CN103929087A - 一种高效率高功率因数的双向ac-dc变换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高效率高功率因数的双向AC-DC变换器，本发明采用高性能的DSP芯片进行控制，采样电路对交流侧、直流侧的电压、电流进行采样，采样数据进入DSP后首先进行模数转换，然后根据事先编好的算法对数据进行处理，从而调节PWM的占空比，PWM经驱动电路后对MOS管进行控制，对输出进行调节，如果采样数据异常，说明电路发生了故障，此时能够封锁所有MOS管，实现对电路的保护。本发明的效率达到90%以上，功率因数达到0.97以上；本发明动态响应快，同时电路发生过流、过压、欠压故障时，能够实现对电路的保护。

Description

一种高效率高功率因数的双向AC-DC变换器

技术领域

本发明属于电力电子变换器技术领域，尤其涉及一种高效率高功率因数的双向AC-DC变换器。

背景技术

随着石油、煤炭等资源的过度消耗，能源危机已逐步逼近，同时由其造成的污染越来越严重，特别越来越严重的雾霾天气对人民的生活、健康产生了较大的影响，减少化石能源消耗的关键在于发展可替代、可循环利用、无污染的能源，太阳能、风能以其可持续、无污染、大量存在的特点，得到大力的开发、应用，并取得了一定的经济、环境效益。同时，以电力为能源的电动汽车，摆脱了对传统能源的依赖，并具有环保特点，而得到了大力的发展。

但是，目前在新能源发电和电动汽车领域，对电能的转换效率或利用率偏低，例如在新能源发电领域，特别是家庭住宅型太阳能发电，在发出的电能，需要经过升压后连到高压直流母线上，直流负载通过直流变换器取电，交流负载通过逆变器供电，阳光充足时无需从电网取电，同时还可以把多余的电反送到电网，当太阳能发电不足时，可以从电网取电供负载使用。反送电能到电网与从电网取电这两个过程往往需要两套设备，大大增加了成本，同时转换的效率和功率因数偏低，造成能量损失和谐波污染。在电动汽车领域，普遍使用交流电机，直流能量升压后通过逆变器供交流负载使用，当电机制动时，往往采用电容储能，所需的电解电容体积大，致使电路工作可靠性降低，或采用耗能制动的方式，这样造成能量的浪费。

发明内容

本发明的目的在于解决背景技术中涉及在太阳能发电及电动汽车领域对电能的转换效率或利用率偏低的问题，提出一种高效率高功率因数的双向AC-DC变换器，该变换器既可以工作在AC到DC模式，也可以工作在DC到AC模式，当工作AC到DC模式，可以从电网取电或者对电机的制动能量进行回收，当工作在DC到AC模式时，可以反送电能到电网或者为电机供电。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：包括带有若干PWM输出端的DSP、第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管、第五MOS管、第六MOS管、第四电感以及驱动电路；

其中，第一MOS管的漏极和第三MOS管的漏极相连后连接到第四电感的一端；第一MOS管的源极和第二MOS管的漏极相连后，连接到交流输入的一端；第三MOS管的源极和第四MOS管的漏极相连后，连接到交流输入的另一端；第二MOS管和第四MOS管的源极分别接地；DSP的四个PWM输出端通过驱动电路分别与第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管以及第四MOS管的栅极相连；

第五MOS管的漏极和第六MOS管的源极相连后，连接到第四电感的另一端上，第五MOS管的源极接地；第六MOS管的漏极作为直流输出的正极，第五MOS管的源极作为直流输出的负极；DSP的另外两个PWM输出端通过驱动电路与第五MOS管的栅极以及第六MOS管的栅极相连。

还包括第一电容、第二电容、第三电容、第一电感、第二电感以及第三电感；

第一电容的两端分别与交流输入的两端相连，且第一电容的一端和第一电感的一端相连，第一电容的另一端和第二电感的一端相连后；

第二电容的一端分别与第一电感的另一端和第三电感的一端相连，第二电容的另一端分别与第二电感的另一端和第二MOS管的漏极相连；第三电感的另一端与第一MOS管的源极相连；

第三电容的两端分别与直流输出的正负极相连。

还包括第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第五二极管以及第六二极管；

第一二极管的阴极和第一MOS管的漏极连接，阳极和第一MOS管的源极连接；第二二极管的阴极和第二MOS管的漏极连接，阳极和第二MOS管的源极连接；第三二极管的阴极和第三MOS管的漏极连接，阳极和第三MOS管的源极连接；第四二极管的阴极和第四MOS管的漏极连接，阳极和第四MOS管的源极连接，第五二极管的阴极和第五MOS管的漏极连接，阳极和第五MOS管的源极连接，第六二极管的阴极和第六MOS管的漏极连接，阳极和第六MOS管的源极连接。

还包括第一采样电路、第二采样电路、第三采样电路以及第四采样电路；

第一采样电路的一端连接到交流输入的一端上，另一端和DSP的模数转换输入端连接；第二采样电路的一端连接到直流输出的负极上，另一端和DSP的模数转换输入端连接；第三采样电路的一端连接到直流输出的正极上，另一端和DSP的模数转换输入端连接；第四采样电路的一端连接到交流输入的另一端上，另一端和DSP的模数转换输入端连接。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明采用高性能的DSP芯片进行控制，采样电路对交流侧、直流侧的电压、电流进行采样，采样数据进入DSP后首先进行模数转换，然后根据事先编好的算法对数据进行处理，从而调节PWM的占空比，PWM经驱动电路后对MOS管进行控制，对输出进行调节，如果采样数据异常，说明电路发生了故障，此时能够封锁所有MOS管，实现对电路的保护。

另外，本发明采用可靠的硬件电路和一种新的DSP控制策略，使双向AC-DC变换器具有很高的效率和功率因数，因此可以工作于两种模式，既可以工作在AC到DC模式，也可以工作在DC到AC模式，通过DSP对电路的检测实现对工作的选择与转换；本发明的效率达到90%以上，功率因数达到0.97以上；本发明动态响应快，同时电路发生过流、过压、欠压故障时，能够实现对电路的保护。

附图说明

图1为本发明的电路图；

其中，L1为第一电感；L2为第二电感；L3为第三电感；L4为第四电感；C1为第一电容；C2为第二电容；C3为第三电容；Q1为第一MOS管；Q2为第二MOS管；Q3为第三MOS管；Q4为第四MOS管；Q5为第五MOS管；Q6为第六MOS管；D1为第一二极管；D2为第二二极管；D3为第三二极管；D4为第四二极管；D5为第五二极管；D6为第六二极管。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施做详细的阐述。

参见图1，本发明包括带有若干PWM输出端的DSP、第一MOS管Q1、第二MOS管Q2、第三MOS管Q3、第四MOS管Q4、第五MOS管Q5、第六MOS管Q6、第四电感L4以及驱动电路；

其中，第一MOS管Q1的漏极和第三MOS管Q3的漏极相连后连接到第四电感L4的一端；第一MOS管Q1的源极和第二MOS管Q2的漏极相连后，连接到交流输入的一端；第三MOS管Q3的源极和第四MOS管Q4的漏极相连后，连接到交流输入的另一端；第二MOS管Q2和第四MOS管Q4的源极分别接地；DSP的四个PWM输出端通过驱动电路分别与第一MOS管Q1、第二MOS管Q2、第三MOS管Q3以及第四MOS管Q4的栅极相连；

第五MOS管Q5的漏极和第六MOS管Q6的源极相连后，连接到第四电感L4的另一端上，第五MOS管Q5的源极接地；第六MOS管Q6的漏极作为直流输出的正极，第五MOS管Q5的源极作为直流输出的负极；DSP的另外两个PWM输出端通过驱动电路与第五MOS管Q5的栅极以及第六MOS管Q6的栅极相连。

本发明还包括第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第一电感L1、第二电感L2以及第三电感L3；第一电容C1的两端分别与交流输入的两端相连，且第一电容C1的一端和第一电感L1的一端相连，第一电容C1的另一端和第二电感L2的一端相连后；第二电容C2的一端分别与第一电感L1的另一端和第三电感L3的一端相连，第二电容C2的另一端分别与第二电感L2的另一端和第二MOS管Q2的漏极相连；第三电感L3的另一端与第一MOS管Q1的源极相连；第三电容C3的两端分别与直流输出的正负极相连。

本发明还包括第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5以及第六二极管D6；第一二极管D1的阴极和第一MOS管Q1的漏极连接，阳极和第一MOS管Q1的源极连接；第二二极管D2的阴极和第二MOS管Q2的漏极连接，阳极和第二MOS管Q2的源极连接；第三二极管D3的阴极和第三MOS管Q3的漏极连接，阳极和第三MOS管Q3的源极连接；第四二极管D4的阴极和第四MOS管Q4的漏极连接，阳极和第四MOS管Q4的源极连接，第五二极管D5的阴极和第五MOS管Q5的漏极连接，阳极和第五MOS管Q5的源极连接，第六二极管D6的阴极和第六MOS管Q6的漏极连接，阳极和第六MOS管Q6的源极连接。

本发明还包括第一采样电路、第二采样电路、第三采样电路以及第四采样电路；第一采样电路的一端连接到交流输入的一端上，另一端和DSP的模数转换输入端连接；第二采样电路的一端连接到直流输出的负极上，另一端和DSP的模数转换输入端连接；第三采样电路的一端连接到直流输出的正极上，另一端和DSP的模数转换输入端连接；第四采样电路的一端连接到交流输入的另一端上，另一端和DSP的模数转换输入端连接。

本发明的原理：

本发明的双向AC-DC变换器，具有两种工作模式，能够实现能量的双向流动，通过采样电路和驱动电路实现了隔离，特别适用于对转换器功率因数、转换效率及可靠性要求较高的场合，可广泛应用与太阳能、风能等新能源发电领域和电动汽车领域，实现对能量的灵活控制，并提高能源的利用效率。

本发明的两种工作模式分别是AC到DC模式和DC到AC模式，变换器能够根据电路工作状态及需求的不同选择工作模式，从而满足电路的工作需求。当电路工作在AC到DC模式时，输入为交流电V1，DSP对输入、输出电压、电流进行采样并运算，调节MOS管的占空比，从而对直流输出电压V2进行调节；当电路工作在DC到AC模式时，输入为直流电V2，先经升降压电路进行升压，DSP根据采集信号以调节MOS管占空比，从而对交流输出电压V1进行调节。该变换器采用可靠的硬件电路和一种新的DSP控制策略，从而使该变换器具有很高的功率因数和较高的转换效率，解决了现有变换器不能实现双向变换或效率低、功率因数低的缺点，特别适用于对转换器功率因数、转换效率及可靠性要求较高的场合，可广泛应用与太阳能、风能等新能源发电领域和电动汽车领域，实现对能量的灵活控制，并提高能源的利用效率。

下面，以AC到DC模式为例，对其控制原理进行详细说明：

1）当交流输入AC为正半周时

状态1：第四MOS管Q4和第二二极管D2开通，第一MOS管Q1、第二MOS管Q2、第三MOS管Q3、第五MOS管Q5以及第六MOS管Q6关断，第一二极管D1、第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5以及第六二极管D6关断，输入电流通过第一电感L1、第二电感L2以及第三电感L3构成回路，第三电感L3储能；

状态2：第二二极管D2、第五MOS管Q5以及第三二极管D3开通，第一MOS管Q1、第二MOS管Q2、第三MOS管Q3、第四MOS管Q4以及第六MOS管Q6关断，第一二极管D1、第四二极管D4、第五二极管D5以及第六二极管D6关断，输入电流通过第一电感L1、第三电感L3、第三二极管D3、第四电感L4、第五MOS管Q5、第二二极管D2以及第二电感L2构成回路，第三电感L3释放能量。

状态1、状态2交替工作直到交流输入AC为负半周

2）当交流输入AC为负半周时

状态3：第二MOS管Q2和第四二极管D4开通，第一MOS管Q1、第三MOS管Q3、第四MOS管Q4、第五MOS管Q5以及第六MOS管Q6，第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第五二极管D5以及第六二极管D6关断，输入电流通过V1，L2，Q2，D4，L3，L1构成回路，电感L3储能；

状态4：D1，D4，Q5开通，Q1，Q2，Q3，Q4，Q6关断，D2，D3，D5，D6关断，输入电流通过第二电感L2、第一二极管D1、第四电感L4、第五MOS管Q5、第四二极管D4、第三电感L3以及第一电感L1构成回路，第三电感L3释放能量；

当该变换器工作在DC到AC模式时具有类似工作原理。

系统设计目标是：在AC到DC模式下，第一MOS管Q1、第二MOS管Q2、第三MOS管Q3以及第四MOS管Q4进行整流，后级的升降压电路工作在升压状态下，从而对输出端的电压进行调节。在DC到AC模式下，升降压电路工作在降压状态对高压直流输入进行降压，第一MOS管Q1、第二MOS管Q2、第三MOS管Q3以及第四MOS管Q4进行逆变，从而对交流输出进行调节。

本发明充分利用了DSP的电路及功能，根据电路的运行状态，对PWM的占空比进行调节，当电路工作在轻载时，该变换器工作在PFM（脉冲频率调制）方式下；当电路工作在重载时，该变换器工作在PWM（脉冲宽度调制）方式下，从而降低电路的损耗以提高效率，同时，DSP内部具有正弦波参考波形，据此可以对交流输入时电流的波形进行实时调节，从而使变换器具有很高的功率因数。

以上所述的本发明的一种实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所做的修改、等同替换、和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (4)

1.一种高效率高功率因数的双向AC-DC变换器，其特征在于，包括带有若干PWM输出端的DSP、第一MOS管（Q1）、第二MOS管（Q2）、第三MOS管（Q3）、第四MOS管（Q4）、第五MOS管（Q5）、第六MOS管（Q6）、第四电感（L4）以及驱动电路；

其中，第一MOS管（Q1）的漏极和第三MOS管（Q3）的漏极相连后连接到第四电感（L4）的一端；第一MOS管（Q1）的源极和第二MOS管（Q2）的漏极相连后，连接到交流输入的一端；第三MOS管（Q3）的源极和第四MOS管（Q4）的漏极相连后，连接到交流输入的另一端；第二MOS管（Q2）和第四MOS管（Q4）的源极分别接地；DSP的四个PWM输出端通过驱动电路分别与第一MOS管（Q1）、第二MOS管（Q2）、第三MOS管（Q3）以及第四MOS管（Q4）的栅极相连；

第五MOS管（Q5）的漏极和第六MOS管（Q6）的源极相连后，连接到第四电感（L4）的另一端上，第五MOS管（Q5）的源极接地；第六MOS管（Q6）的漏极作为直流输出的正极，第五MOS管（Q5）的源极作为直流输出的负极；DSP的另外两个PWM输出端通过驱动电路与第五MOS管（Q5）的栅极以及第六MOS管（Q6）的栅极相连。

2.根据权利要求1所述的高效率高功率因数的双向AC-DC变换器，其特征在于：还包括第一电容（C1）、第二电容（C2）、第三电容（C3）、第一电感（L1）、第二电感（L2）以及第三电感（L3）；

第一电容（C1）的两端分别与交流输入的两端相连，且第一电容（C1）的一端和第一电感（L1）的一端相连，第一电容（C1）的另一端和第二电感（L2）的一端相连后；

第二电容（C2）的一端分别与第一电感（L1）的另一端和第三电感（L3）的一端相连，第二电容（C2）的另一端分别与第二电感（L2）的另一端和第二MOS管（Q2）的漏极相连；第三电感（L3）的另一端与第一MOS管（Q1）的源极相连；

第三电容（C3）的两端分别与直流输出的正负极相连。

3.根据权利要求1所述的高效率高功率因数的双向AC-DC变换器，其特征在于：还包括第一二极管（D1）、第二二极管（D2）、第三二极管（D3）、第四二极管（D4）、第五二极管（D5）以及第六二极管（D6）；

第一二极管（D1）的阴极和第一MOS管（Q1）的漏极连接，阳极和第一MOS管（Q1）的源极连接；第二二极管（D2）的阴极和第二MOS管（Q2）的漏极连接，阳极和第二MOS管（Q2）的源极连接；第三二极管（D3）的阴极和第三MOS管（Q3）的漏极连接，阳极和第三MOS管（Q3）的源极连接；第四二极管（D4）的阴极和第四MOS管（Q4）的漏极连接，阳极和第四MOS管（Q4）的源极连接，第五二极管（D5）的阴极和第五MOS管（Q5）的漏极连接，阳极和第五MOS管（Q5）的源极连接，第六二极管（D6）的阴极和第六MOS管（Q6）的漏极连接，阳极和第六MOS管（Q6）的源极连接。

4.根据权利要求1所述的高效率高功率因数的双向AC-DC变换器，其特征在于：还包括第一采样电路、第二采样电路、第三采样电路以及第四采样电路；

第一采样电路的一端连接到交流输入的一端上，另一端和DSP的模数转换输入端连接；第二采样电路的一端连接到直流输出的负极上，另一端和DSP的模数转换输入端连接；第三采样电路的一端连接到直流输出的正极上，另一端和DSP的模数转换输入端连接；第四采样电路的一端连接到交流输入的另一端上，另一端和DSP的模数转换输入端连接。