電阻Rl, R5組成的輸入米樣電路，所述輸出采樣電路的輸出端為R4與R3之間的節(jié)點，該節(jié)點與驅(qū)動信號合成電路輸入端的一個接口連接，輸入采樣電路的輸出端為Rl與R5之間的節(jié)點，該節(jié)點與驅(qū)動信號合成電路輸入端的另一個接口連接。所述反向隔離電路由與所述VMOS開關(guān)電路同步整流的VMOS管組構(gòu)成，由所述驅(qū)動信號合成電路經(jīng)續(xù)流驅(qū)動電路同步驅(qū)動。所述儲能濾波電路采用一個電容，該電容的正端接負(fù)載正端，該電容的負(fù)端接負(fù)載負(fù)端。本發(fā)明的優(yōu)點在于:本發(fā)明提供的多波形輸入自適應(yīng)電源轉(zhuǎn)換器有XC/DC擴展(XC)形、無極性、多波形、寬頻率電源輸入，DC(直流)輸出，自動極性識別定向、高轉(zhuǎn)換效率、高功率因數(shù)、高可靠性、高功率密度、低成本等優(yōu)勢。

圖1為本發(fā)明電路原理框圖；圖2為本發(fā)明電路結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為自動定向BOOST在Ui正半周(Ml、M2、M3、M4) PWM導(dǎo)通時電流流圖；圖4為自動定向BOOST在Ui正半周(M3、M4) PWM導(dǎo)通續(xù)流時電流流圖；圖5為輸入電源為Ac正弦波時的單周期波形圖。
具體實施方式
該多波形輸入自適應(yīng)電源轉(zhuǎn)換器，包括VMOS開關(guān)電路和調(diào)寬式脈沖控制電路，VMOS開關(guān)電路的輸入端通過續(xù)流電感與輸入電源的輸出端連接，VMOS開關(guān)電路的輸出端依次通過反向隔離電路、儲能濾波電路與負(fù)載連接，所述VMOS開關(guān)電路的輸入端還與VMOS開關(guān)驅(qū)動電路的輸出端連接，所述調(diào)寬式脈沖控制電路的輸出端通過驅(qū)動信號合成電路與VMOS開關(guān)驅(qū)動電路的輸入端連接，調(diào)寬式脈沖控制電路的輸入端通過輸入電流采樣電路與輸入電源的輸出端連接，驅(qū)動信號合成電路的輸入端還通過續(xù)流電壓采樣電路與VMOS開關(guān)電路的輸出端連接；所述調(diào)寬式脈沖控制電路的輸入端還通過輸出電流采樣電路與儲能濾波電路的輸出端連接；所述調(diào)寬式脈沖控制電路、驅(qū)動信號合成電路、VMOS開關(guān)驅(qū)動電路和續(xù)流電壓采樣電路組成控制電路；所述輸入電流采樣電路包括電流傳感器CSl、電容C13、電阻R21，二極管D4，電流傳感器CSl與二極管D4串聯(lián)構(gòu)成一個支路，電容C13、電阻R21分別與該支路并聯(lián)；所述輸出電流采樣電路包括電流傳感器CS2、電容C9和二極管D5，電流傳感器CS2與二極管D5串聯(lián)構(gòu)成一個支路，電容C9與該支路并聯(lián)。續(xù)流電壓采樣電路包括由穩(wěn)壓二極管Z3，濾波電容C11，分壓電阻R3，R4組成的輸出采樣電路和由穩(wěn)壓二極管Z4，濾波電容C12，分壓電阻Rl，R5組成的輸入采樣電路，所述輸出采樣電路的輸出端為R4與R3之間的節(jié)點，該節(jié)點與驅(qū)動信號合成電路輸入端的一個接口連接，輸入采樣電路的輸出端為Rl與R5之間的節(jié)點，該節(jié)點與驅(qū)動信號合成電路輸入端的另一個接口連接。反向隔離電路由與所述VMOS開關(guān)電路同步整流的VMOS管組構(gòu)成，由所述驅(qū)動信號合成電路經(jīng)續(xù)流驅(qū)動電路同步驅(qū)動。儲能濾波電路采用一個電容，該電容的正端接負(fù)載正端，該電容的負(fù)端接負(fù)載負(fù)端。以下對各重要電路的功能進(jìn)行說明:續(xù)流電感:利用電感特性對輸入電源進(jìn)行升壓；VMOS開關(guān)電路:VM0S開關(guān)電路導(dǎo)通期間，續(xù)流電感中有電流通過；VM0S開關(guān)電路關(guān)斷期間，續(xù)流電路導(dǎo)通，使續(xù)流電感中電流繼續(xù)導(dǎo)通，產(chǎn)生高壓，對儲能濾波電路進(jìn)行充電，充電后由儲能濾波電路對負(fù)載進(jìn)行供電；儲能濾波電路:VM0S開關(guān)電路關(guān)斷期間充電并對負(fù)載供電；VMOS開關(guān)驅(qū)動電路:對驅(qū)動信號合成電路生成的VMOS開關(guān)信號和VMOS續(xù)流信號進(jìn)行放大處理；
驅(qū)動信號合成電路:對調(diào)寬式脈沖控制電路生成的PWM調(diào)寬式脈沖信號、電壓采樣電路輸入的交直流信號、正負(fù)極信號或續(xù)流信號以及電源信號進(jìn)行合成，生成合成信號(包括極性、交流、直流、調(diào)寬信號);然后根據(jù)合成信號進(jìn)行自動分配，區(qū)分為VMOS開關(guān)信號和VMOS續(xù)流信號；調(diào)寬式脈沖控制電路:根據(jù)輸入采樣電路和/或輸出采樣電路輸入的電流采樣信號生成PWM調(diào)寬式脈沖信號；續(xù)流電壓采樣電路:對VMOS開關(guān)電路和續(xù)流電路的電流信號進(jìn)行采樣，產(chǎn)生交直流信號、正負(fù)極信號或續(xù)流信號，并將上述信號輸入至驅(qū)動信號合成電路；輸入電流采樣電路:對輸入電源輸入經(jīng)過續(xù)流電感的電流進(jìn)行采樣,生成采樣信號并將采樣信號提供給調(diào)寬式脈沖控制電路進(jìn)行處理；
以下結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行詳述:ICl (UCC28084或其它同類器件)，為標(biāo)準(zhǔn)雙端交替輸出PWM控制器，通過器件I端(OC)控制PWM調(diào)寬輸出 ，輸出交替PWM波形P1、P2。町、! 5、(:12、24對續(xù)流波形？4進(jìn)行檢測整形，形成波形？3。其中，穩(wěn)壓管Z4保持P3的電壓穩(wěn)定，電容C12用以濾波，使得在PA出現(xiàn)高電平時能夠使P3持續(xù)高電平。1 4、1 3、(:11、23對續(xù)流波形？8進(jìn)行檢測整形，形成波形？4。其中，穩(wěn)壓管Z3保持P4的電壓穩(wěn)定，電容Cll用以濾波，使得在PB出現(xiàn)高電平時能夠使P4持續(xù)高電平。IC2(CD4071或其它同類器件)，為標(biāo)準(zhǔn)2輸入或門，其中:Αο=Α1+Α2、Βο=Β1+Β2、Co=Cl+C2、Do=Dl+D2，對PU P2、P3、P4進(jìn)行邏輯合成后形成交錯輸出PWM控制波形。IC3、IC4 (IR442或其它同類器件)，為標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動器，其中:Ao=A1、Bo=Bi，對VMOS進(jìn)行高速大電流驅(qū)動，以降低VMOS開關(guān)功耗提高轉(zhuǎn)換效率。[0040]CS1、CS2、D4、D5、R21、C13組成電流傳感、鑒別、檢測電路，自動檢測出PWM開通時電源高端VMOS通過的電流波形。同時超其電路具有很低的功耗，采用電流傳感系數(shù)< 100、采樣控制電壓< 0.5V，控制功耗Pe < 0.5X10X0.01=0.005X10(10為導(dǎo)通電流)，當(dāng)IO為 20A 時:Pe < 0.05X20=0.1ff0C7、C8、C9主要用于進(jìn)一步消除噪聲(窄脈沖)。L1、D3、C14組成BOOST升壓電路的LDC，為了適應(yīng)輸入電源的不對稱性，例如單極性直流、單極性方波、單極性三角波等，LI采用差模對稱式，也可僅在輸入回路的正端或負(fù)端設(shè)置電感作為LI。PWM控制電路(I CI)的Ao端口和Bo端口交替輸出控制信號P1、P2，且P1、P2之間總保持一個用于續(xù)流的間隔時間(對應(yīng)于PA波形的高電平)。P3、P4由輸入回路中的PA、PB波形分壓所得。PU P2、P3、P4接入觸發(fā)信號合成電路(IC2)的輸入端口，進(jìn)行如前所述的或邏輯運算后，再分別經(jīng)開關(guān)驅(qū)動器IC3、IC4驅(qū)動將觸發(fā)信號分別加至兩個VMOS開關(guān)電路組(Ml、M2 ;M3、M4)，D3具有兩個輸入端，分別接至輸入回路的正端和負(fù)端，正向電流經(jīng)反向隔離電路D3對C14充電。Ml與M2并聯(lián)交替工作，M3與M4并聯(lián)交替工作(每一個VMOS開關(guān)本身具有與之并聯(lián)的二極管)。在輸入交流在波形正半周或輸入直流為上正下負(fù)，當(dāng)PWM控制電路(ICl)輸出的控制信號Pl和P2之一處于高電平時，該XC/DC自動定向BOOST電路處于PWM導(dǎo)通狀態(tài)，電流在輸入回路中從正端依次流經(jīng)第一組VMOS開關(guān)電路組(Ml、M2 )、第二組VMOS開關(guān)電路組(M3、M4)，然后流回負(fù)端；由于D3起反向隔離作用，C14上的儲能不會反向流回輸入回路。當(dāng)PWM控制電路(ICl)輸出的控制信號P1、P2均為低電平時，則Ml、M2上沒有觸發(fā)信號，因此M1、M2不導(dǎo)通，但由于續(xù)流電感LI的存在，且M3、M4中的二極管能夠形成自地端至輸入回路負(fù)端的導(dǎo)通回路，從而使電路中因續(xù)流電感產(chǎn)生的續(xù)流自輸入回路的正端經(jīng)D3對C14充電，并且同時經(jīng)由輸出回路的負(fù)載、第二組VMOS開關(guān)電路組(M3、M4)，然后流回負(fù)端。實際上，一旦電路中存在上述續(xù)流，即PA為高電平、PB為低電平，從而使得P1、P2、P3、P4進(jìn)行或邏輯運算后產(chǎn)生觸發(fā)信號，使M3、M4導(dǎo)通，由于M3、M4的電阻很小，因此，在續(xù)流過程中產(chǎn)生的功耗仍然很小。而且，升壓輸出本身能夠降低線路損耗。比如，Ui=IO(V),升壓后Uo=50 (V)，則根據(jù)P=U2/R可知，線路損耗僅為原來的1/5.[0047]舉例說明本發(fā)明的低功耗:電路中采用Rds=0.001 Ω低導(dǎo)通電阻N溝道VMOS管，在PWM開通期間Ml、M2交錯導(dǎo)通，VMOS導(dǎo)通電阻Rds=0.001 Ω，M3、M4雙管并聯(lián)交錯導(dǎo)通，VMOS導(dǎo)通電阻Rds=0.001 Ω /2=0.0005 Ω，若還是輸入20A電流，則導(dǎo)通電壓為:U1=0.001X20=0.02V，U2=0.0005X20=0.0lV,識別定向功耗為:Pe=20X (0.02+0.01)=0.6W ;在PWM關(guān)斷期間Ml、M2截止關(guān)斷，M3、M4雙管并聯(lián)交錯導(dǎo)通續(xù)流，VMOS導(dǎo)通電阻Rds=0.001 Ω /2=0.0005 Ω，若是20A續(xù)流電流，則導(dǎo)通電壓為:U2=0.0005X20=0.01V，識別定向功耗為:Pe=20X0.01=0.2W。較之于現(xiàn)有技術(shù)的整流識別定向電路40W的功耗，本發(fā)明的XC/DC自動識別定向BOOST電路功耗顯著降低。若反向隔離電路D3也采用同步的VMOS開關(guān)電路(其觸發(fā)信號與PA和PB的波形同步)，則可利用VMOS開關(guān)電路電阻小的特性進(jìn)一步降低線路損耗。尤其在BOOST輸出較低時轉(zhuǎn)換效率的提高更為顯著。[0049]VMOS開關(guān)在觸發(fā)信號作用下，能夠根據(jù)所加電壓極性實現(xiàn)正向或反向?qū)?，基于此特性，在輸入交流在波形?fù)半周或輸入直流為上負(fù)下正時，該XC/DC自動定向BOOST電路的工作過程與上述導(dǎo)通、續(xù)流過程原理相同，且由于第一組VMOS開關(guān)電路組(Ml、M2)與第二組VMOS開關(guān)電路組(M3、M4)采用對稱電路結(jié)構(gòu)，在Ui負(fù)半周VMOS導(dǎo)通和續(xù)流是完全可逆的。如，當(dāng)PWM控制電路(ICl)輸出的控制信號P1、P2均為低電平時，則M3、M4上沒有觸發(fā)信號，因此M3、M4不導(dǎo)通，而由第一組VMOS開關(guān)電路組(Ml、M2)實現(xiàn)續(xù)流過程。可見，該BOOST電路能夠自動完成對雙極性電源(交流正玄波、方波、三角波，交流工頻、中頻、低頻、超低頻)的自動識別定向；及對單極性電源(直流、直流方波、直流三角波等)的自動識別定向，交流雙極性電源及直流單極性電源可以不分正負(fù)任意接入。上述實施例是本發(fā)明的最佳實施例，采用這種交錯PWM控制方式使Ml、M2交錯導(dǎo)通，每個VMOS開關(guān)工作頻率為1/2電路頻率，能夠使VMOS開關(guān)在較低開關(guān)頻率下工作，大幅降低開關(guān)功耗；相應(yīng)地，電路中L、C器件的工作頻率為2倍VMOS管頻率，較高的電路工作頻率降低了對LC電路中電感(L)量和電容(C)的要求，降低了成本及工藝難度。實際上，基于本發(fā)明的導(dǎo)通、續(xù)流的基本原理，也可以考慮每個VMOS開關(guān)電路組只采用一個VMOS開關(guān)，也足以體現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)效果。比如只保留M1、M3，同樣也能夠在輸入交流在波形正半周或輸入直流為上正下負(fù)時，由Ml、M3實現(xiàn)導(dǎo)通回路，由M3實現(xiàn)續(xù)流回路；在輸入交流在波形負(fù)半周或輸入直流為上負(fù)下正時，由M1、M3實現(xiàn)導(dǎo)通回路，由Ml實現(xiàn)續(xù)流回路。當(dāng)然，在此方案下，也可以嘗試讓每個VMOS開關(guān)的工作頻率減半，但這就需要成倍地增大續(xù)流電感、儲能電容，以滿足續(xù)流的要求，從而導(dǎo)致成本較高、元器件體積較大、功率密度降低。
權(quán)利要求1.一種多波形輸入自適應(yīng)電源轉(zhuǎn)換器，其特征在于:包括VMOS開關(guān)電路和調(diào)寬式脈沖控制電路，VMOS開關(guān)電路的輸入端通過續(xù)流電感與輸入電源的輸出端連接，VMOS開關(guān)電路的輸出端依次通過反向隔離電路、儲能濾波電路與負(fù)載連接，所述VMOS開關(guān)電路的輸入端還與VMOS開關(guān)驅(qū)動電路的輸出端連接，所述調(diào)寬式脈沖控制電路的輸出端通過驅(qū)動信號合成電路與VMOS開關(guān)驅(qū)動電路的輸入端連接，調(diào)寬式脈沖控制電路的輸入端通過輸入電流采樣電路與輸入電源的輸出端連接，驅(qū)動信號合成電路的輸入端還通過續(xù)流電壓采樣電路與VMOS開關(guān)電路的輸出端連接；所述調(diào)寬式脈沖控制電路的輸入端還通過輸出電流采樣電路與儲能濾波電路的輸出端連接；所述調(diào)寬式脈沖控制電路、驅(qū)動信號合成電路、VMOS開關(guān)驅(qū)動電路和續(xù)流電壓采樣電路組成控制電路；所述輸入電流采樣電路包括電流傳感器CS1、電容C13、電阻R21，二極管D4，電流傳感器CSl與二極管D4串聯(lián)構(gòu)成一個支路，電容C13、電阻R21分別與該支路并聯(lián)；所述輸出電流采樣電路包括電流傳感器CS2、電容C9和二極管D5，電流傳感器CS2與二極管D5串聯(lián)構(gòu)成一個支路，電容C9與該支路并聯(lián)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多波形輸入自適應(yīng)電源轉(zhuǎn)換器，其特征在于:所述續(xù)流電壓采樣電路包括由穩(wěn)壓二極管Z3，濾波電容C11，分壓電阻R3，R4組成的輸出采樣電路和由穩(wěn)壓二極管Z4,濾波電容C12,分壓電阻Rl, R5組成的輸入米樣電路,所述輸出米樣電路的輸出端為R4與R3之間的節(jié)點，該節(jié)點與驅(qū)動信號合成電路輸入端的一個接口連接，輸入采樣電路的輸出端為Rl與R5之間的節(jié)點，該節(jié)點與驅(qū)動信號合成電路輸入端的另一個接口連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多波形輸入自適應(yīng)電源轉(zhuǎn)換器，其特征在于:所述反向隔離電路由與所述VMOS開關(guān)電路同步整流的VMOS管組構(gòu)成，由所述驅(qū)動信號合成電路經(jīng)續(xù)流驅(qū)動電路同步驅(qū)動。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的多波形輸入自適應(yīng)電源轉(zhuǎn)換器，其特征在于:所述儲能濾波電路采用一個電容，該電容的正端接負(fù)載正端，該電容的負(fù)端接負(fù)載負(fù)端。
專利摘要本發(fā)明提供一種多波形輸入自適應(yīng)電源轉(zhuǎn)換器，主要解決了現(xiàn)有低壓新能源電源轉(zhuǎn)換器功耗高、效率低、可靠性差的問題。該多波形輸入自適應(yīng)電源轉(zhuǎn)換器，包括VMOS開關(guān)電路、調(diào)寬式脈沖控制電路、續(xù)流電感、輸入電源、反向隔離電路、儲能濾波電路、負(fù)載、VMOS開關(guān)驅(qū)動電路、驅(qū)動信號合成電路。該多波形輸入自適應(yīng)電源轉(zhuǎn)換器能夠?qū)?、直流多種波形無差別穩(wěn)定輸出。
文檔編號H02M1/088GK203056943SQ20122066741
公開日2013年7月10日 申請日期2012年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月30日
發(fā)明者胡家培, 胡民海 申請人:西安智海電力科技有限公司