CN107124107B - 无电解电容隔离式ac-ac电源 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了无电解电容隔离式AC‑AC电源，采用控制器MCU脉冲宽度调制PWM波控制MOSFET管把50Hz交流电转变为20KHz交流电，向电力电子变压器TR原方初级绕组N1激磁，感应副方次级绕组N2得到交流电流，改变副方次级绕组N2的匝数以得到所需要的交流电压输出。本发明的AC‑AC电源，不用桥式整流和电解电容，降低浪涌电流，有效提升可靠性，降低成本，减小电源体积，提升电功效率0.95以上。

Description

无电解电容隔离式AC-AC电源
技术领域
本发明属于电源技术领域，特别是无电解电容隔离式AC-AC电源。
背景技术
浪涌电流的根源是电解电容充电。传统的开关电源设计工程师，一下手就无悬念地先画一个桥式整流,交流电源经整流桥堆全波整流，把交流电源整流，由450V电解电容滤波，然后供电给开关电源的其他拓扑，最常见的是Boost的APFC拓扑，还有LLC的DC-AC拓扑，等等。于是每当电源开关接通交流电源的瞬间，由于电解电容充电电流脉冲很大，称为“浪涌电流”。尤其是多个装置同时通电，合闸时的巨大浪涌电流，可能烧断保险熔丝。如果没有可烧断的保险丝，很可能引起电气火灾！现实已经多次重现此灾难了。
由中国长城计算机深圳股份有限公司创新研发的“3000W高性能超级计算机电源”是当代最优秀的开关电源，正式装备超级计算机“天河二号”。该电源中，最突出的是开机时浪涌电流小于20安培，这低于电源行业最大40安培浪涌电流的标准。可避免多台设备并联运行同时开机时，因为浪涌电流太大，可能发生的系统跳闸的危险。但是“3000W高性能超级计算机电源”仍然使用传统的桥式整流和电解电容。
如何把浪涌电流进一步从20安培再压缩降低呢？如何根本化解浪涌电流的危害？这是值得创新研发的新攻关课题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种无交流电源整流、降低浪涌电流、提升可靠性、降低成本、减小电源体积的无电解电容隔离式AC-AC电源。
本发明采用如下技术方案解决上述技术问题：
无电解电容隔离式AC-AC电源，包括EMI滤波器、控制器MCU的启动电路、控制器MCU的稳定工作供电电路、输出控制回路以及输出电路；
所述EMI滤波器由安规电容CX1和安规电容CX2、共模电感Ly1和共模电感Ly2组成；共模电感Ly1和共模电感Ly2耦合；输入电源的电源端子L～连接共模电感Ly1的同名端和安规电容CX1的一端，共模电感Ly1的异名端连接安规电容CX2的一端，安规电容CX1的另一端连接电源端子N～，安规电容CX2的另一端连接共模电感Ly2的异名端，共模电感Ly2的同名端连接电源端子N～；
所述控制器MCU的启动电路为：输入电源连接所述EMI滤波器后，电力电子变压器TR原方初级绕组N1依次串联启动电容Cj2和启动电容Cj1后并联到安规电容CX2两端；电阻Rj的一端连接启动电容Cj2和启动电容Cj1的公共连接点，另一端连接二极管Dj的正极，二极管Dj的负极连接控制器MCU的VCC引脚；电容CV的一端连接控制器MCU的VCC引脚，另一端连接控制器MCU的GND引脚；电容CV的两端并联稳压二极管DZ；控制器MCU的GND引脚连接悬浮公共点GND；
所述控制器MCU的稳定工作供电电路为：电力电子变压器TR的独立电流绕组NV作为MCU的稳定供电电源；二极管DV1的正极连接二极管DV2的负极；电容CV1和电容CV2串联后的串联支路一端连接二极管DV1的负极，另一端连接二极管DV2的正极；独立电流绕组NV一端连接电容CV1和电容CV2的公共连接点，另一端连接二极管DV1的正极；二极管DV1的负极连接控制器MCU的VCC引脚，二极管DV2的正极连接控制器MCU的GND引脚；电容CV作为储能电容；
所述输出控制回路为：输入电源正半波时，控制器MCU控制电力电子开关管T2管导通，电流从电源端子L～流出，依次流经电感Ly1、电力电子变压器TR原方初级绕组N1、电力电子开关管T2、二极管D1和共模电感Ly2，流到电源端子N～；输入电源负半波时，控制器MCU控制电力电子开关管T1管导通，电流从电源端子N～流出，依次流经共模电感Ly2、电力电子开关管T1、二极管D2、电力电子变压器TR原方初级绕组N1和共模电感Ly1，流到电源端子L～；所述电力电子开关管T1的源极连接电阻RS1后连接悬浮公共点GND，漏极连接共模电感Ly1的异名端，栅极连接控制器MCU的I/O引脚，电力电子开关管T1的源极和漏极之间反向并联二极管D1；所述电力电子开关管T2的源极连接电阻RS2后连接悬浮公共点GND，漏极连接电力电子变压器TR原方初级绕组N1和启动电容Cj2的公共连接点，栅极连接控制器MCU的另一I/O引脚，电力电子开关管T2的源极和漏极之间反向并联二极管D2；
所述输出电路为：电力电子变压器TR的副方次级绕组N2感应得到交流电流，改变N2匝数得到所需要的交流电压供给交流负载。
还包括反馈控制电路，所述反馈控制电路为：电力电子变压器TR的独立绕组N3与副方次级绕组N2紧耦合，以隔离的方式感应副方次级绕组N2回路反射阻抗，用于控制器MCU输出PWM脉宽调制控制电力电子开关管T1和电力电子开关管T2；取样电阻RIN1一端连接电力电子开关管T1的漏极，另一湍连接取样电阻RIN2的一端，取样电阻RIN2的另一端连接电力电子开关管T2的漏极，控制器MCU的采样信号输入端IN连接取样电阻RIN1和取样电阻RIN2的公共连接点。
还包括与安规电容CX2并联的压敏电阻RV、串接在电源端子L～和共模电感Ly1的同名端之间的熔断保险丝F、连接在电源端子N～和悬浮公共点GND之间的共模电容CY2、连接在共模电感Ly1的同名端和悬浮公共点GND之间的共模电容CY1。
所述电力电子开关T1和电力电子开关T2均采用MOSFET管。
本发明的显著优点在于：
1、由于不用传统的桥式整流，不用450V电解电容，所以，多台本发明的AC-AC电源并联运行，同时接通电源瞬间浪涌电流不大，能降低到2A，远远小于“CDM3000”电源的浪涌电流。
2、由于不用高压电解电容，有效提升可靠性，降低成本。
3、没有大体积的高压电解电容，方便生产出超薄电源，提升电源体积的功率密度。
4、提升电源电功效率0.95以上。
附图说明
图1是本发明无电解电容隔离式AC-AC电源的电路原理图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明，但不构成对本发明权利要求保护范围的限制。
如图1所示，无电解电容隔离式AC-AC电源，包括EMI滤波器、控制器MCU的启动电路、控制器MCU的稳定工作供电电路、输出控制回路、反馈控制电路以及输出电路；
所述EMI滤波器由安规电容CX1和安规电容CX2、共模电感Ly1和共模电感Ly2组成；共模电感Ly1和共模电感Ly2耦合；输入电源的电源端子L～连接共模电感Ly1的同名端和安规电容CX1的一端，共模电感Ly1的异名端连接安规电容CX2的一端，安规电容CX1的另一端连接电源端子N～，安规电容CX2的另一端连接共模电感Ly2的异名端，共模电感Ly2的同名端连接电源端子N～。
安规电容CX2并联压敏电阻RV，熔断保险丝F串接在电源端子L～和共模电感Ly1的同名端之间，共模电容CY2连接在电源端子N～和悬浮公共点GND之间，共模电容CY1连接在共模电感Ly1的同名端和悬浮公共点GND之间。
所述控制器MCU的启动电路为：输入电源连接所述EMI滤波器后，电力电子变压器TR原方初级绕组N1依次串联启动电容Cj2和启动电容Cj1后并联到安规电容CX2两端；电阻Rj的一端连接启动电容Cj2和启动电容Cj1的公共连接点，另一端连接二极管Dj的正极，二极管Dj的负极连接控制器MCU的VCC引脚；电容CV的一端连接控制器MCU的VCC引脚，另一端连接悬浮公共点GND；电容CV的两端并联稳压二极管DZ；控制器MCU的GND引脚连接悬浮公共点GND；
所述控制器MCU的稳定工作供电电路为：电力电子变压器TR的独立电流绕组NV作为MCU的稳定供电电源；二极管DV1的正极连接二极管DV2的负极；电容CV1和电容CV2串联后的串联支路一端连接二极管DV1的负极，另一端连接二极管DV2的正极；独立电流绕组NV一端连接电容CV1和电容CV2的公共连接点，另一端连接二极管DV1的正极；二极管DV1的负极连接控制器MCU的VCC引脚，二极管DV2的正极连接控制器MCU的GND引脚；
所述输出控制回路为：输入电源正半波时，控制器MCU控制电力电子开关管T2管导通，电流从电源端子L～流出，依次流经电感Ly1、电力电子变压器TR原方初级绕组N1、电力电子开关管T2、二极管D1和共模电感Ly2，流到电源端子N～；输入电源负半波时，控制器MCU控制电力电子开关管T1管导通，电流从电源端子N～流出，依次流经共模电感Ly2、电力电子开关管T1、二极管D2、电力电子变压器TR原方初级绕组N1和共模电感Ly1，流到电源端子L～；所述电力电子开关管T1的源极连接电阻RS1后连接悬浮公共点GND，漏极连接共模电感Ly1的异名端，栅极连接控制器MCU的I/O引脚，电力电子开关管T1的源极和漏极之间反向并联二极管D1；所述电力电子开关管T2的源极连接电阻RS2后连接悬浮公共点GND，漏极连接电力电子变压器TR原方初级绕组N1和启动电容Cj2的公共连接点，栅极连接控制器MCU的另一I/O引脚，电力电子开关管T2的源极和漏极之间反向并联二极管D2；
所述反馈控制电路为：电力电子变压器TR的独立绕组N3与副方次级绕组N2紧耦合，以隔离的方式感应副方次级绕组N2回路反射阻抗，用于控制器MCU输出PWM脉宽调制控制电力电子开关管T1和电力电子开关管T2；取样电阻RIN1一端连接电力电子开关管T1的漏极，另一湍连接取样电阻RIN2的一端，取样电阻RIN2的另一端连接电力电子开关管T2的漏极，控制器MCU的采样信号输入端IN连接取样电阻RIN1和取样电阻RIN2的公共连接点；
所述输出电路为：电力电子变压器TR的副方次级绕组N2感应得到交流电流，改变N2匝数得到所需要的交流电压供给交流负载。
本发明无电解电容隔离式AC-AC电源的工作原理：
本发明电源采用控制器MCU脉冲宽度调制PWM波控制MOSFET管把输入电源50Hz交流电转变为20KHz交流电，向电力电子变压器TR原方初级绕组N1激磁，感应副方次级绕组N2得到交流电流，改变副方次级绕组N2的匝数以得到所需要的交流电压输出。也可以用同步整流把副方次级绕组N2输出的交流转化为直流。
EMI滤波原理：EMI滤波器是一种由电感和电容组成的低通滤波器，它能让低频的有用信号顺利通过，而对高频干扰有抑制作用。安规电容CX1和安规电容CX2、共模电感Ly1和共模电感Ly2组成常规EMI滤波器。压敏电阻RV并联安规电容CX2，吸收感应雷电及电网操作过电压浪涌。共模电容CY1和共模电容CY2，均采用103/3KV电容，是把弱电控制部分的悬浮公共点即控制器MCU的GND引脚，与输入电源N～端子之间高频电流可流通，减化EMC电磁兼容与传导干扰的电平。电感Ly1和电感Ly2的漏电感与安规电容CX1和安规电容CX2，构成差模滤波。熔断保险丝F主要是对电路起到保护作用。
启动电源原理：输入电源的电源端子L～和电源端子～N接通交流Vac＝220V时，由启动电容Cj1和启动电容Cj2的容抗，串联分压后的电压为0.5Vac向启动电阻Rj提供微小启动电流，由二极管Dj整流，向电容CV充电，同时向控制器MCU的VCC引脚供电，VCC引脚的电压等于齐纳稳压二极管DZ两端的电压，符合控制器MCU工作之需要，控制器MCU启动。
电力电子变压器TR的独立电流绕组NV作为控制器MCU的稳定供电电源。当工作在输入电源正半波时二极管DV1导通，独立电流绕组NV通过二极管DV1向电容CV1充电，电容CV1上的电压为独立电流绕组NV的电压。当工作在输入电源负半波时二极管DV2导通，独立电流绕组NV通过二极管DV2向CV2充电，电容CV2上的电压为独立电流绕组NV的电压。电容CV1和电容CV2串联构成全波倍压整流输出的电流源，向电容CV充电，并向控制器MCU供电，取代了启动电容Cj1和启动电容Cj2提供启动微电流的作用，使控制器MCU得到5V电压稳定工作。电容CV储能足够大，保证在0.1秒钟时段内的控制器MCU的工作电压稳定，不受交流电源正负半波的影响，使MCU工作正常。
本发明使用PWM来控制电力电子开关管T1和电力电子开关管T2以达到控制输出的目的。
输入电源正半波时，电力电子开关管T2管导通，电流从电源端子L～流出，经过电感Ly1、电力电子变压器TR原方初级绕组N1、电力电子开关管T2、二极管D1和电感Ly2，流到电源端子N～。输入电源负半波时，电力电子开关管T1管导通，电流从电源端子N～流出，经过电感Ly2、电力电子开关管T1、二极管D2、电力电子变压器TR原方初级绕组N1和电感Ly1，流到电源端子L～。
电力电子变压器TR的另一独立绕组N3，是与副方次级绕组N2紧耦合的反馈绕组，以隔离的方式感应副方次级绕组N2回路反射阻抗，用于控制器MCU数码输出PWM脉宽调制控制MOSFET，以及逐个脉冲精确控制占空比D，实现输出电压稳压、恒流、恒功率和各种异常保护。用控制器MCU作为控制可以实现智能化电源之目标。由于控制器MCU的GND端与电力电子开关管T1的S极、电力电子开关管T2的S极是同电位，电源电压取样电阻RIN1与取样电阻RIN2，为控制器MCU提供电源UIN过零时数控的时间坐标，控制器MCU分别以PWM驱动电力电子开关管T1和电力电子开关管T2。还可以在共模电感Ly1和电力电子变压器TR的原方初级绕组N1之间串接一个电容CPF，电容CPF有两个作用，其一是抑制原方初级绕组N1直流偏磁；另一个作用是构成LC串联谐振回路，提升本机电功效率0.95以上。高频电流流经串联功率因数的电容CPF之后，向电力电子变压器TR的原方初级绕组N1激磁。电力电子变压器TR副方次级绕组N2、独立反馈绕组绕组N3作为反馈绕组，可供控制器MCU侦知强电回路的工作状况，及时调控电力电子开关T1和电力电子开关T2的占空比D,实现各种异常保护，实现稳压输出/恒流输出/恒功率输出等运行外特性。
所述电力电子开关T1和电力电子开关T2均采用氮化镓(GaN)MOSFET管或COOLMOSFET，内阻尽量小，以保证电功效率超过0.95以上。
本发明的电源，能实现把浪涌电流下降到2安培，远远低于电源行业最大40安培浪涌电流的标准。

Claims (4)

1.无电解电容隔离式AC-AC电源，其特征在于，包括EMI滤波器、控制器MCU的启动电路、控制器MCU的稳定工作供电电路、输出控制回路以及输出电路；
所述EMI滤波器由安规电容CX1和安规电容CX2、共模电感Ly1和共模电感Ly2组成；共模电感Ly1和共模电感Ly2耦合；输入电源的电源端子L～连接共模电感Ly1的同名端和安规电容CX1的一端，共模电感Ly1的异名端连接安规电容CX2的一端，安规电容CX1的另一端连接电源端子N～，安规电容CX2的另一端连接共模电感Ly2的异名端，共模电感Ly2的同名端连接电源端子N～；
所述控制器MCU的启动电路为：输入电源连接所述EMI滤波器后，电力电子变压器TR原方初级绕组N1依次串联启动电容Cj2和启动电容Cj1后并联到安规电容CX2两端；电阻Rj的一端连接启动电容Cj2和启动电容Cj1的公共连接点，另一端连接二极管Dj的正极，二极管Dj的负极连接控制器MCU的VCC引脚；电容CV的一端连接控制器MCU的VCC引脚，另一端连接控制器MCU的GND引脚；电容CV的两端并联稳压二极管DZ；控制器MCU的GND引脚连接悬浮公共点GND；
所述控制器MCU的稳定工作供电电路为：电力电子变压器TR的独立电流绕组NV作为MCU的稳定供电电源；二极管DV1的正极连接二极管DV2的负极；电容CV1和电容CV2串联后的串联支路一端连接二极管DV1的负极，另一端连接二极管DV2的正极；独立电流绕组NV一端连接电容CV1和电容CV2的公共连接点，另一端连接二极管DV1的正极；二极管DV1的负极连接控制器MCU的VCC引脚，二极管DV2的正极连接控制器MCU的GND引脚；电容CV作为储能电容；
所述输出控制回路为：输入电源正半波时，控制器MCU控制电力电子开关管T2管导通，电流从电源端子L～流出，依次流经共模电感Ly1、电力电子变压器TR原方初级绕组N1、电力电子开关管T2、二极管D1和共模电感Ly2，流到电源端子N～；输入电源负半波时，控制器MCU控制电力电子开关管T1管导通，电流从电源端子N～流出，依次流经共模电感Ly2、电力电子开关管T1、二极管D2、电力电子变压器TR原方初级绕组N1和共模电感Ly1，流到电源端子L～；所述电力电子开关管T1的源极连接电阻RS1后连接悬浮公共点GND，漏极连接共模电感Ly1的异名端，栅极连接控制器MCU的I/O引脚，电力电子开关管T1的源极和漏极之间反向并联二极管D1；所述电力电子开关管T2的源极连接电阻RS2后连接悬浮公共点GND，漏极连接电力电子变压器TR原方初级绕组N1和启动电容Cj2的公共连接点，栅极连接控制器MCU的另一I/O引脚，电力电子开关管T2的源极和漏极之间反向并联二极管D2；
所述输出电路为：电力电子变压器TR的副方次级绕组N2感应得到交流电流，改变N2匝数得到所需要的交流电压供给交流负载。
2.如权利要求1所述的无电解电容隔离式AC-AC电源，其特征在于，还包括反馈控制电路，所述反馈控制电路为：电力电子变压器TR的独立绕组N3与副方次级绕组N2紧耦合，以隔离的方式感应副方次级绕组N2回路反射阻抗，用于控制器MCU输出PWM脉宽调制控制电力电子开关管T1和电力电子开关管T2；取样电阻RIN1一端连接电力电子开关管T1的漏极，另一湍连接取样电阻RIN2的一端，取样电阻RIN2的另一端连接电力电子开关管T2的漏极，控制器MCU的采样信号输入端IN连接取样电阻RIN1和取样电阻RIN2的公共连接点。
3.如权利要求1所述的无电解电容隔离式AC-AC电源，其特征在于，还包括与安规电容CX2并联的压敏电阻RV、串接在电源端子L～和共模电感Ly1的同名端之间的熔断保险丝F、连接在电源端子N～和悬浮公共点GND之间的共模电容CY2、连接在共模电感Ly1的同名端和悬浮公共点GND之间的共模电容CY1。
4.如权利要求1所述的无电解电容隔离式AC-AC电源，其特征在于，所述电力电子开关管T1和电力电子开关管T2均采用MOSFET管。
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