CN107612461A - 全隔离电力电源转换装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种全隔离电力电源转换装置，包括驱动电路、反馈控制电路、光源和光伏电池，所述驱动电路包括反馈调整端；所述驱动电路用于生成驱动信号，所述驱动信号包括驱动电流，所述驱动电流用于驱动所述光源发光；所述反馈控制电路用于采样所述光伏电池的输出电压值并形成反馈信号通过光电隔离反馈至所述反馈调整端，所述驱动电路根据所述反馈调整端的信号调整所述驱动电流；所述光源用于根据所述驱动电流发光并向所述光伏电池传输光能量；所述光伏电池用于接收所述光能量并输出电能量。本发明通过采用LED光源和光伏电池技术和光隔离反馈实现能量全隔离传输，绝缘耐压水平达万伏，且泄漏电流可降低到零。

Description

全隔离电力电源转换装置
技术领域
本发明涉及电源系统，特别涉及一种全隔离电力电源转换装置。
背景技术
传统电力电源转换器利用变压器隔离技术实现电力转换，因受制于器件与材料限制，产品的绝缘耐压水平一般只能做到5kVac(千伏交流电压)左右，且存在泄漏电流，泄漏电流一般为毫安级别。因此，传统电力电源转换器因绝缘耐压水平低、泄漏电流大，不能满足工业控制系统对电源的输入和输出全隔离的要求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中传统电力电源转换器因绝缘耐压水平低、泄漏电流大，不能满足工业系统对电源的输入和输出全隔离的要求的缺陷，提供一种全隔离电力电源转换装置。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：
一种全隔离电力电源转换装置，其特点是，包括驱动电路、反馈控制电路、光源和光伏电池，所述驱动电路包括反馈调整端；
所述驱动电路用于生成驱动信号，所述驱动信号包括驱动电流，所述驱动电流用于驱动所述光源发光；
所述反馈控制电路用于采样所述光伏电池的输出电压值并形成反馈信号通过光电隔离反馈至所述反馈调整端，所述驱动电路根据所述反馈调整端的信号调整所述驱动电流；
所述光源用于根据所述驱动电流发光并向所述光伏电池传输光能量；
所述光伏电池用于接收所述光能量并输出电能量。
本方案通过采用驱动电路驱动光源将电能转换为光能，然后采用光伏电池将光能再转换为电能来实现电力传输，以及通过光隔离的反馈控制电路形成反馈以调整光源的发光，这时电力电源系统的输入与输出之间的能量传输及反馈实现了全隔离，绝缘耐压水平在理论上可以做到很高，比如一万伏以上，且泄漏电流在理论上也可降低到零。本方案中，所述驱动电路需要根据实际光源的驱动需求来进行设计以输出相应电压信号和电流信号，其中电流信号主要用于调整所述光源发出相应的光。
较佳地，所述全隔离电力电源转换装置还包括光学玻璃，所述光学玻璃设置于所述光源与所述光伏电池之间。
本方案在所述光源与所述光伏电池之间设置有透光材料进行隔离，比如透光材料选用光学玻璃，这样就可以将所述驱动电路、所述光源设置于光学玻璃一侧，而所述光伏电池设置于光学玻璃另一侧，光学玻璃不仅可以提高所述光源与所述光伏电池之间的光传输效能，还可以在结构设计上将电力传输系统中的输入端和输出端进行隔离，以进一步提高绝缘耐压能力和减少电流泄漏的可能途径。
较佳地，所述反馈控制电路包括电压采样电路、光转换电路和光接收电路，所述电压采样电路用于采样所述光伏电池的输出电压值并生成反馈信号，所述反馈信号用于驱动所述光转换电路，所述光转换电路根据所述反馈信号发光，所述光接收电路用于接收所述光转换电路发出的光并生成调整信号输出至所述反馈调整端。
本方案，首先所述电压采样电路采样所述光伏电池的输出电压值，并将该电压值生成反馈信号驱动所述光转换电路发光，所述光接收电路再转换为电信号由所述反馈调整端输入所述驱动电路调整所述驱动电流，从而使得所述光源的发光与所述光伏电池的输出进行匹配，比如当所述光伏电池未接负载或者所接负载较轻，即所述光伏电池不需要输出大的电能量，这时通过所述反馈控制电路形成负反馈输出至所述驱动电路来对所述驱动电流进行调整使得所述光源输出的光能量减弱，以进一步提高电力系统效能，节省能源。当然，本方案中，所述电压采样电路、所述光转换电路可以与所述光伏电池一起设置于上述光学玻璃的同一侧，而所述光接收电路与所述驱动电路、所述光源设置于上述光学玻璃的另一侧，这样所述光转换电路与所述光接收电路之间的光传输也透过光学玻璃，进一步在结构上提高电力传输系统的输入端和输出端之间的绝缘耐压能力和减少电流泄漏的可能途径。
较佳地，所述电压采样电路包括第一电阻、第二电阻和电流放大器，所述光转换电路包括发光二极管，所述光接收电路包括光敏三极管，所述第一电阻一端接信号地，所述第一电阻另一端分别与所述电流放大器的输入端、所述第二电阻一端连接，所述第二电阻另一端与所述光伏电池的输出端连接，所述发光二极管的阳极与所述电流放大器的输出端连接、阴极与信号地连接，所述光敏三极管的集电极与所述驱动电路的输出端连接、发射极与所述反馈调整端连接。
本方案中，首先通过所述第一电阻与所述第二电阻组成的分压电路获取到所述光伏电池的输出电压值，其次通过所述电流放大器形成相应的反馈信号驱动所述发光二极管发出相应的光，然后所述光敏三级管就生成相应的调整信号输出至所述反馈调整端完成反馈。本方案采用分立的所述发光二极管和所述光敏三极管，通过将所述发光二极管与所述光敏三极管在结构上进行分离，进一步提高绝缘耐压能力和减少电流泄漏的可能途径。
较佳地，所述全隔离电力电源转换装置还包括密闭腔体，所述发光二极管和所述光敏三极管设置于所述密闭腔体内。
本方案将所述发光二极管和所述光敏三极管安装在封闭腔体中，保证光信号的传输与接收不受外部光源的干扰影响。当然，在本方案中，在所述密闭腔体内还采用光学玻璃进一步在空间上将所述发光二极管和所述光敏三极管隔离，采用光学玻璃后既能提高光信号传输效能，也能进一步提高绝缘耐压。
较佳地，所述光源包括LED阵列，所述LED阵列包括若干LED。
其中，LED阵列的布局设计需要与所选用的LED发光特性、光伏电池的转换效能、负载的功率需求等因素相关，通常可采用若干LED构成串联阵列、串并联阵列来满足实际需求，这里不再展开。
较佳地，所述光伏电池包括薄膜光伏电池、单晶硅光伏电池或多晶硅光伏电池。其中，所述光伏电池可根据实际需求进行优选。
较佳地，所述全隔离电力电源转换装置还包括二极管，所述二极管串接于所述驱动电路的输出端与所述光源之间。本方案中，利用所述二极管的单向导通特性来将所述驱动电路与所述光源进行隔离以保护所述光源。
较佳地，所述全隔离电力电源转换装置还包括整流桥，所述驱动电路通过所述整流桥与外部交流电源连接。本方案中，采用所述整流桥后，所述全隔离电力电源转换装置还可以用于输入端为交流电源的电力系统中。
较佳地，所述全隔离电力电源转换装置还包括直流变换器，所述直流变换器的输入端与所述光伏电池的输出端连接，所述直流变换器的输出端与负载连接。本方案中，采用所述直流变换器对所述光伏电池的输出进行直流变换，让负载获得更稳定的供电，也扩展了所述光伏电池的使用灵活性。
本发明的积极进步效果在于：本发明通过采用LED平面光源和光伏电池技术和光隔离反馈实现能量传输，实现了电力电源系统的输入与输出之间的能量传输及反馈实现了全隔离，绝缘耐压水平达万伏以上，且泄漏电流在理论上可降低到零。
附图说明
图1为本发明的实施例1的全隔离电力电源转换装置的组成示意图。
图2(a)为本发明的实施例1的全隔离电力电源转换装置的若干LED串联组成LED阵列的示意图。
图2(b)为本发明的实施例1的全隔离电力电源转换装置的若干LED串联再并联组成LED阵列的示意图。
图2(c)为本发明的实施例1的全隔离电力电源转换装置的若干LED混合串并联组成LED阵列的示意图。
图3为本发明的实施例2的全隔离电力电源转换装置的组成示意图。
图4为本发明的实施例2的全隔离电力电源转换装置的产品结构的示意图。
图5为本发明的实施例3的全隔离电力电源转换装置的组成示意图。
图6为本发明的实施例4的全隔离电力电源转换装置的组成示意图。
具体实施方式
下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
实施例1
如图1所示，本实施例涉及的全隔离电力电源转换装置，包括驱动电路1、反馈控制电路2、光源3和光伏电池4，所述驱动电路1包括反馈调整端11，所述驱动电路1用于生成驱动信号，所述驱动信号包括驱动电流，所述驱动电流用于驱动所述光源3发光；所述反馈控制电路2用于采样所述光伏电池4的输出电压值并形成反馈信号通过光电隔离反馈至所述反馈调整端11，所述驱动电路1根据所述反馈调整端11的信号调整所述驱动电流；所述光源3用于根据所述驱动电流发光并向所述光伏电池4传输光能量；所述光伏电池4用于接收所述光能量并输出电能量。如图1所示，所述驱动电路1的输入端12连接外部DC(直流电源)输入正极，所述驱动电路1的输出端13连接所述光源3的一端，所述光源3的另一端连接外部DC(直流电源)输入负极，这时通过采用光传输实现电力系统的能量传输的隔离和反馈的隔离，使得电力系统做到全隔离，绝缘耐压不再受到传统变压器的耐压能力限制，绝缘耐压水平获得了极大的提高，且理论上可做到零泄漏电流。
进一步，具体实施时，可根据实际情况来优选薄膜光伏电池、单晶硅光伏电池或多晶硅光伏电池作为所述光伏电池4。
进一步，所述光源3包括LED阵列31，所述LED阵列31包括若干LED。如图2(a)-(c)所示，LED阵列31大概有这样常见的三种布局，其中图2(a)为单纯串联，图2(b)为先串联再并联，图2(c)为混合串并联。具体实施时，LED阵列的布局设计需要结合所选用的LED、光伏电池4的转换效能、负载的功率需求等因素考虑，这里不再展开叙述。
进一步，本实施例中，如图1所示，所述反馈控制电路2包括电压采样电路21、光转换电路22和光接收电路23，所述电压采样电路21用于采样所述光伏电池4的输出电压值并生成反馈信号，所述反馈信号用于驱动所述光转换电路22，所述光转换电路22根据所述反馈信号发光，所述光接收电路23用于接收所述光转换电路22发出的光并生成调整信号输出至所述反馈调整端11。具体实施中，所述电压采样电路21包括第一电阻R1、第二电阻R2和电流放大器A1，所述光转换电路22包括发光二极管VD1，所述光接收电路23包括光敏三极管VT1，所述第一电阻R1一端接信号地，所述第一电阻R1另一端分别与所述电流放大器A的输入端、所述第二电阻R2一端连接，所述第二电阻R2另一端与所述光伏电池4的输出端连接，所述发光二极管VD1的阳极与所述电流放大器A1的输出端连接、阴极与信号地连接，所述光敏三极管VT1的集电极与所述驱动电路1的输出端连接、发射极与所述反馈调整端11连接。这时，所述第一电阻R1与所述第二电阻R2组成的分压电路获取到所述光伏电池4的输出电压值，所述电流放大器A1将获取到的电压值放大后驱动所述发光二极管VD1发出相应的光，所述光敏三级管VT1吸收该光后生成相应的调整信号通过所述反馈调整端11输入到所述驱动电路1中，由所述驱动电路1对所述驱动电流进行相应调整以让所述光源3形成相应光能量，最终实现闭环反馈控制，使得所述光伏电池4的输出更稳定。另外，通过采用分立的所述发光二极管VD1和所述光敏三极管VT1构成光隔离电路取代集成式光隔离器，使得所述发光二极管VD1与所述光敏三级管VT1在结构上就做到分离，进一步提高了绝缘耐压能力和减少电流泄漏的可能途径。
进一步，本实施例中，所述全隔离电力电源转换装置还包括密闭腔体(为了图示简洁，密闭腔体未在图1中标识)，所述发光二极管VD1和所述光敏三极管VT1设置于所述密闭腔体内部，以保证光信号的传输与接收不受外部的光的干扰影响。当然，在具体实施时，还可采用透光材料(为了图示简洁，透光材料未在图1中标识)如光学玻璃在所述密闭腔体内将所述发光二极管VD1和所述光敏三极管VT1在空间上进一步隔离，以提高光信号传输效能和绝缘耐压能力。
进一步，本实施例中，所述全隔离电力电源转换装置还包括直流变换器5，所述直流变换器5的输入端与所述光伏电池4的输出端连接，所述直流变换器的输出端Vout与负载(负载未在图1中标识)连接。通过采用所述直流变换器5对所述光伏电池4的输出进行直流变换，让负载获得更稳定的供电，也扩展了所述光伏电池4的使用灵活性。
实施例2
本实施例涉及的全隔离电力电源转换装置与实施例1涉及的全隔离电力电源转换装置基本相同，不同之处在于，本实施例中在所述光源3与所述光伏电池4之间设置有透光材料进行隔离，如图3所示，具体实施时优选了光学玻璃6，并将所述光学玻璃6设置于所述光源3与所述光伏电池4之间，这样就可以将所述驱动电路1、所述光源3设置于光学玻璃一侧，而所述光伏电池4设置于光学玻璃另一侧，这样光学玻璃不仅可以提高所述光源3与所述光伏电池4之间的光传输效能，还可以在结构设计上将电力传输系统中的输入和输出进行隔离，以进一步提高绝缘耐压能力和减少电流泄漏的可能途径。另外，如图4所示，产品结构分为上下二层，上层为光源3及其驱动电路1、光接收电路23，下层为电压采样电路21、光转换电路22、光伏电池4与直流变换器5，上下层之间采用如光学玻璃6等透光材料隔离，光伏电池4的电压反馈信号也通过光传输的方式反馈到驱动电路1中，为便于直观理解产品结构和图示简洁，电压采样电路21、光转换电路22、光接收电路23以及连接关系等相关内容未在图4中具体标识出来，所述光学玻璃6在图3中亦未延伸到所述光转换电路22与所述光接收电路23之间。因此，外部的电源输入经过LED驱动电源及LED光源阵列将电能转换为光能传输至光伏电池及直流变换器形成DC输出，并通过光隔离的反馈来调整驱动信号调节LED光源阵列发光，这样通过光学玻璃能进行有效传输和反馈隔离，在结构设计上进一步将电力传输系统中的输入和输出隔离，以提高绝缘耐压能力和减少电流泄漏的可能途径。
实施例3
本实施例涉及的全隔离电力电源转换装置与实施例1涉及的全隔离电力电源转换装置基本相同，不同之处在于，如图5所示，本实施例中，所述全隔离电力电源转换装置还包括整流桥7，具体实施时优选由4个整流二极管组合的整流桥堆BR(Bridge Rectifiers，整流桥堆)，一般还在AC(交流电源)输入的L线(火线)与整流桥7之间串接熔断丝RF以及整流桥7与N线(零线)之间并联压敏电阻RV，所述驱动电路1通过所述整流桥与外部交流电源连接。采用所述整流桥7后，所述全隔离电力电源转换装置就可以用于输入电源为交流电源的电力系统中。
实施例4
本实施例涉及的全隔离电力电源转换装置与实施例3涉及的全隔离电力电源转换装置基本相同，不同之处在于，如图6所示，本实施例中，所述驱动电路1优选PI(PowerIntegrations)公司的LYT switch系列芯片作为核心驱动器件，所述直流变换器5优选TI(Texas Instruments Incorporated，德州仪器)公司5瓦直流稳压芯片，所述光源3由六十颗0.5瓦LED串联组成LED光源阵列，组成5瓦输出的电力传输系统，其中所述驱动电路1由LYTswitch系列芯片U1、电容器C1、电阻器R3-R5和储能电感器L1组成，具体实施中所述全隔离电力电源转换装置还采用续流二极管VD2，将续流二极管VD2串接于所述驱动电路1的输出端13与所述光源3之间，所述光源3的电流I0如图6所示箭头进行流动，从而利用续流二极管VD2的单向导通特性来将所述驱动电路1与所述光源3进行隔离以保护所述光源3，这样若驱动芯片U1发生短路故障，续流二极管VD2能保护所述光源3。所述光伏电池4采用兆天公司输出电压6V和额定功率6瓦的单晶硅光伏电池，所述直流变换电路5由直流稳压芯片U2、电容器C3-C5、储能电感器L2和电阻器R6-R7组成，Vout端输出的直流电源为5V/1A。另外，所述光源3两端还可以并联电容器C2以滤波一些载波，使得所述光源3发光稳定。
为便于进一步理解本发明的技术效果，这里，选用了常规5W电源适配器与实施例4涉及的全隔离电力电源转换装置进行对比测试验证，做了绝缘耐压、泄漏漏电和浪涌测试对比。
1、绝缘耐压、泄漏电流的测试
交流(AC)输入-直流输出Vout之间施加交流高压测试，泄漏电流规格10mA，测试结果如表1所示。
表1 绝缘耐压、泄漏电流测试结果
绝缘耐压测试 常规5W电源适配器 实施例4
1500Vac，1min 泄漏电流0.483mA 泄漏电流为零
3000Vac，1min 泄漏电流0.753mA 泄漏电流为零
5000Vac，1min 泄漏电流1.015mA 泄漏电流为零
6000Vac，1min 绝缘击穿 泄漏电流为零
2、浪涌测试
交流(AC)输入-直流输出Vout之间施加浪涌电压，组合波为1.2/50us，浪涌电压±4KV至±10KV，测试结果如表2所示。
表2 浪涌测试结果
浪涌测试 常规5W电源适配器 实施例4
±4kV 合格 合格
±6kV 电源失效 合格
±8kV --- 合格
±10kV --- 合格
上述测试结果表明实施例4所涉及的全隔离电力电源转换装置，绝缘耐压达到万伏(10kV，10千伏)仍可靠工作，且泄漏电路为零。因此，本发明可适用于高可靠性比如极高耐压、浪涌能力要求高、泄漏电流小的电力电源转换应用场合。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种全隔离电力电源转换装置，其特征在于，包括驱动电路、反馈控制电路、光源和光伏电池，所述驱动电路包括反馈调整端；
所述驱动电路用于生成驱动信号，所述驱动信号包括驱动电流，所述驱动电流用于驱动所述光源发光；
所述反馈控制电路用于采样所述光伏电池的输出电压值并形成反馈信号通过光电隔离反馈至所述反馈调整端，所述驱动电路根据所述反馈调整端的信号调整所述驱动电流；
所述光源用于根据所述驱动电流发光并向所述光伏电池传输光能量；
所述光伏电池用于接收所述光能量并输出电能量。
2.如权利要求1所述的全隔离电力电源转换装置，其特征在于，所述全隔离电力电源转换装置还包括光学玻璃，所述光学玻璃设置于所述光源与所述光伏电池之间。
3.如权利要求1所述的全隔离电力电源转换装置，其特征在于，所述反馈控制电路包括电压采样电路、光转换电路和光接收电路，所述电压采样电路用于采样所述光伏电池的输出电压值并生成反馈信号，所述反馈信号用于驱动所述光转换电路，所述光转换电路根据所述反馈信号发光，所述光接收电路用于接收所述光转换电路发出的光并生成调整信号输出至所述反馈调整端。
4.如权利要求3所述的全隔离电力电源转换装置，其特征在于，所述电压采样电路包括第一电阻、第二电阻和电流放大器，所述光转换电路包括发光二极管，所述光接收电路包括光敏三极管，所述第一电阻一端接信号地，所述第一电阻另一端分别与所述电流放大器的输入端、所述第二电阻一端连接，所述第二电阻另一端与所述光伏电池的输出端连接，所述发光二极管的阳极与所述电流放大器的输出端连接、阴极与信号地连接，所述光敏三极管的集电极与所述驱动电路的输出端连接、发射极与所述反馈调整端连接。
5.如权利要求4所述的全隔离电力电源转换装置，其特征在于，所述全隔离电力电源转换装置还包括密闭腔体，所述发光二极管和所述光敏三极管设置于所述密闭腔体内。
6.如权利要求1所述的全隔离电力电源转换装置，其特征在于，所述光源包括LED阵列，所述LED阵列包括若干LED。
7.如权利要求1所述的全隔离电力电源转换装置，其特征在于，所述光伏电池包括薄膜光伏电池、单晶硅光伏电池或多晶硅光伏电池。
8.如权利要求1所述的全隔离电力电源转换装置，其特征在于，所述全隔离电力电源转换装置还包括二极管，所述二极管串接于所述驱动电路的输出端与所述光源之间。
9.如权利要求1所述的全隔离电力电源转换装置，其特征在于，所述全隔离电力电源转换装置还包括整流桥，所述驱动电路通过所述整流桥与外部交流电源连接。
10.如权利要求1所述的全隔离电力电源转换装置，其特征在于，所述全隔离电力电源转换装置还包括直流变换器，所述直流变换器的输入端与所述光伏电池的输出端连接，所述直流变换器的输出端与负载连接。
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