CN101777836B - 电能隔离传输方法及其隔离传输装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公布了一种电能隔离传输方法及其隔离传输装置，属电能隔离传输及方法的领域。本发明所述方法如下：由电容构成的隔离传输电路：实现原副边间的电气隔离、抑制原副边间的漏电流并传输功率。本发明所述装置由隔离传输电路构成，所述隔离传输电路主要由电容实现。本发明应用在交流或者直流输出的要求轻薄、高效的电源、适配器和相关产品中，本发明体积小、轻薄实用；同时其功率传输效率高。
Description
技术领域
发明涉及一种电能隔离传输方法及其隔离传输装置，属于电能隔离传输方法的领域。
背景技术
如图1所示，传统的电源系统中原副边隔离常用的方式是采用隔离变压器。如图2所示，是采用变压器隔离的系统中漏电流(接触电流/Touch current)回路示意图。由图可知，漏电流回路的驱动源是50/60Hz的电网电压，而实际应用中隔离变压器原副边间还存在杂散电容Ck，这导致原副边不能完全实现理想的电气隔离，只是由于Ck很小，所以原副边间的漏电流也极小，所以能够保证接触副边的人体的安全。但是为了满足原副边加强绝缘的要求，传统隔离变压器需要采用双重绝缘，所以其体积尤其是厚度往往难以做到很薄；同时由于其铜损和铁损的存在，其损耗导致其功率传输效率难以得到较大提高。
发明内容
本发明目的是针对现有技术存在的缺点提供一种实现一次侧与二次侧间电气绝缘要求、漏电流抑制和功率传输的电能隔离传输传输方法及相应的实现装置。
本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：
本发明电能隔离传输方法，其特征在于所述隔离方法如下：
由电容构成的隔离传输电路：实现一次侧至二次侧间的电气隔离、抑制一次侧至二次侧的漏电流并传输功率。
所述的电能隔离传输装置的隔离方法，其特征在于所述隔离传输电路的一次侧依次串接整流电路和逆变电路：整流电路接外部工频交流电，为后级逆变电路提供直流母线电压；逆变电路将所述直流母线电压逆变为负载所需频率的交流电压。
所述的电能隔离传输装置的隔离方法，其特征在于所述隔离传输电路的一次侧逆变电路：逆变电路接外部直流电，将所述直流母线电压逆变为负载所需频率的交流电压。
所述的电能隔离传输装置的隔离方法，其特征在于将共模抑制电路串接在所述整流电路和逆变电路或者逆变电路和隔离传输电路之间，以抑制共模电流即漏电流的高频部分。
所述的电能隔离传输装置的隔离方法，其特征在于将共模抑制电路串接在所述逆变电路的输入端或者逆变电路和隔离传输电路之间，以抑制共模电流即漏电流的高频部分。
所述的电能隔离传输装置的隔离方法，其特征在于所述隔离传输电路中电容串接谐振电感以以提高功率传输效率并降低负载接地对系统功能的影响。
所述的电能隔离传输装置的隔离方法，其特征在于：
当负载需要的交流电压与隔离传输电路输出电压不一致时，则将隔离传输电路的输出电压经过调压电路调压提供负载需要的交流电压；
当负载需要直流电压时，则将隔离传输电路的输出端电压依次经过输出整流电路、调压电路的整流和调压提供负载所需的直流电压。
所述的电能隔离传输装置的隔离方法，其特征在于逆变电路还包括闭环控制方法：将传感器检测得到的负载电压或电流经过调理电路得到控制器输入信号，控制器输出信号经过VF压频转换转换为调频信号，将所述调频信号经过驱动电路得到逆变电路的驱动信号。
所述的电能隔离传输装置的隔离方法，其特征在于所述整流电路和共模抑制电路之间串接PFC提高所述直流母线电压的功率因数。
所述的电能隔离传输方法的隔离传输装置，其特征在于：所述隔离传输电路由电容构成。
所述的电能隔离传输方法的隔离传输装置，其特征在于：其特征在于所述隔离传输电路的一次侧依次串接整流电路和逆变电路。
所述的电能隔离传输方法的隔离传输装置，其特征在于：所述隔离传输电路的一次侧逆变电路。
所述的电能隔离传输装置的隔离装置，其特征在于将共模抑制电路串接在所述整流电路和逆变电路或者逆变电路和隔离传输电路之间。
所述的电能隔离传输装置的隔离装置，其特征在于将共模抑制电路串接在所述逆变电路的输入端或者逆变电路和隔离传输电路之间。
所述的电能隔离传输装置，其特征在于所述电容还串接谐振电感。
所述的电能隔离传输装置，其特征在于所述电容还串接共模电感。
所述的电能隔离传输装置，其特征在于所述共模抑制电路由相互耦合的第一、第二共模电感构成。
所述的电能隔离传输装置，其特征在于：
当负载需要的交流电压与隔离传输电路输出电压不一致时，则隔离传输电路的输出端串接调压电路后接负载；
当负载需要直流电压时，则隔离传输电路的输出端依次串接输出整流电路、调压电路后接负载。
所述的电能隔离传输装置，其特征在于逆变电路还加入闭环控制，所述闭环控制系统由传感器依次串接调理电路、控制器、VF压频转换、驱动电路构成，其中传感器设置于负载上，驱动电路的输出端接逆变电路的驱动输入端。
所述的电能隔离传输装置，其特征在于：所述整流电路为自耦变压器型的全波或全桥整流电路。
所述的电能隔离传输装置，其特征在于所述整流电路和共模抑制电路之间串接PFC。
本发明适用于需要隔离变压器且要求轻薄、高效的产品，如电源适配器，LCD平板电视CCFL背光电源等；也可用于实现电能的无线传输，由于采用电容耦合，可以提高电能传输效率，并使系统更紧凑，如手机/MP3/MP4等便携式设备的充电器，计算机外设、医用植入设备的非接触式供电，恶劣环境中的无触点供电等。本发明体积小、轻薄实用；同时其功率传输效率高。
附图说明
图1：传统方案采用隔离变压器实现一次侧与二次侧间的隔离的原理图。
图2：变压器隔离系统的漏电流的原理图。
图3：接触电流测量网络的原理图。
图4：本发明实现一次侧与二次侧间的隔离的原理图。
图5：本发明电容隔离系统中的漏电流Iearth的示意图。
图6：本发明交流输入交流输出且副边需要接地时示例原理图。
图7：图6中共模电感置于串联谐振回路的示例原理图。
图8：本发明副边不需要接地时示例原理图。
图9：调压电路示例原理图，(a)自耦变压器调压；(b)LCC谐振调压。
图10：采用本发明隔离方法的LCC闭环调压系统原理图。
图11：本发明AC输入DC输出的示例原理图。
图12：本发明DC输出时采用自耦变压器的整流方式示例原理图。
图13：本发明DC输入DC输出时的示例原理图。
图14：本发明高频AC输入AC输出时的示例原理图。
具体实施方式
下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：
本发明以安规电容为例。
采用电容隔离漏电流Iearth＝Ie1+Ie2，在Ie1和Ie2回路中，只要保证Cs1和Cs2足够小，同样可以抑制Iearth＜ITC0从而实现原边与副边的隔离。实际测试时使用测量网络ZTC例如图3，其中Rs＝1.5kΩ，RB＝500Ω，R1＝10kΩ，C1＝22nF，CS＝220nF)。当VTC＝U2＜VTC0(如对适用IEC60950的音频视频类产品，且VTC频率在DC～100kHz之间时，VTC0＝0.35Vpk)时，是安全的。因此如果将ZTC替代图5中的人体，检测到图3中VTC＜VTC0，那么本发明能够抑制漏电流，可以实现原副边隔离的。图5中Vac为电网电压，考虑到地线PE与零线N直接相连时漏电流Iearth最大，后文均针对PE与N线直接相连的情况进行分析设计。AC/DCrectifier&HFinverter部分为整流如全桥整流、PFC等和逆变部分如全桥逆变、半桥逆变等构成，当输出为交流时，逆变频率由负载要求决定。
如图4所示，为本发明实现一次侧与二次侧间的隔离的原理图。采用Y1电容及相应的谐振、共模抑制电路实现了对一次侧与二次侧间的电气隔离、功率传输以及漏电流的抑制。可以应用在交流或者直流输出的要求轻薄、高效的电源、适配器和相关产品中。
Cs1，Ls1，Cs2，Ls2构成串联谐振电路，其中Cs1和Cs2为nF级Y1电容，可实现原副边间的加强绝缘，同时，由于一般应用中逆变频率较低，需要在所述安规电容支路上串接谐振电感实现与安规电容的串联谐振，从而降低传输回路的阻抗，提高功率传输效率。同时由于串接谐振电感后与负载接地端相连的谐振支路的阻抗很小，这也可以减小负载接地对系统功能的影响。
HFrectifier&voltageregulator是输出电压调整部分。其中如果输出为直流，则这部分由高频整流和DC/DC电路构成；如果输出为交流，且需要电压调整，这部分则由非隔离的调压电路如自耦变压器或者谐振电路构成。
本发明的各种情况下的技术方案是根据本发明的电容隔离方法和基本电路结构进行实施的，后文给出了具体的实施方式和计算操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
AC输出的应用情况：
a)正常使用时副边需要接地的情况：
这种情况适用于L-N-PE三线输入，且副边接PE的Class I类产品，一种典型的电路结构如图6所示。在本方案中，VACin为工频交流输入，一般为电网电压，且考虑最恶劣的情况，地线PE与零线N直接相连；整流桥D1～D4及LP，DP，QP，CDC构成前级PFC(功率因数校正)，为后级逆变提供直流母线电压；高频逆变电路这里以全桥逆变为例，由Q1～Q4构成，逆变频率为负载所需频率，一般为10kHz以上级别；RL为负载等效电阻；Cs1和Cs2为nF级Y1安规电容，可以对由电网电压驱动形成的工频漏电流形成有效的抑制，同时保证在原副边的加强绝缘；电感Ls1，Ls2和Cs1，Cs2形成串联谐振，谐振频率略低于高频逆变桥的逆变频率，这样谐振电路对负载所需的差模高频能量的阻抗极低，同时能保证Q1～Q4的ZVS开通，且对流经逆变桥的电流大小影响很小，从而可以提高系统效率；Lcm1和Lcm2为耦合的共模电感，主要用以抑制经PE线流通的共模电流即漏电流的高频部分，并保证系统的正常工作，图6中，其串接在PFC输出与逆变电路输入之间，其也可以串接在Cs1-Ls1和Cs2-Ls2串联谐振支路上，例如图7。同时，在制作共模电感时，可以选择较低磁导率的低损耗磁芯，并在允许空间内尽量增大绕组匝数即感值，这样可以降低共模电感的磁损，提高系统效率。
b)正常使用时副边不需要接地的情况：
这种情况适用于LN两线输入的ClassII类或者负载不需要接地ClassI类产品，一种典型电路结构如图-8。与正常工作时负载需要接地的情况不同的是，正常工作时副边不需要接地的系统只是在测试接触电流时才在图中AB两点间串入图2所示的接触电流测试网络，而正常工作时AB两点间是断开的。针对这种特点，这种方案中将逆变桥确定为半桥结构Q1Q2，逆变频率为负载要求的频率，不再使用共模电感，前级仍然为由D1～D4，LP，QP，DP，CDC构成的PFC；VACin为工频电网电压，同样考虑测试接触电流时最恶劣的情况，将N与PE相连；RL为等效负载，Cs1，Cs2同样采用Y1电容，Cs1、Cs2、Ls1、Ls2与负载构成串联谐振，谐振频率略低于逆变频率，以实现高频能量的传输以及Q1Q2的ZVS开通，提高系统效率。
这种方案之所以能不需要共模电感，主要是充分利用了测试接触电流时图8电路高频漏电流远低于图6电路的特点。通过合理设计Cs1，Cs2，Ls1，Ls2的值，使Cs2，Ls2也形成串联谐振，极大减小负载接地端相连的谐振支路的阻抗，便可以减小测试时的漏电流，使图8电路在测试接触电流时不需要使用共模电感来抑制高频接触电流，也能够满足VTC＜VTC0的要求，从而实现原边与副边的隔离。
但这种方案如果应用在正常工作副边需要接地的场合，那么由于正常工作时AB间直接连接而没有接触电流测试网络ZTC，AB间的连接线上会形成相对较大的漏电流(PCC，Protective Conductor Current)，这会降低系统的效率，并影响系统的EMC性能，所以如果正常工作时需要接地，那么仍需要采用a)中的方案，加入共模电感以抑制PCC。
采用半桥电路带来的另一个问题就是其输出电压低于全桥逆变的输出电压，相应的可以采取下文c)中的电压调整方案。
c)输出电压电流的调整
由于已经通过Y1电容Cs1和Cs2实现了原副边的隔离，输出电压或电流的调整可以通过采用自耦变压器如图9.a或者谐振电路如图9.b等电路实现。当采用谐振电路时，输出电压或电流可以通过控制逆变频率实现闭环调整如图10，以满足负载所需精度。
图10中，输出的电压或电流V/I经传感/调理电路(对数字控制则需要AD)后反馈给控制器做为其输入FB；控制器可以由模拟方式如运放构成的PID补偿电路等或者数字方式如MCU或者DSP、FPGA等运行如数字PID算法等实现；在调频的控制方法中，控制器的输出Vc还需经过VF压频转换转换为调频信号，VF一般由VCO或者数字调频方式实现；VF输出的调频信号则作为驱动电路的输入，通过驱动电路控制逆变器的逆变频率，从而改变逆变器输出电压的频率。由于谐振电路例如图10中的LCC谐振在不同的频率有不同的电压增益，所以通过调整逆变频率便可以实现对电压的调整，从而整个形成了对输出电压的闭环调节。
与一般的谐振调压电路不同的是，本方案中谐振电容还起到了原副边隔离的作用。
DC输出的应用情况：
以全桥逆变和全桥整流为例，解决方案如图11所示，是在图6的基础上加入整流、调压部分构成。其中，D1’～D4’为高频整流桥，CDC2为整流输出滤波电容，Voltage Regulator为电压调整电路如buck电路等，以输出符合负载要求的数值和精度的DC电压。
而整流电路除了采用全桥整流等电路外，还可以结合自耦变压器实现如图12.a的全桥整流电路或者如图12.b的全波整流电路等电路。与AC输出不同的是，AC输出的逆变频率由负载要求决定，而DC输出时则可以尽量提高逆变频率，从而可以进一步减小系统的体积。
DC输入和高频AC输入的情况：
基于上文AC市电输入AC输出和DC输出的情形，其输入也可以直接为DC电压或者高频AC电压。两者的典型电路分别如图13和图14。其中，输入的DC和高频AC电压直接接PE或者没有与PE隔离，采用安规电容实现输出与输入间的绝缘要求，并限制漏电流。
Claims (19)
1.一种电能隔离传输方法，其特征在于所述隔离传输方法如下：
由电容和谐振电感串联构成的隔离传输电路（4）：所述电容包括第一电容和第二电容，所述谐振电感包括第一谐振电感和第二谐振电感，所述第一电容和所述第一谐振电感串联后连接在一次侧的第一输出端和二次侧的第一输入端之间，所述第二电容和所述第二谐振电感串联后连接在一次侧的第二输出端和二次侧的第二输入端之间，实现一次侧至二次侧间的电气隔离、抑制一次侧至二次侧的漏电流并传输功率；
一高频逆变电路串联于隔离传输电路（4）的输入端，所述隔离传输电路（4）的谐振频率略低于逆变电路的逆变频率，所述电容为安规电容。
2.根据权利要求1所述的电能隔离传输方法，其特征在于所述隔离传输电路（4）的一次侧依次串接整流电路（1）和逆变电路（3）：整流电路（1）接外部工频交流电，为后级逆变电路（3）提供直流母线电压；逆变电路（3）将所述直流母线电压逆变为负载所需频率的交流电压。
3.根据权利要求1所述的电能隔离传输方法，其特征在于所述隔离传输电路（4）的一次侧逆变电路（3）：逆变电路（3）接外部直流电，将所述直流电逆变为负载所需频率的交流电压。
4.根据权利要求2所述的电能隔离传输方法，其特征在于将共模抑制电路（2）串接在所述整流电路（1）和逆变电路（3）或者逆变电路（3）和隔离传输电路（4）之间，以抑制共模电流即漏电流的高频部分。
5.根据权利要求3所述的电能隔离传输方法，其特征在于将共模抑制电路（2）串接在所述逆变电路（3）的输入端或者逆变电路（3）和隔离传输电路（4）之间，以抑制共模电流即漏电流的高频部分。
6.根据权利要求1所述的电能隔离传输方法，其特征在于：
当负载需要的交流电压与隔离传输电路（4）输出电压不一致时，则将隔离传输电路（4）的输出电压经过调压电路调压提供负载需要的交流电压；
当负载需要直流电压时，则将隔离传输电路（4）的输出端电压依次经过输出整流电路、调压电路的整流和调压提供负载所需的直流电压。
7.根据权利要求2或3所述的电能隔离传输方法，其特征在于逆变电路（3）还包括闭环控制方法：将传感器检测得到的负载电压或电流经过调理电路得到控制器输入信号，控制器输出信号经过VF压频转换转换为调频信号，将所述调频信号经过驱动电路得到逆变电路（3）的驱动信号。
8.根据权利要求4所述的电能隔离传输方法，其特征在于所述整流电路（1）和共模抑制电路（2）之间串接PFC提高所述直流母线电压的功率因数。
9.一种基于权利要求1所述的电能隔离传输方法的隔离传输装置，其特征在于：包括一个隔离传输电路（4），所述隔离传输电路（4）由电容构成。
10.根据权利要求9所述的电能隔离传输方法的隔离传输装置，其特征在于：所述隔离传输电路（4）的一次侧依次串接整流电路（1）和逆变电路（3）。
11.根据权利要求9所述的电能隔离传输方法的隔离传输装置，其特征在于：所述隔离传输电路（4）的一次侧串接逆变电路（3）。
12.根据权利要求10所述的电能隔离传输方法的隔离传输装置，其特征在于将共模抑制电路（2）串接在所述整流电路（1）和逆变电路（3）或者逆变电路（3）和隔离传输电路（4）之间。
13.根据权利要求11所述的电能隔离传输方法的隔离传输装置，其特征在于将共模抑制电路（2）串接在所述逆变电路（3）的输入端或者逆变电路（3）和隔离传输电路（4）之间。
14.根据权利要求9所述的电能隔离传输方法的隔离传输装置，其特征在于所述电容还串接共模电感。
15.根据权利要求12或13所述的电能隔离传输方法的隔离传输装置，其特征在于所述共模抑制电路（2）由相互耦合的第一、第二共模电感（Lcm1、Lcm2）构成。
16.根据权利要求9所述的电能隔离传输方法的隔离传输装置，其特征在于：
当负载需要的交流电压与隔离传输电路（4）输出电压不一致时，则隔离传输电路（4）的输出端串接调压电路后接负载；
当负载需要直流电压时，则隔离传输电路（4）的输出端依次串接输出整流电路、调压电路后接负载。
17.根据权利要求10所述的电能隔离传输方法的隔离传输装置，其特征在于逆变电路（3）还包括闭环控制系统，所述系统由传感器依次串接调理电路、控制器、VF压频转换、驱动电路构成，其中传感器设置于负载上，驱动电路的输出端接逆变电路（3）的输入端。
18.根据权利要求10所述的电能隔离传输方法的隔离传输装置，其特征在于：所述整流电路为自耦变压器型的全波或全桥整流电路。
19.根据权利要求12所述的电能隔离传输方法的隔离传输装置，其特征在于所述整流电路（1）和共模抑制电路（2）之间串接PFC。
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Denomination of invention: Electric energy isolation transmission method and isolation transmission device Effective date of registration: 20231229 Granted publication date: 20130911 Pledgee: Nanjing Branch of Jiangsu Bank Co.,Ltd. Pledgor: POWERLAND TECHNOLOGY Inc. Registration number: Y2023980075559 |
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |