智能整流控制輸出電路的製作方法

2023-09-18 00:15:10 6

智能整流控制輸出電路的製作方法
【專利摘要】本發明提供一種智能整流控制輸出電路，主要解決了現有低壓新能源電源轉換器功耗高、效率低、可靠性差的問題。其續流電感利用電感特性對輸入電源進行升壓；VMOS開關電路導通期間，續流電感中有電流通過；VMOS開關電路關斷期間，續流電路導通，使續流電感中電流繼續導通，產生高壓，對儲能濾波電路進行充電，充電後由儲能濾波電路對負載進行供電；儲能濾波電路用於VMOS開關電路關斷期間充電並對負載供電。
【專利說明】智能整流控制輸出電路
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種智能整流控制輸出電路，屬於電源轉換【技術領域】。
【背景技術】
[0002]近年來，光伏發電、風力發電、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被廣泛使用，提高低壓新能源供電系統的供電效率、供電質量、供電可靠性勢在必行。
[0003]目前本領域公知電源轉換基本採用:
[0004]1、交流(AC)輸入，採用全波整流器把輸入交流(AC)電源整流為直流(DC)電源，再進行DC/DC轉換為直流(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換問題。但在低電壓交流電源輸入和大功率電源轉換時，因為AC/DC整流電路的電壓降較高，而產生很高的功耗，使電源轉換器轉換效率很低。
[0005]2、直流(DC)輸入，直接進行DC/DC轉換為直流(DC)輸出。此種方案解決了固定設備供電問題。但使用可靠性較低，尤其是在移動性設備，經常需要重新連接輸入電源的設備，一旦出現電源極性接反的情況，就會產生輸入短路事故。因此一些要求可靠性較高的設備，在轉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換時，因為直流識別定向整流電路的電壓降較高，而產生很高的功耗，使電源轉換器轉換效率很低。
[0006]3、為了提高低壓供電效率、降低線路電流一般採用升壓式(BOOST)直流(DC)供電方式。升壓式(BOOST)直流(DC)供電當輸出產生短路故障，輸出電壓低於輸入電壓時BOOST電路功能失效，輸入電源直接對負載短路，大電流(大功率)系統短路保護控制難度很大。
[0007]以常規整流(識別定向)電路在輸入為低壓新能源電源為例進行說明，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。

【發明內容】

[0008]本發明提供一種智能整流控制輸出電路，主要解決了現有低壓新能源電源轉換器功耗高、效率低、可靠性差的問題。
[0009]本發明的具體技術解決方案如下:
[0010]該智能整流控制輸出電路，包括反向隔離電路，所述反向隔離電路的輸出端通過儲能濾波電路與負載連接，反向隔離電路的輸入端與VMOS開關電路的輸出端連接，VMOS開關電路的輸入端通過續流電感與輸入電源的輸出端連接，輸入電源的輸出端通過輸入電流採樣電路與調寬式脈衝控制電路的輸入端連接，儲能濾波電路的輸出端通過輸出電流採樣電路與調寬式脈衝控制電路的輸入端連接，調寬式脈衝控制電路的輸出端依次通過驅動信號合成電路、VMOS開關驅動電路與VMOS開關電路的輸入端連接，驅動信號合成電路的輸入端通過續流電壓採樣電路與VMOS開關電路的輸出端連接；所述調寬式脈衝控制電路、驅動信號合成電路、VMOS開關驅動電路和續流電壓採樣電路組成控制電路；
[0011]所述續流電感是設置在輸入電源輸出端正端上的差模對稱電感；所述VMOS開關電路包括兩個串聯的VMOS管組，輸入電源通過續流電感依次與兩個VMOS管組在反向隔離電路輸入端之前串聯；所述VMOS開關驅動電路包括兩個並聯的驅動器，各驅動器分別與兩個VMOS管組的輸入端連接；所述反向隔離電路由與所述VMOS開關電路同步整流的VMOS管組構成，由所述驅動信號合成電路經續流驅動電路同步驅動。
[0012]本發明的優點在於:
[0013]本發明提供的智能整流控制輸出電路有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、高轉換效率、高功率因數、高可靠性、高功率密度、低成本等優勢。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1為本發明電路原理框圖；
[0015]圖2為本發明電路結構示意圖；
[0016]圖3為輸入電源為Ac正弦波時的單周期波形圖。
【具體實施方式】
[0017]該智能整流控制輸出電路，包括反向隔離電路，所述反向隔離電路的輸出端通過儲能濾波電路與負載連接，反向隔離電路的輸入端與VMOS開關電路的輸出端連接，VMOS開關電路的輸入端通過續流電感與輸入電源的輸出端連接，輸入電源的輸出端通過輸入電流採樣電路與調寬式脈衝控制電路的輸入端連接，儲能濾波電路的輸出端通過輸出電流採樣電路與調寬式脈衝控制電路的輸入端連接，調寬式脈衝控制電路的輸出端依次通過驅動信號合成電路、VMOS開關驅動電路與VMOS開關電路的輸入端連接，驅動信號合成電路的輸入端通過續流電壓採樣電路與VMOS開關電路的輸出端連接；所述調寬式脈衝控制電路、驅動信號合成電路、VMOS開關驅動電路和續流電壓採樣電路組成控制電路；
[0018]續流電感是設置在輸入電源輸出端正端上的差模對稱電感；VM0S開關電路包括兩個串聯的VMOS管組，輸入電源通過續流電感依次與兩個VMOS管組在反向隔離電路輸入端之前串聯；VM0S開關驅動電路包括兩個並聯的驅動器，各驅動器分別與兩個VMOS管組的輸入端連接；反向隔離電路由與所述VMOS開關電路同步整流的VMOS管組構成，由所述驅動信號合成電路經續流驅動電路同步驅動。
[0019]以下對各重要電路的功能進行說明:
[0020]續流電感:利用電感特性對輸入電源進行升壓；
[0021]VMOS開關電路:VM0S開關電路導通期間，續流電感中有電流通過；VM0S開關電路關斷期間，續流電路導通，使續流電感中電流繼續導通，產生高壓，對儲能濾波電路進行充電，充電後由儲能濾波電路對負載進行供電；
[0022]儲能濾波電路:VM0S開關電路關斷期間充電並對負載供電；
[0023]VMOS開關驅動電路:對驅動信號合成電路生成的VMOS開關信號和VMOS續流信號進行放大處理；[0024]驅動信號合成電路:對調寬式脈衝控制電路生成的PWM調寬式脈衝信號、電壓採樣電路輸入的交直流信號、正負極信號或續流信號以及電源信號進行合成，生成合成信號(包括極性、交流、直流、調寬信號);然後根據合成信號進行自動分配，區分為VMOS開關信號和VMOS續流信號；
[0025]調寬式脈衝控制電路:根據輸入採樣電路和/或輸出採樣電路輸入的電流採樣信號生成PWM調寬式脈衝信號；
[0026]續流電壓採樣電路:對VMOS開關電路和續流電路的電流信號進行採樣，產生交直流信號、正負極信號或續流信號，並將上述信號輸入至驅動信號合成電路；
[0027]輸入電流採樣電路:對輸入電源輸入經過續流電感的電流進行採樣,生成採樣信號並將採樣信號提供給調寬式脈衝控制電路進行處理；
[0028]以下結合附圖對本發明進行詳述:
[0029]ICl (UCC28084或其它同類器件)，為標準雙端交替輸出PWM控制器，通過器件I端(OC)控制PWM調寬輸出，輸出交替PWM波形P1、P2。
[0030]町、!?5、(:12、24對續流波形？4進行檢測整形，形成波形？3。其中，穩壓管Z4保持P3的電壓穩定，電容C12用以濾波，使得在PA出現高電平時能夠使P3持續高電平。
[0031]1?4、1?3、(:11、23對續流波形？8進行檢測整形，形成波形？4。其中，穩壓管Z3保持P4的電壓穩定，電容Cll用以濾波，使得在PB出現高電平時能夠使P4持續高電平。
[0032]IC2(CD4071或其·它同類器件)，為標準2輸入或門，其中:Αο=Α1+Α2、Βο=Β1+Β2、Co=Cl+C2、Do=Dl+D2，對PU P2、P3、P4進行邏輯合成後形成交錯輸出PWM控制波形。
[0033]IC3、IC4 (IR442或其它同類器件)，為標準驅動器，其中:Ao=A1、Bo=Bi，對VMOS進行高速大電流驅動，以降低VMOS開關功耗提高轉換效率。
[0034]CS1、CS2、D4、D5、R21、C13組成電流傳感、鑑別、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，採用電流傳感係數< 100、採樣控制電壓< 0.5V，控制功耗Pe < 0.5X10X0.01=0.005X10 (10為導通電流)，當IO為 20A 時:Pe < 0.05X20=0.1ff0
[0035]C7、C8、C9主要用於進一步消除噪聲(窄脈衝)。
[0036]L1、D3、C14組成BOOST升壓電路的LDC，為了適應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採用差模對稱式，也可僅在輸入迴路的正端或負端設置電感作為LI。
[0037]PWM控制電路(I CI)的Ao埠和Bo埠交替輸出控制信號P1、P2，且P1、P2之間總保持一個用於續流的間隔時間(對應於PA波形的高電平)。P3、P4由輸入迴路中的PA、PB波形分壓所得。PU P2、P3、P4接入觸發信號合成電路(IC2)的輸入埠，進行如前所述的或邏輯運算後，再分別經開關驅動器IC3、IC4驅動將觸發信號分別加至兩個VMOS開關電路組(Ml、M2 ;M3、M4)，D3具有兩個輸入端，分別接至輸入迴路的正端和負端，正向電流經反向隔離電路D3對C14充電。
[0038]Ml與M2並聯交替工作，M3與M4並聯交替工作(每一個VMOS開關本身具有與之並聯的二極體)。
[0039]在輸入交流在波形正半周或輸入直流為上正下負，當PWM控制電路(ICl)輸出的控制信號Pl和P2之一處於高電平時，該XC/DC自動定向BOOST電路處於PWM導通狀態，電流在輸入迴路中從正端依次流經第一組VMOS開關電路組(Ml、M2 )、第二組VMOS開關電路組(M3、M4)，然後流回負端；由於D3起反向隔離作用，C14上的儲能不會反向流回輸入迴路。
[0040]當PWM控制電路(ICl)輸出的控制信號P1、P2均為低電平時，則Ml、M2上沒有觸發信號，因此M1、M2不導通，但由於續流電感LI的存在，且M3、M4中的二極體能夠形成自地端至輸入迴路負端的導通迴路，從而使電路中因續流電感產生的續流自輸入迴路的正端經D3對C14充電，並且同時經由輸出迴路的負載、第二組VMOS開關電路組(M3、M4)，然後流回負端。實際上，一旦電路中存在上述續流，即PA為高電平、PB為低電平，從而使得P1、P2、P3、P4進行或邏輯運算後產生觸發信號，使M3、M4導通，由於M3、M4的電阻很小，因此，在續流過程中產生的功耗仍然很小。而且，升壓輸出本身能夠降低線路損耗。比如，Ui=IO(V),升壓後Uo=50 (V)，則根據P=U2/R可知，線路損耗僅為原來的1/5.[0041]舉例說明本發明的低功耗:電路中採用Rds=0.001 Ω低導通電阻N溝道VMOS管，在PWM開通期間Ml、M2交錯導通，VMOS導通電阻Rds=0.001 Ω，M3、M4雙管並聯交錯導通，VMOS導通電阻Rds=0.001 Ω /2=0.0005 Ω，若還是輸入20A電流，則導通電壓為: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關斷期間Ml、M2截止關斷，M3、M4雙管並聯交錯導通續流，VMOS導通電阻Rds=0.001 Ω /2=0.0005 Ω，若是20A續流電流，則導通電壓為:U2=0.0005X20=0.01V，識別定向功耗為:Pe=20X0.01=0.2W。較之於現有技術的整流識別定向電路40W的功耗，本發明的XC/DC自動識別定向BOOST電路功耗顯著降低。
[0042]若反向隔離電路D3也採用同步的VMOS開關電路(其觸發信號與PA和PB的波形同步)，則可利用VMOS開關電路電阻小的特性進一步降低線路損耗。尤其在BOOST輸出較低時轉換效率的提高更為顯著。
[0043]VMOS開關在觸發信號作用下，能夠根據所加電壓極性實現正向或反嚮導通，基於此特性，在輸入交流在波形負半周或輸入直流為上負下正時，該XC/DC自動定向BOOST電路的工作過程與上述導通、續流過程原理相同，且由於第一組VMOS開關電路組(Ml、M2)與第二組VMOS開關電路組(M3、M4)採用對稱電路結構，在Ui負半周VMOS導通和續流是完全可逆的。如，當PWM控制電路(ICl)輸出的控制信號P1、P2均為低電平時，則M3、M4上沒有觸發信號，因此M3、M4不導通，而由第一組VMOS開關電路組(Ml、M2)實現續流過程。
[0044]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任意接入。
[0045]上述實施例是本發明的最佳實施例，採用這種交錯PWM控制方式使Ml、M2交錯導通，每個VMOS開關工作頻率為1/2電路頻率，能夠使VMOS開關在較低開關頻率下工作，大幅降低開關功耗；相應地，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，基於本發明的導通、續流的基本原理，也可以考慮每個VMOS開關電路組只採用一個VMOS開關，也足以體現本發明的技術效果。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時，由Ml、M3實現導通迴路，由M3實現續流迴路；在輸入交流在波形負半周或輸入直流為上負下正時，由M1、M3實現導通迴路，由Ml實現續流迴路。當然，在此方案下，也可以嘗試讓每個VMOS開關的工作頻率減半，但這就需要成倍地增大續流電感、儲能電容，以滿足續流的要求，從而導致成本較高、元器件體積較大、功率密度降低。
【權利要求】
1.一種智能整流控制輸出電路，包括反向隔離電路，所述反向隔離電路的輸出端通過儲能濾波電路與負載連接，反向隔離電路的輸入端與VMOS開關電路的輸出端連接，VMOS開關電路的輸入端通過續流電感與輸入電源的輸出端連接，輸入電源的輸出端通過輸入電流採樣電路與調寬式脈衝控制電路的輸入端連接，儲能濾波電路的輸出端通過輸出電流採樣電路與調寬式脈衝控制電路的輸入端連接，調寬式脈衝控制電路的輸出端依次通過驅動信號合成電路、VMOS開關驅動電路與VMOS開關電路的輸入端連接，驅動信號合成電路的輸入端通過續流電壓採樣電路與VMOS開關電路的輸出端連接；所述調寬式脈衝控制電路、驅動信號合成電路、VMOS開關驅動電路和續流電壓採樣電路組成控制電路； 所述續流電感是設置在輸入電源輸出端正端上的差模對稱電感；所述VMOS開關電路包括兩個串聯的VMOS管組，輸入電源通過續流電感依次與兩個VMOS管組在反向隔離電路輸入端之前串聯；所述VMOS開關驅動電路包括兩個並聯的驅動器，各驅動器分別與兩個VMOS管組的輸入端連接；所述反向隔離電路由與所述VMOS開關電路同步整流的VMOS管組構成，由所述驅動信號合成電路經續流驅動電路同步驅動。
【文檔編號】H02M1/088GK103855975SQ201210514256
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2012年11月30日 優先權日:2012年11月30日
【發明者】胡家培, 胡民海 申請人:西安智海電力科技有限公司