CN105262335A - 一种开关电源电路及太阳能发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于开关电源领域，提供了一种开关电源电路及太阳能发电系统。本发明实施例提供的开关电源电路与微处理器、蓄能装置及LED灯具连接，并将第一开关模块、电容C1、第二开关模块、第三开关模块、耦合电感L、电容C2、第四开关模块以及电容C3通过特定的连接方式进行连接，在实现开关电源的基础上，提高开关电源电路的转换效率。

Description

一种开关电源电路及太阳能发电系统

技术领域

本发明属于开关电源领域，尤其涉及一种开关电源电路及太阳能发电系统。

背景技术

直流开关电源的核心是DC/DC转换器。因此直流开关电源的分类是依赖DC/DC转换器分类的。也就是说，直流开关电源的分类与DC/DC转换器的分类是基本相同的，DC/DC转换器的分类基本上就是直流开关电源的分类。开关电源正在走向大众化，微型化。开关电源将逐步取代变压器在生活中的所有应用，低功率微型开关电源的应用要首先体现在，数显表、智能电表、手机充电器等方面。现阶段国家在大力推广智能电网建设，对电能表的要求大幅提高，开关电源将逐步取代变压器在电能表上面的应用。开关电源高频化是其发展的方向，高频化使开关电源小型化，并使开关电源进入更广泛的应用领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了开关电源的发展前进，每年以超过两位数字的增长率向着轻、小、薄、低噪声、高可靠、抗干扰的方向发展。开关电源可分为AC/DC和DC/DC两大类，DC/DC变换器现已实现模块化，且设计技术及生产工艺在国内外均已成熟和标准化，并已得到用户的认可，但AC/DC的模块化，因其自身的特性使得在模块化的进程中，遇到较为复杂的技术和工艺制造问题。另外，开关电源的发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。

但是，目前的开关电源电路普遍存在转换效率低的问题。

发明内容

本发明提供了一种开关电源电路，旨在提高目前开关电源电路转换效率低的问题。

本发明是这样实现的，一种开关电源电路，与微处理器、蓄能装置及LED灯具连接，所述开关电源电路包括：

第一开关模块、电容C1、第二开关模块、第三开关模块、耦合电感L、电容C2、第四开关模块以及电容C3；

所述第一开关模块的输入端连接直流电的正极，所述第一开关模块的输出端与所述电容C1的第一端共接于所述第二开关模块的输入端，所述第二开关模块的输出端与所述第三开关模块的输入端共接于所述耦合电感L的第一绕组的异名端与第二绕组的同名端的共接点，所述耦合电感L的第二绕组的异名端与所述电容C2的第一端共接于所述蓄能装置的正端，所述耦合电感L的第一绕组的同名端连接所述第四开关模块的输入端，所述第四开关模块的输出端与所述电容C3的第一端共接于所述LED灯具的正极端，所述电容C3的第二端与所述LED灯具的负极端、所述电容C2的第二端、所述蓄能装置的负端、所述第三开关模块的输出端以及所述电容C1的第二端共接于所述直流电的负极，所述第二开关模块的控制端和所述第三开关模块的控制端连接于所述微处理器；

在所述蓄能装置充电时，所述微处理器对所述第二开关模块和所述第三开关模块进行交替导通控制，通过由所述第一开关模块管、所述第二开关模块、所述第三开关模块、所述耦合电感L及所述电容C2构成的同步整流BUCK电路对所述蓄能装置进行充电，同时通过具备磁集成功能的所述耦合电感L的第一绕组、所述第四开关模块及所述电容C3对所述LED灯具供电；

在所述蓄能装置放电时，所述蓄能装置的正端输出直流电通过由具备磁集成功能的所述耦合电感L、所述第三开关模块、所述第四开关模块及所述电容C3构成BOOST电路为所述LED灯具供电，同时由所述第二开关模块和所述电容C1对所述第三开关模块的输入端所产生的电压尖峰进行有源钳位，并在所述电容C1的电压达到预设电压值时将所述电容C1中的电能反馈回所述蓄能装置以进行充电。

本发明还提供了一种包括上述开关电源电路的太阳能发电系统。

本发明实施例提供的开关电源电路与微处理器、蓄能装置及LED灯具连接，并将第一开关模块、电容C1、第二开关模块、第三开关模块、耦合电感L、电容C2、第四开关模块以及电容C3通过特定的连接方式进行连接，在实现开关电源的基础上，提高开关电源电路的转换效率。

附图说明

图1是本发明一实施例提供的开关电源电路的结构示意图；

图2是本发明一实施例提供的开关电源电路的示例电路结构图；

图3是本发明另一实施例提供的开关电源电路的结构示意图；

图4是本发明另一实施例提供的开关电源电路的示例电路结构图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1示出了本发明一实施例提供的开关电源电路的结构示意图，为了便于说明，仅示出了与本发明相关部分，详述如下：

本发明实施例提供的开关电源电路100与微处理器200、蓄能装置300及LED灯具400连接，开关电源电路100包括：

第一开关模块101、电容C1、第二开关模块102、第三开关模块103、耦合电感L、电容C2、第四开关模块104以及电容C3；

第一开关模块101的输入端连接直流电DC的正极+，第一开关模块101的输出端与电容C1的第一端共接于第二开关模块102的输入端，第二开关模块102的输出端与第三开关模块103的输入端共接于耦合电感L的第一绕组的异名端与第二绕组的同名端的共接点，耦合电感L的第二绕组的异名端与电容C2的第一端共接于蓄能装置300的正端+，耦合电感L的第一绕组的同名端连接第四开关模块104的输入端，第四开关模块104的输出端与电容C3的第一端共接于LED灯具400的正极端，电容C3的第二端与LED灯具400的负极端、电容C2的第二端、蓄能装置300的负端-、第三开关模块103的输出端以及电容C1的第二端共接于直流电DC的负极-，第二开关模块102的控制端和第三开关模块103的控制端连接于微处理器200。

在蓄能装置300充电时，微处理器200对第二开关模块102和第三开关模块103进行交替导通控制，通过由第一开关模块管101、第二开关模块102、第三开关模块103、耦合电感L及电容C2构成的同步整流BUCK电路对蓄能装置300进行充电，同时通过具备磁集成功能的耦合电感L的第一绕组、第四开关模块104及电容C3对LED灯具400供电。

在蓄能装置300放电时，蓄能装置300的正端输出直流电通过由具备磁集成功能的耦合电感L、第三开关模块、第四开关模块及电容C3构成BOOST电路为LED灯具400供电，同时由第二开关模块102和电容C1对第三开关模块103的输入端所产生的电压尖峰进行有源钳位，并在电容C1的电压达到预设电压值时将电容C1中的电能反馈回蓄能装置300以进行充电。

在本发明实施例中，蓄能装置300具体可以是蓄电池，蓄电池的正极和负极分别对应蓄能装置300的正端+和负端-；微处理器200可以是太阳能最大功率点跟踪微处理器或其他具备脉冲输出能力的微处理器，当微处理器200为太阳能最大功率点跟踪微处理器时，其根据是否有光照以确定当前时间是属于白天或夜间，并在白天时分别输出脉冲信号至第二开关模块102的控制端和第三开关模块103的控制端以控制第二开关模块102和第三开关模块103交替导通工作以实现带同步整流功能的BUCK电路架构，并通过耦合电感L的第二绕组及电容C2对蓄能装置300进行充电，其中，在第二开关模块102导通，第三开关模块103关断时，直流电DC通过由第一开关模块101、电容C1、第二开关模块102、耦合电感L的第二绕组及电容C2构成的BUCK电路对蓄能装置300充电，此时第二开关模块102作为该BUCK电路的整流管；而在第二开关模块102关断，第三开关模块103导通时，由于耦合电感L的第二绕组的异名端会释放电能，所以由第三开关模块103、耦合电感L的第二绕组及电容C2构成的BUCK电路对蓄能装置300充电，此时第三开关模块103作为该BUCK电路的续流管。由此可见，控制第二开关模块102和第三开关模块103交替导通工作以实现通过带同步整流的降压式最大功率点跟踪功能对蓄能装置300进行充电，从而能够有效地提高直流电的转换效率，也是提高了对蓄能装置300的充电效率。此外，在上述第二开关模块102和第三开关模块103交替导通工作的过程中，直流电还会同时由耦合电感L以磁集成技术作用通过其第一绕组、第四开关模块104及电容C3对LED灯具400进行供电。而在蓄能装置300需要放电时（如夜间），第二开关模块102关断，而第三开关模块103按照一定的占空比实现通断，则蓄能装置300会释放直流电通过由耦合电感L、第三开关模块103、第四开关模块104及电容C3构成的升压式BOOST电路以高升压比对LED灯具400放电（此时第三开关模块103作为该BOOST电路的开关管，且耦合电感L以倍压匝比工作），在此过程中，第三开关模块103的漏极会因耦合电感L的漏感而产生电压尖峰，则此时由第二开关模块102和电容C1构成的有源钳位电路（其中第三开关模块103作为有源钳位管）对第三开关模块103的输入端（即耦合电感L的第二绕组的同名端）进行电压钳位和储能以克服该电压尖峰，且当电容C1的电压达到预设电压值时，微处理器200控制第二开关模块102和第三开关模块103构成BUCK电路，并通过第二开关模块102将克服电压尖峰时电容C1所存储的电能反馈回蓄能装置300以进行充电，这样就能进一步提升对直流电的转换效率。

进一步地，第一开关模块101具体可以是二极管、三极管、MOS管、IGBT（InsulatedGateBipolarTransistor，绝缘栅双极型晶体管）或其他具备开关特性的半导体器件；如图2所示，当第一开关模块101为二极管D1时，二极管D1的阳极和阴极分别为第一开关模块101的输入端和输出端；而当第一开关模块101为三极管、MOS管、绝缘栅双极型晶体管或其他具备开关特性的半导体器件时，第一开关模块101还连接微处理器200，并以实现二极管特性为目的确定所选用的半导体器件的端极与第一开关模块101的输入端和输出端的对应关系。

进一步地，第二开关模块102具体可以是MOS管、三极管、IGBT（InsulatedGateBipolarTransistor，绝缘栅双极型晶体管）或其他具备开关特性的半导体器件；如图2所示，当第二开关模块102为NMOS管Q1时，NMOS管Q1的漏极、源极及栅极分别为第二开关模块102的输入端、输出端及控制端；而当第二开关模块102为三极管、IGBT或其他具备开关特性的半导体器件时，以第二开关模块102的输入端输入电流、输出端输出电流、控制端接收微处理器200的控制脉冲为依据确定所选用的半导体器件的端极与第二开关模块102输入端、输出端及控制端的对应关系。

进一步地，第三开关模块103具体可以是MOS管、三极管、IGBT（InsulatedGateBipolarTransistor，绝缘栅双极型晶体管）或其他具备开关特性的半导体器件；而当第三开关模块103为三极管、IGBT或其他具备开关特性的半导体器件时，以第三开关模块103的输入端输入电流、输出端输出电流、控制端接收微处理器200的控制脉冲为依据确定所选用的半导体器件的端极与第三开关模块103输入端、输出端及控制端的对应关系。

进一步地，第四开关模块104具体可以是二极管、三极管、MOS管或其他具备开关特性的半导体器件；如图2所示，当第四开关模块104为二极管D2时，二极管D2的阳极和阴极分别为第四开关模块104的输入端和输出端；而当第四开关模块104为三极管、MOS管、绝缘栅双极型晶体管或其他具备开关特性的半导体器件时，第四开关模块104还连接微处理器200，并以实现二极管特性为目的确定所选用的半导体器件的端极与第四开关模块104的输入端和输出端的对应关系。

本发明一实施例通过采用包括第一开关模块101、电容C1、第二开关模块102、第三开关模块103、耦合电感L、电容C2、第四开关模块104以及电容C3的开关电源电路。在蓄能装置充电时，由微处理器200对第二开关模块102和第三开关模块103进行交替导通控制以实现带同步整流的降压式最大功率点跟踪功能对蓄能装置300进行充电，并通过由第一开关模块管101、第二开关模块102、第三开关模块103、耦合电感L及电容C2构成的同步整流BUCK电路对蓄能装置300进行充电，同时通过磁集成的耦合电感L的第一绕组、第四开关模块104及电容C3对LED灯具供电；在蓄能装置300放电时，蓄能装置300的正极输出直流电通过由耦合电感L、第三开关模块103、第四开关模块104及电容C3构成的高升压比的BOOST电路为LED灯具供电，同时由第二开关模块102和电容C1对耦合电感L在第三开关模块103的输入端所产生的电压尖峰进行有源钳位，并在电容C1的电压达到预设电压值时，由微处理器200控制第二开关模块102和第三开关模块103构成BUCK电路将电容C1所存储的电能通过耦合电感L的第二绕组反馈回蓄能装置300以进行充电，从而提高了直流电的转换效率和利用率，提高了功率密度比，且降低了电路成本。

在本发明另一实施例中，如图3所示，开关电源电路100还包括第五开关模块105，第五开关模块105的输入端连接耦合电感L的第一绕组的同名端，第五开关模块105的输出端连接第四开关模块104的输入端，第五开关模块105的控制端连接于微处理器200。同样以微处理器200为太阳能最大功率点跟踪微处理器为例对图2所示的开关电源电路100的工作原理进行如下说明：

微处理器200为根据是否有光照以确定当前时间是属于白天或夜间，并在白天时分别输出脉冲信号至第二开关模块102的控制端和第三开关模块103的控制端以控制第二开关模块102和第三开关模块103交替导通工作以实现带同步整流功能的BUCK电路架构，并通过耦合电感L的第二绕组及电容C2对蓄能装置300进行充电，其中，在第二开关模块102导通，第三开关模块103关断时，直流电DC通过由第一开关模块101、电容C1、第二开关模块102、耦合电感L的第二绕组及电容C2构成的BUCK电路对蓄能装置300充电，此时第二开关模块102作为该BUCK电路的整流管；而在第二开关模块102关断，第三开关模块103导通时，由于耦合电感L的第二绕组的异名端会释放电能，所以由第三开关模块103、耦合电感L的第二绕组及电容C2构成的BUCK电路对蓄能装置300充电，此时第三开关模块103作为该BUCK电路的续流管。由此可见，控制第二开关模块102和第三开关模块103交替导通工作以实现通过带同步整流的降压式最大功率点跟踪功能对蓄能装置300进行充电，从而能够有效地提高直流电的转换效率，也是提高了对蓄能装置300的充电效率。

如果在白天对蓄能装置300进行充电的过程中需要同时为LED灯具400供电，则在上述第二开关模块102和第三开关模块103交替导通工作的过程中，微处理器200会输出脉冲信号至第五开关模块105的控制端以控制第五开关模块105保持导通，那么直流电就会同时由耦合电感L以磁集成技术作用其第一绕组、第五开关模块105、第四开关模块104及电容C3对LED灯具400进行供电。如果在白天对蓄能装置300进行充电的过程中不需要同时为LED灯具400供电，则使微处理器200控制第五开关模块105关断即可。

当夜间不需要对LED灯具400供电时，只需要由微处理器200控制第五开关模块105保持关断即可；而当夜间需要对LED灯具400供电时，微处理器200会控制第五开关模块105恒定导通，则蓄能装置300会释放直流电通过由耦合电感L、第三开关模块103、第五开关模块105、第四开关模块104及电容C3构成的升压式BOOST电路以高升压比对LED灯具400放电（此时第三开关模块103作为该BOOST电路的开关管，且耦合电感L以倍压匝比工作），在此过程中，第三开关模块103的漏极会因耦合电感L的漏感而产生电压尖峰，则此时由第二开关模块102和电容C1构成的有源钳位电路（其中第三开关模块103作为有源钳位管）对第三开关模块103的输入端（即耦合电感L的第二绕组的同名端）进行电压钳位和储能以克服该电压尖峰，且当电容C1的电压达到预设电压值时，微处理器200控制第二开关模块102和第三开关模块103构成BUCK电路，并通过第二开关模块102将克服电压尖峰时电容C1所存储的电能反馈回蓄能装置300以进行充电，这样就能进一步提升对直流电的转换效率。

从上述可知，在图1所示的开关电源电路100的基础上加入第五开关模块105得到的图3所示的开关电源电路100能够通过控制第五开关模块105的通断以满足用户对LED灯具400的供电或断电需求，在实现充放电操作上显得更加灵活，使得控制效率更高；另外，第五开关模块105的通断实际上是起到对耦合电感L的磁集成功能实现开关控制的作用。

进一步地，第五开关模块105具体可以是MOS管、三极管、IGBT（InsulatedGateBipolarTransistor，绝缘栅双极型晶体管）或其他具备开关特性的半导体器件；如图4所示，当第五开关模块105为NMOS管Q3时，NMOS管Q3的漏极、源极及栅极分别为第五开关模块105的输入端、输出端及控制端，图4中的第一开关模块101、第二开关模块102、第三开关模块103及第四开关模块104分别选定为图2中所示的二极管D1、NMOS管Q1、NMOS管Q2及二极管D2；而当第五开关模块105为三极管、IGBT或其他具备开关特性的半导体器件时，以第五开关模块105的输入端输入电流、输出端输出电流、控制端接收微处理器200的脉冲信号为依据确定所选用的半导体器件的端极与第五开关模块105输入端、输出端及控制端的对应关系。

本发明另一实施例还提供了一种包括上述开关电源电路100的太阳能发电系统，该太阳能发电系统可以是太阳能发电系统、风能发电系统或地热能发电系统等对可再生能源进行利用以实现电力输出的发电系统。

本发明另一实施例通过采用包括第一开关模块101、电容C1、第二开关模块102、第三开关模块103、耦合电感L、电容C2、第四开关模块104、第五开关模块105以及电容C3的开关电源电路。在蓄能装置充电时，由微处理器200对第二开关模块102和第三开关模块103进行交替导通控制以实现带同步整流的降压式最大功率点跟踪功能对蓄能装置300进行充电，并通过由第一开关模块管101、第二开关模块102、第三开关模块103、耦合电感L及电容C2构成的同步整流BUCK电路对蓄能装置300进行充电，同时通过磁集成的耦合电感L的第一绕组、第五开关模块105、第四开关模块104及电容C3对LED灯具供电；在蓄能装置300放电时，蓄能装置300的正极输出直流电通过由耦合电感L、第三开关模块103、第五开关模块105、第四开关模块104及电容C3构成的高升压比的BOOST电路为LED灯具供电，同时由第二开关模块102和电容C1对耦合电感L在第三开关模块103的输入端所产生的电压尖峰进行有源钳位，并在电容C1的电压达到预设电压值时，由微处理器200控制第二开关模块102和第三开关模块103构成BUCK电路将电容C1所存储的电能通过耦合电感L的第二绕组反馈回蓄能装置300以进行充电，从而提高了直流电的转换效率和利用率，提高了功率密度比，且降低了电路成本。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种开关电源电路，与微处理器、蓄能装置及LED灯具连接，其特征在于，所述开关电源电路包括：

第一开关模块、电容C1、第二开关模块、第三开关模块、耦合电感L、电容C2、第四开关模块以及电容C3；

所述第一开关模块的输入端连接直流电的正极，所述第一开关模块的输出端与所述电容C1的第一端共接于所述第二开关模块的输入端，所述第二开关模块的输出端与所述第三开关模块的输入端共接于所述耦合电感L的第一绕组的异名端与第二绕组的同名端的共接点，所述耦合电感L的第二绕组的异名端与所述电容C2的第一端共接于所述蓄能装置的正端，所述耦合电感L的第一绕组的同名端连接所述第四开关模块的输入端，所述第四开关模块的输出端与所述电容C3的第一端共接于所述LED灯具的正极端，所述电容C3的第二端与所述LED灯具的负极端、所述电容C2的第二端、所述蓄能装置的负端、所述第三开关模块的输出端以及所述电容C1的第二端共接于所述直流电的负极，所述第二开关模块的控制端和所述第三开关模块的控制端连接于所述微处理器；

在所述蓄能装置充电时，所述微处理器对所述第二开关模块和所述第三开关模块进行交替导通控制，通过由所述第一开关模块管、所述第二开关模块、所述第三开关模块、所述耦合电感L及所述电容C2构成的同步整流BUCK电路对所述蓄能装置进行充电，同时通过具备磁集成功能的所述耦合电感L的第一绕组、所述第四开关模块及所述电容C3对所述LED灯具供电；

在所述蓄能装置放电时，所述蓄能装置的正端输出直流电通过由具备磁集成功能的所述耦合电感L、所述第三开关模块、所述第四开关模块及所述电容C3构成BOOST电路为所述LED灯具供电，同时由所述第二开关模块和所述电容C1对所述第三开关模块的输入端所产生的电压尖峰进行有源钳位，并在所述电容C1的电压达到预设电压值时将所述电容C1中的电能反馈回所述蓄能装置以进行充电。

2.如权利要求1所述的开关电源电路，其特征在于，所述开关电源电路还包括第五开关模块，所述第五开关模块的输入端连接所述耦合电感L的第一绕组的同名端，所述第五开关模块的输出端连接所述第四开关模块的输入端，所述第五开关模块的控制端连接于所述微处理器。

3.如权利要求1所述的开关电源电路，其特征在于，所述第一开关模块为二极管、三极管、MOS管或绝缘栅双极型晶体管。

4.如权利要求3所述的开关电源电路，其特征在于，当所述第一开关模块为三极管、MOS管或绝缘栅双极型晶体管时，所述第一开关模块还连接所述微处理器。

5.如权利要求1所述的开关电源电路，其特征在于，所述第四开关模块为二极管、三极管、MOS管或绝缘栅双极型晶体管。

6.如权利要求5所述的开关电源电路，其特征在于，当所述第四开关模块为三极管、MOS管或绝缘栅双极型晶体管时，所述第四开关模块还连接所述微处理器。

7.如权利要求1所述的开关电源电路，其特征在于，所述第二开关模块为MOS管、三极管或绝缘栅双极型晶体管。

8.如权利要求1所述的开关电源电路，其特征在于，所述第三开关模块为MOS管、三极管或绝缘栅双极型晶体管。

9.如权利要求2所述的开关电源电路，其特征在于，所述第五开关模块为MOS管、三极管或绝缘栅双极型晶体管。

10.一种太阳能发电系统，其特征在于，所述太阳能发电系统包括如权利要求1至9任一项所述的开关电源电路。