CN106208641B - 一种交直流复用的电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种单相交直流复用输出电路，通过控制各开关的闭合与断开，所述电路等效为单相全桥逆变电路、单路双向DC‑DC电路，分别实现单相交流输出功能以及单相直流降压输出功能。还涉及一种三相交直流复用输出电路，通过控制各开关的闭合与断开，所述电路等效为三相桥式逆变电路、双向DC‑DC电路(三路、两路和单路)，分别实现三相交流输出和直流降压输出的功能。此外，将各输出端子看做输入，所述电路可作为兼具有交流输入功能和直流输入升压的电源电路。本发明将交流、直流两种供电形式合二为一，减少电源体积和重量接近一半，成本减少接近一半，可实现高性价比的交直流输出和输入，对电源输出和输入具有很好的兼容性。

Description

一种交直流复用的电路
技术领域
本发明涉及电力系统运行与控制技术领域，尤其涉及一种交直流复用的电路。
背景技术
电力电子技术、信息技术以及变频技术的应用，使得城市配电网中诸如电动汽车、信息设备、半导体照明系统等的直流负荷日益增多。很多现有用电设备如电脑、电视机以及电子通信设备等本质为直流负荷，需通过配置电源适配器进行交流供电，不仅造成了能量损耗，也增加了设备制造成本。此外，柴油发电机、风力发电机等电能输出形式为交流，而光伏、燃料发电等分布式电源的电能输出形式为直流。在传统交流供配电系统中，对负荷的供电需经过多重转换，造成了大量转换损耗，同时也增加了系统结构和控制的复杂性。
直流供电由于不存在频率、相位和无功功率控制等问题，可方便接入直流性质的负荷和分布式电源，与交流供电相比，效率得到了提升。但是，仍需多重AC/DC、DC/AC功率转换才能实现交流分布式电源的并网和对交流负荷的供电，不仅造成了额外的能量损耗，同时也增加了设备复杂性和制造成本。
考虑分布式电源的发电特性和负荷发展，结合交流供电和直流供电各自优点的交直流供电方式开始受到国内外的重视。目前提出的交直流混合供电系统中交、直流母线共存，交、直流分布式电源和负荷分别连接于交、直流母线，系统通过交流母线并网，在对交、直流侧分别进行控制时，还需考虑交、直流侧之间的功率平衡关系，系统结构和控制复杂。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种交直流复用的电路，用以解决现有技术中的缺陷。
本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
一种单相交直流复用输出电路，包括直流电源E、半导体功率开关S1、半导体功率开关S2、半导体功率开关S3、半导体功率开关S4、续流二极管D1、续流二极管D2、续流二极管D3、续流二极管D4、滤波电感L1、滤波电容C1、滤波电容C2、开关K1、开关K2、开关K3、电流传感器CT1、电压传感器VT1和输出端子L、N；
所述半导体功率开关S1和续流二极管D1之间、半导体功率开关S2和续流二极管D2之间、半导体功率开关S3和续流二极管D3之间、半导体功率开关S4和续流二极管D4之间分别反向并接，组成桥臂1、桥臂2、桥臂3、桥臂4；
所述桥臂1和桥臂2相连，与直流电源E并接，所述桥臂3和桥臂4相连，与直流电源E并接；所述桥臂1负端连接有滤波电感L1和电流传感器CT1至输出端子L；所述桥臂3负端连接有开关K3至输出端子N；所述直流电源E负端连接有开关K1至输出端子N；所述滤波电容C1和电压传感器VT1分别并接于输出端子L和输出端子N之间；所述开关K2与滤波电容C2相连并接于滤波电容C1两端。
当所述开关K1断开，开关K3闭合，电路等效为单相全桥逆变电路，实现单相交流输出功能；
当所述开关K1闭合，开关K3断开，电路等效为单路双向DC-DC电路，实现单相直流降压输出功能。
当所述电路等效为单路双向DC-DC电路时，若输出滤波电容容量不够，则闭合所述开关K2，增大输出电容，起到滤波和稳压的作用。
将所述输出端子L、输出端子N看做输入，所述电路可作为兼具有单相交流输入功能和直流输入升压的电源电路。
所述电路通过控制器控制开关K1、开关K2和开关K3的闭合和断开，并通过控制器采集电流传感器CT1、电压传感器VT1、开关K1、开关K2和开关K3状态等信号，经过运算处理，向半导体功率开关S1、半导体功率开关S2、半导体功率开关S3和半导体功率开关S4发出驱动信号。
一种三相交直流复用输出电路，包括直流电源E、半导体功率开关S1、半导体功率开关S2、半导体功率开关S3、半导体功率开关S4、半导体功率开关S5、半导体功率开关S6、续流二极管D1、续流二极管D2、续流二极管D3、续流二极管D4、续流二极管D5、续流二极管D6、滤波电感L1、滤波电感L2、滤波电感L3、滤波电容C1、滤波电容C2、滤波电容C3、滤波电容C4、开关K1、开关K2、开关K3、开关K4、电流传感器CT1、电流传感器CT2、电流传感器CT3、电压传感器VT1、电压传感器VT2、电压传感器VT3和输出端子U、输出端子V、输出端子W、输出端子N。
所述半导体功率开关S1和续流二极管D1之间、半导体功率开关S2和续流二极管D2之间、半导体功率开关S3和续流二极管D3之间、半导体功率开关S4和续流二极管D4之间、半导体功率开关S5和续流二极管D5之间、半导体功率开关S6和续流二极管D6之间分别反向并接，组成桥臂1、桥臂2、桥臂3、桥臂4、桥臂5、桥臂6；
所述桥臂1和桥臂2相连，与直流电源E并接，所述桥臂3和桥臂4相连，与直流电源E并接，所述桥臂5和桥臂6相连，与直流电源E并接；所述桥臂1负端连接有滤波电感L1和电流传感器CT1至输出端子U；所述桥臂3负端连接有滤波电感L2和电流传感器CT2至输出端子V；所述桥臂5负端连接有滤波电感L3和电流传感器CT3至输出端子W；所述滤波电容C1和电压传感器VT1分别并接于输出端子U和输出端子N之间；所述滤波电容C2和电压传感器VT2分别并接于输出端子V和输出端子N之间；所述滤波电容C3和电压传感器VT3分别并接于输出端子W和输出端子N之间；所述直流电源E负端连接有开关K1至输出端子N；所述开关K2并接于输出端子U和输出端子V两端；所述开关K3并接于输出端子V和输出端子W两端；所述开关K4并接于输出端子W和滤波电容C4正端。
当开关K1～K4全部断开时，所述电路等效为三相桥式逆变电路，实现三相交流输出功能；
当所述开关K1闭合，开关K2、开关K3断开时，所述电路等效为三路双向DC-DC电路，实现直流降压输出功能；
当所述开关K1、开关K2闭合，开关K3断开时，或开关K1、开关K3闭合，开关K2断开时，所述电路等效为两路双向DC-DC电路，实现直流降压输出功能；
当所述开关K1～K3全部闭合，所述电路等效为单路双向DC-DC电路，实现直流降压输出功能。
当所述电路等效为单路双向DC-DC电路时，若输出滤波电容容量不够，则闭合所述开关K4，增大输出电容，起到滤波和稳压的作用。
将所述输出端子U、输出端子V、输出端子W、输出端子N看做输入，所述电路亦可以作为兼具有三相交流输入功能和三路直流输入升压的电源电路。
所述电路通过控制器控制开关K1、开关K2、开关K3和开关K4的闭合与断开，以及通过控制器采集电流传感器CT1、电流传感器CT2、电流传感器CT3、电压传感器VT1、电压传感器VT2、电压传感器VT3、开关K1、开关K2、开关K3和开关K4状态等信号，经过运算处理，向半导体功率开关S1、半导体功率开关S2、半导体功率开关S3、半导体功率开关S4、半导体功率开关S5和半导体功率开关S6发出驱动信号。
本发明有益效果如下：
本发明通过添加辅助电路实现不同功能的电源输出和输入，将交流、直流两种供电形式合二为一，减少电源体积和重量接近一半，成本减少接近一半，可实现高性价比的交直流输出和输入，可用于车载多功能电源、多功能调试电源等多种场合，对电源输出和输入具有很好的兼容性。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为单相交直流复用输出电路示意图；
图2为三相交直流复用输出电路示意图。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。
在本发明的一个优选实施例中，提供了单相交直流复用输出电路，如图1所示，包括直流电源E、半导体功率开关S1～S4、续流二极管D1～D4、滤波电感L1、滤波电容C1～C2、开关K1～K3、电流传感器CT1、电压传感器VT1和输出端子L、N。
其中，S1和D1之间、S2和D2之间、S3和D3之间、S4和D4之间分别反向并接，组成桥臂1～4；桥臂1和2相连，与直流电源E并接，桥臂3和4相连，与直流电源E并接；桥臂1负端连接有滤波电感L1和电流传感器CT1至输出端子L；桥臂3负端连接有开关K3至输出端子N；直流电源E负端连接有开关K1至输出端子N；滤波电容C1和电压传感器VT1分别并接于输出端子L和输出端子N之间；开关K2与滤波电容C2相连并接于滤波电容C1两端。
当开关K1断开，开关K3闭合，图1电路等效为单相全桥逆变电路，实现单相交流输出功能；当开关K1闭合，开关K3断开，图1电路等效为单路双向DC-DC电路，实现单相直流降压输出功能。
优选地，直流电源E可选用蓄电池、前级整流后的直流电源、外接电源等；
优选地，半导体功率开关S1～S4可选用IGBT、MOSFET等；
优选地，开关K1～K3可以是机械接触器、双向半导体开关等。
在一个优选实施例中，控制器控制开关K1、K2全部断开，K3闭合，此时桥臂1、4为一对，桥臂2、3为一对，桥臂之间接有LC滤波器及负载，图1电路等效为单相全桥逆变电路。控制器采集传感器CT1、VT1、开关K1～K3状态等信号，经过运算处理，向半导体功率开关S1～S4发出驱动信号，直流电源E经过由半导体功率开关S1～S4构成的单相桥式电路逆变输出单相PWM电压，经过L1、C1组成的LC滤波电路后输出交流基波电压，由L、N单相交流输出端子输出。
在一个优选实施例中，控制器控制开关K1闭合，K3断开，此时图1电路等效为单路双向DC-DC电路。半导体功率开关S1、续流二极管D2、电感L1、电容C1构成一路Buck(直流降压)电路。如果输出滤波电容容量不够，则可以闭合开关K2，增大输出电容，起到滤波和稳压的作用。控制器采集传感器CT1、VT1、开关K1～K3状态等信号，经过运算处理，向半导体功率开关S1～S4发出相应驱动信号，向开关K1～K3发出相应的闭合或断开信号。输出直流电压不高于电源电压E。
优选地，将L、N看做输入，图1电路可作为兼具有单相交流输入功能和直流输入升压的电源电路。
在本发明的另一个优选实施例中，提供了三相交直流复用输出电路，如图2所示，包括直流电源E、半导体功率开关S1～S6、续流二极管D1～D6、滤波电感L1～L3、滤波电容C1～C4、开关K1～K4、电流传感器CT1～CT3、电压传感器VT1～VT3和输出端子U、V、W和N。
其中，S1和D1之间、S2和D2之间、S3和D3之间、S4和D4之间、S5和D5之间、S6和D6之间分别反向并接，组成桥臂1～6,；桥臂1和2相连，与直流电源E并接，桥臂3和4相连，与直流电源E并接，桥臂5和6相连，与直流电源E并接；桥臂1负端连接有滤波电感L1和电流传感器CT1至输出端子U；桥臂3负端连接有滤波电感L2和电流传感器CT2至输出端子V；桥臂5负端连接有滤波电感L3和电流传感器CT3至输出端子W；滤波电容C1和电压传感器VT1分别并接于输出端子U和输出端子N之间；滤波电容C2和电压传感器VT2分别并接于输出端子V和输出端子N之间；滤波电容C3和电压传感器VT3分别并接于输出端子W和输出端子N之间；直流电源E负端连接有开关K1至输出端子N；开关K2并接于输出端子U和输出端子V两端；开关K3并接于输出端子V和输出端子W两端；开关K4并接于输出端子W和滤波电容C4正端。
当开关K1～K4全部断开时，图2电路等效为三相桥式逆变电路，实现三相交流输出功能；当开关K1闭合，K2、K3断开时，图2电路等效为三路双向DC-DC电路，实现直流降压输出功能；当开关K1、K2闭合，K3断开时，或开关K1、K3闭合，K2断开时，图2电路等效为两路双向DC-DC电路，实现直流降压输出功能；当开关K1～K3全部闭合，图2电路等效为单路双向DC-DC电路，实现直流降压输出功能。
优选地，直流电源E可选用蓄电池、前级整流后的直流电源、外接电源等；
优选地，半导体功率开关S1～S6可选用IGBT、MOSFET等；
优选地，开关K1～K4可以是机械接触器、双向半导体开关等。
在一个优选实施例中，控制器控制开关K1、K2、K3、K4全部断开，此时图2电路等效为三相桥式逆变电路，U、V、W分别为三相输出端子，N为中线端子。控制器采集传感器CT1～CT3、VT1～VT3、开关K1～K4状态等信号，经过运算处理，向半导体功率开关S1～S6发出驱动信号，直流电源E经过三相桥式电路逆变输出三相PWM电压，经过滤波电感L1～L3、滤波电容C1～C3组成的LC滤波电路后，输出交流基波电压。
在一个优选实施例中，控制器控制开关K1闭合，K2、K3断开，此时图2电路等效为三路双向DC-DC电路，U、V、W分别为直流正电压输出端子，N为直流负电压输出端子。半导体功率开关S1、续流二极管D2、电感L1、电容C1构成第一相Buck(直流降压)电路；同理半导体功率开关S3、续流二极管D4、电感L2、电容C2构成第二相Buck(直流降压)电路；半导体功率开关S5、续流二极管D6、电感L3、电容C3构成第三相Buck(直流降压)电路。
在一个优选实施例中，闭合K1、K2，断开K3，此时图2电路等效为两路双向DC-DC电路，U和V并联形成一路直流输出，W自身形成一路直流输出。类似的，如果闭合K1、K3，断开K2，图2电路等效为两路双向DC-DC电路，此时，V和W并联形成一路直流输出，U自身形成一路直流输出。
在一个优选实施例中，将开关K1、K2、K3全部闭合，此时图2电路等效为单路双向DC-DC电路，U、V、W等电位，三相Buck(直流降压)电路组合形成一路输出直流正电压，N自身形成一路输出直流负电压。如果输出滤波电容容量不够，则可以闭合开关K4，增大输出电容，起到滤波和稳压的作用。
根据想要实现的直流输出路数，控制器采集传感器CT1～CT3、VT1～VT3信号，经过运算处理，向半导体功率开关S1～S6发出相应驱动信号，向开关K1～K4发出相应的闭合或断开信号，各路Buck(直流降压)电路输出在并联输出的情况下，可以通过控制各桥臂驱动信号导通顺序实现交错并联输出，减小输出电压纹波。
优选地，将U、V、W、N看做输入，图2电路亦可以作为兼具有三相交流输入功能和三路直流输入升压的电源电路。
综上所述，本发明实施例提供了一种交直流复用的电路，通过添加辅助电路实现不同功能的电源输出和输入，将交流、直流两种供电形式合二为一，减少电源体积和重量接近一半，成本减少接近一半，可实现高性价比的交直流输出和输入，可用于车载多功能电源、多功能调试电源等多种场合，对电源输出和输入具有很好的兼容性。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种单相交直流复用输出电路，其特征在于，包括直流电源E、半导体功率开关S1、半导体功率开关S2、半导体功率开关S3、半导体功率开关S4、续流二极管D1、续流二极管D2、续流二极管D3、续流二极管D4、滤波电感L1、滤波电容C1、滤波电容C2、开关K1、开关K2、开关K3、电流传感器CT1、电压传感器VT1和输出端子L、N；
所述半导体功率开关S1和续流二极管D1之间、半导体功率开关S2和续流二极管D2之间、半导体功率开关S3和续流二极管D3之间、半导体功率开关S4和续流二极管D4之间分别反向并接，组成桥臂1、桥臂2、桥臂3、桥臂4；
所述桥臂1和桥臂2相连，与直流电源E并接，所述桥臂3和桥臂4相连，与直流电源E并接；所述桥臂1负端连接有滤波电感L1和电流传感器CT1至输出端子L；所述桥臂3负端连接有开关K3至输出端子N；所述直流电源E负端连接有开关K1至输出端子N；所述滤波电容C1和电压传感器VT1分别并接于输出端子L和输出端子N之间；所述开关K2与滤波电容C2相连并接于滤波电容C1两端；
当所述开关K1断开，开关K3闭合，电路等效为单相全桥逆变电路，桥臂1、4为一对，桥臂2、3为一对，桥臂之间经过电感L1、电容C1组成的LC滤波电路后输出交流基波电压，实现单相交流输出功能；
当所述开关K1闭合，开关K3断开，电路等效为单路双向DC-DC电路，半导体功率开关S1、续流二极管D2、电感L1、电容C1构成一路Buck电路，实现单相直流降压输出功能；
开关K1～K3是机械接触器或双向半导体开关；
当所述电路等效为单路双向DC-DC电路时，若输出滤波电容容量不够，则闭合所述开关K2，增大输出电容，起到滤波和稳压的作用；
将所述输出端子L、输出端子N看做输入，所述电路可作为兼具有单相交流输入功能和直流输入升压的电源电路；
所述电路通过控制器控制开关K1、开关K2和开关K3的闭合和断开，并通过控制器采集电流传感器CT1、电压传感器VT1、开关K1、开关K2和开关K3状态等信号，经过运算处理，向半导体功率开关S1、半导体功率开关S2、半导体功率开关S3和半导体功率开关S4发出驱动信号。
2.一种三相交直流复用输出电路，其特征在于，包括直流电源E、半导体功率开关S1、半导体功率开关S2、半导体功率开关S3、半导体功率开关S4、半导体功率开关S5、半导体功率开关S6、续流二极管D1、续流二极管D2、续流二极管D3、续流二极管D4、续流二极管D5、续流二极管D6、滤波电感L1、滤波电感L2、滤波电感L3、滤波电容C1、滤波电容C2、滤波电容C3、滤波电容C4、开关K1、开关K2、开关K3、开关K4、电流传感器CT1、电流传感器CT2、电流传感器CT3、电压传感器VT1、电压传感器VT2、电压传感器VT3和输出端子U、输出端子V、输出端子W、输出端子N；
所述半导体功率开关S1和续流二极管D1之间、半导体功率开关S2和续流二极管D2之间、半导体功率开关S3和续流二极管D3之间、半导体功率开关S4和续流二极管D4之间、半导体功率开关S5和续流二极管D5之间、半导体功率开关S6和续流二极管D6之间分别反向并接，组成桥臂1、桥臂2、桥臂3、桥臂4、桥臂5、桥臂6；
所述桥臂1和桥臂2相连，与直流电源E并接，所述桥臂3和桥臂4相连，与直流电源E并接，所述桥臂5和桥臂6相连，与直流电源E并接；所述桥臂1负端连接有滤波电感L1和电流传感器CT1至输出端子U；所述桥臂3负端连接有滤波电感L2和电流传感器CT2至输出端子V；所述桥臂5负端连接有滤波电感L3和电流传感器CT3至输出端子W；所述滤波电容C1和电压传感器VT1分别并接于输出端子U和输出端子N之间；所述滤波电容C2和电压传感器VT2分别并接于输出端子V和输出端子N之间；所述滤波电容C3和电压传感器VT3分别并接于输出端子W和输出端子N之间；所述直流电源E负端连接有开关K1至输出端子N；所述开关K2并接于输出端子U和输出端子V两端；所述开关K3并接于输出端子V和输出端子W两端；所述开关K4并接于输出端子W和滤波电容C4正端；
当开关K1、开关K2、开关K3、开关K4全部断开时，所述电路等效为三相桥式逆变电路，实现三相交流输出功能；
当所述开关K1闭合，开关K2、开关K3断开时，所述电路等效为三路双向DC-DC电路，实现直流降压输出功能；
当所述开关K1、开关K2闭合，开关K3断开时，或开关K1、开关K3闭合，开关K2断开时，所述电路等效为两路双向DC-DC电路，实现直流降压输出功能；
当所述开关K1、开关K2和开关K3全部闭合时，所述电路等效为单路双向DC-DC电路，实现直流降压输出功能。
3.根据权利要求2所述三相交直流复用输出电路，其特征在于，当所述电路等效为单路双向DC-DC电路时，若输出滤波电容容量不够，则闭合所述开关K4，增大输出电容，起到滤波和稳压的作用。
4.根据权利要求2所述三相交直流复用输出电路，其特征在于，将所述输出端子U、输出端子V、输出端子W、输出端子N看做输入，所述电路亦可以作为兼具有三相交流输入功能和三路直流输入升压的电源电路。
5.根据权利要求2所述的三相交直流复用输出电路，其特征在于，所述电路通过控制器控制开关K1、开关K2、开关K3和开关K4的闭合与断开，以及通过控制器采集电流传感器CT1、电流传感器CT2、电流传感器CT3、电压传感器VT1、电压传感器VT2、电压传感器VT3、开关K1、开关K2、开关K3和开关K4状态等信号，经过运算处理，向半导体功率开关S1、半导体功率开关S2、半导体功率开关S3、半导体功率开关S4、半导体功率开关S5和半导体功率开关S6发出驱动信号。
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