CN108964450B - 一种直流电源接入交流电源的复合电路 - Google Patents

一种直流电源接入交流电源的复合电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种直流电源接入交流电源的复合电路及其应用，其包括：交流输入接口、直流输入接口、整流电路、降压电路及直流输出接口；交流输入接口用于接入交流电源；直流输入接口用于接入直流电源；整流电路与交流输入接口相连，用于将交流电压变换为直流电压；降压电路用于对整流电路得到的直流电压及直流输入接口接入的直流电压进行降压处理；直流输出接口用于输出降压电路得到的直流电压，为需供电负载供电。该应用包括：该复合电路应用于无线电能传输系统、分布式发电系统、交直流混合微电网。本发明的直流电源接入交流电源的复合电路及其应用，能够实现软上电以及网侧单位功率因数运行，同时具有宽范围的升压和降压调节能力。

Description

一种直流电源接入交流电源的复合电路
技术领域
本发明涉及电力电子变换技术领域，特别涉及一种直流电源接入交流电源的复合电路及其应用。
背景技术
无线输电技术是一种利用无线电传输电力能量的技术，通过耦合线圈间的电磁感应传递能量，可以有效地避免有线连接带来的不便以及隐患，并且能够适应复杂环境。经过多年以来的研究，无线输电技术已经较为成熟，不仅在工业生产、航空航天以及无线感知网络等领域具有重要应用价值，在生物医疗、交通运输以及消费电子等民用领域也得到广泛的应用，为社会各界带来了诸多便利。然而目前仍然存在一些亟待解决的问题，例如传统的无线输电系统的前级电路无法实现软上电以及单位功率因数运行，在上电时会产生电流冲击，谐波电流的存在也会对导致额外的能量损耗以及污染电网。因此前级电路需要具备软上电以及单位功率因数运行的能力。
常见的无线输电前级电路有两种，第一种是由四个功率二极管构成的不控整流桥作为前级电路，如论文《Fundamental Verification of a Single-to-single PhaseDirect Power Converter for Wireless Power Transfer Systems》就提出了这种电路拓扑，该拓扑虽然具有结构简单经济实惠的优点，但是输出电压不可控并且无法实现单位功率因数运行，上电时具有较大的冲击电流。第二种是BOOST型功率因数矫正电路(PowerFactor Corrector,PFC)，如论文《Design and Experimentation of WPT Charger forElectric City Car》中就采用了此类拓扑作为前级电路，该电路虽然能够实现单位功率因数运行，但是无法实现软上电，难以避免较大的电流冲击。
综合以上的分析，目前阶段的无线输电技术急需一种能够实现软上电以及单位功率因数运行的新型前级电路。
发明内容
本发明针对上述现有技术中存在的问题，提出一种直流电源接入交流电源的复合电路及其应用，能够实现软上电以及网侧单位功率因数运行，同时具有宽范围的升降压调节能力。
为解决上述技术问题，本发明是通过如下技术方案实现的：
本发明提供一种直流电源接入交流电源的复合电路，其包括：交流输入接口、直流输入接口、整流电路、降压电路以及直流输出接口；其中，
所述交流输入接口用于接入交流电源；
所述直流输入接口用于接入直流电源；
所述整流电路与所述交流输入接口相连，用于将所述交流输入接口接入的交流电压变换为直流电压；
所述降压电路设置于所述整流电路与所述直流输出接口之间以及所述直流输入接口与所述直流输出接口之间，用于对所述整流电路得到的直流电压以及所述直流输入接口接入的直流电压进行降压处理；
所述直流输出接口用于输出经过所述降压电路得到的直流电压，以为需供电负载供电。
较佳地，还包括：滤波电路，所述滤波电路连接于所述整流电路和所述降压电路之间，所述滤波电路用于对所述整流电路得到的直流电压进行滤波。
较佳地，所述滤波电路包括：第一电感以及第一滤波电容；其中，
所述第一电感的一端与所述整流电路相连；所述第一电感的另一端与所述第一滤波电容的一端相连；所述第一滤波电容的另一端与所述直流输入接口的负端相连。
较佳地，所述整流电路包括：单相二极管整流桥；
进一步地，所述单相二极管整流桥包括：第一功率二极管、第二功率二极管、第三功率二极管以及第四功率二极管，其中：所述单相二极管整流桥的第一桥臂包括第一功率二极管以及第二功率二极管，所述单相二极管整流桥的第二桥臂包括第三功率二极管以及第四功率二极管；
所述第一功率二极管位于第一桥臂的高端，第二功率二极管位于第一桥臂的低端，所述第三功率二极管位于第二桥臂的高端，所述第四功率二极管位于第二桥臂的低端；所述第一功率二极管的阳极与所述第二功率二极管的阴极相连并连接至所述交流输入接口的正端；所述第一功率二极管的阴极与所述第三功率二极管的阴极相连；所述第二功率二极管的阳极与所述第四功率二极管的阳极以及所述直流输入接口的正端相连；所述第三功率二极管的阳极与所述第四功率二极管的阴极相连。
较佳地，所述降压电路包括：第一开关管、第二电感、第五功率二极管、第一电解电容以及第一电阻；其中，
第一开关管的集电极与所述整流电路相连；所述第一开关管的发射极与所述第五功率二极管的阴极以及所述第二电感的一端相连；所述第二电感的另一端与所述第一电解电容的一端以及所述直流输出接口的正端相连；所述第五功率二极管的阳极与所述第一电解电容的另一端、所述第一电阻的一端以及所述直流输出接口的负端相连；所述第一电阻的另一端与所述直流输入接口的负端相连。
较佳地，还包括：滤波电路，所述滤波电路连接于所述整流电路和所述降压电路之间，所述滤波电路用于对所述整流电路得到的直流电压进行滤波；
进一步地，所述滤波电路包括：第一电感以及第一滤波电容；其中，
所述第一电感的一端与所述整流电路的所述第一功率二极管的阴极以及所述第三功率二极管的阴极相连；所述第一电感的另一端与所述第一滤波电容的一端相连；所述第一滤波电容的另一端与所述直流输入接口的负端相连。
较佳地，所述降压电路包括：第一开关管、第二电感、第五功率二极管、第一电解电容以及第一电阻；其中，
第一开关管的集电极与所述滤波电路的所述第一电感的另一端以及所述第一滤波电容的一端相连；所述第一开关管的发射极与所述第五功率二极管的阴极以及所述第二电感的一端相连；所述第二电感的另一端与所述第一电解电容的一端以及所述直流输出接口的正端相连；所述第五功率二极管的阳极与所述第一电解电容的另一端、所述第一电阻的一端以及所述直流输出接口的负端相连；所述第一电阻的另一端与所述直流输入接口的负端相连。
本发明还提供一种直流电源接入交流电源的复合电路的应用，其应用于无线电能传输系统，所述无线电能传输系统包括上述所述的直接电源接入交流电源的复合电路。
本发明还提供另一种直流电源接入交流电源的复合电路的应用，其应用于分布式发电系统，所述分布式发电系统包括上述所述的直接电源接入交流电源的复合电路。
本发明还提供另一种直流电源接入交流电源的复合电路的应用，其应用于交直流混合微电网，所述交直流混合微电网包括上述所述的直接电源接入交流电源的复合电路。
相较于现有技术，本发明具有以下优点：
(1)本发明的直流电源接入交流电源的复合电路及其应用，交流电源与直流电源均处于供电状态，从而能够扩宽输出电压的调节范围，即使在BUCK型拓扑下也可得到较大的输出电压；并且现有无线输电系统的前级电路中小功率和低压直流电源有时候难以利用，本发明将交流电源和直流电源复合起来同时供电，充分利用直流电源，可以克服上述缺陷；
(2)本发明的直流电源接入交流电源的复合电路及其应用，设置有降压电路，可以支持升压输出和降压输出；
(3)本发明的直流电源接入交流电源的复合电路及其应用，整流电路可以支持整周波的软上电功能，通过开关管即可有效限制上电电流，开关管决定了输入电流的通断，因此可以通过控制开关管限制输入电流，从而实现不需要限流电阻也能软上电的功能；同时可以实现网侧单位功率因数运行，因为整个周波内都有输入电流，电流相位和电压同相即可实现单位功率因数运行；
(4)本发明的直流电源接入交流电源的复合电路及其应用，可以应用于无线电能传输系统、分布式发电系统以及交直流混合微电网，具有结构简单，应用范围广，灵活性好等特点。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明：
图1为本发明的实施例的直流电源接入交流电源的复合电路的结构示意图；
图2(a)、2(b)为本发明的较佳实施例的直流电源接入交流电源的复合电路的结构示意图；
图3为本发明的较佳实施例1的直流电源接入交流电源的复合电路的电路原理图；
图4为本发明的较佳实施例2的直流电源接入交流电源的复合电路的电路原理图；
图5为本发明的实施例3的直流电源接入交流电源的复合电路的直流输入接口输入的直流电源原理图；
图6为本发明的实施例4的直流电源接入交流电源的复合电路的另一直流输入接口输入的直流电源原理图；
图7为本发明的实施例5的直流电源接入交流电源的复合电路的另一直流输入接口输入的直流电源原理图。
标号说明：1-交流输入接口，2-直流输入接口，3-整流电路，4-降压电路，5-直流输出接口，6-滤波电路。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1：
结合图1，本实施例对本发明的直流带能源接入交流电源的复合电路进行详细描述，如图1所示，其包括：交流输入接口1、直流输入接口2、整流电路3、降压电路4以及直流输出接口5；其中，交流输入接口用于接入交流电源；直流输入接口用于接入直流电源；整流电路与交流输入接口相连，用于将交流输入接口接入的交流电压变换为直流电压；降压电路设置于整流电路与直流输出接口之间以及直流输入接口与直流输出接口之间，用于对整流电路得到的直流电压以及直流输入接口接入的直流电压进行降压处理；直流输出接口用于输出经过降压电路得到的直流电压，以为需供电负载供电。具体地，交流输入接口的正端与交流电源的火线相连，交流输入接口的负端与交流电源的零线相连；直流输入接口的正端与分布式直流电源正极或者其他直流装置的正极相连，直流输入接口的负端与分布式直流电源负极或者其他直流装置的负极相连；直流输出接口的正端与需供电负载正端相连，直流输出接口的负端与需供电负载负端相连。
较佳实施例中，还包括：滤波电路6，其设置于整流电路3和降压电路4之间，用于对整流电路得到的直流电压进行滤波，其结构示意图如图2(a)或2(b)所示，直流输入接口2可以位于滤波电路6前，也可以位于滤波电路6后。
下面结合具体电路对较佳实施例的直接电源接入交流电源的复合电路进行详细描述，如图3所示为其电路原理图。本实施例中，整流电路由单相二极管整流桥构成，包括第一功率二极管D1、第二功率二极管D2、第三功率二极管D3以及第四功率二极管D4，其中：单相二极管整流桥的第一桥臂包括第一功率二极管D1以及第二功率二极管D2，二极管整流桥的第二桥臂包括第三功率二级管D3以及第四功率二极管D4，第一功率二极管D1位于第一桥臂的高端，第二功率二极管D2位于第一桥臂的低端，第三功率二极管D3位于第二桥臂的高端，第四功率二极管D4位于第二桥臂的低端；第一功率二极管D1的阳极与第二功率二极管D2的阴极相连并连接至交流输入接口ui的正端ACL；第一功率二极管D1的阴极与第三功率二极管D3的阴极相连；第二功率二极管D2的阳极与第四功率二极管D4的阳极以及直流输入接口uo2的正端DCP0相连；第三功率二极管D3的阳极与第四功率二极管D4的阴极相连。滤波电路包括：第一电感L1以及第一滤波电容C1，其中：第一电感L1的一端与整流电路中的第一功率二极管D1的阴极以及第三功率二极管D3的阴极相连；第一电感L1的另一端与第一滤波电容C1的一端相连；第一滤波电容C1的另一端与直流输入接口uo2的负端DCN0相连。降压电路包括第一开关管S1(本实施例采用IGBT)、第二电感L2、第五功率二极管D5、第一电解电容E1以及第一电阻R1，其中：第一开关管S1的集电极与滤波电路中的第一电感L1的另一端以及第一滤波电容C1的一端相连；第一开关管S1的发射极与第五功率二极管D5的阴极以及第二电感L2的一端相连；第二电感L2的另一端与第一电解电容E1的一端以及直流输出接口uo1的正端+DCP相连；第五功率二极管D5的阳极与第一电解电容E1的另一端、第一电阻R1的一端以及直流输出接口uo1的负端-DCN相连；第一电阻R1的另一端与直流输入接口uo2的负端DCN0相连。
实施例2：
如图4所示为较佳实施例的直接电源接入交流电源的复合电路另一电路实现方式。本实施例中，整流电路由单相二极管整流桥构成，包括第一功率二极管D1、第二功率二极管D2、第三功率二极管D3以及第四功率二极管D4，其中：单相二极管整流桥的第一桥臂包括第一功率二极管D1以及第二功率二极管D2，二极管整流桥的第二桥臂包括第三功率二级管D3以及第四功率二极管D4，第一功率二极管D1位于第一桥臂的高端，第二功率二极管D2位于第一桥臂的低端，第三功率二极管D3位于第二桥臂的高端，第四功率二极管D4位于第二桥臂的低端；第一功率二极管D1的阳极与第二功率二极管D2的阴极相连并连接至交流输入接口ui的正端ACL；第一功率二极管D1的阴极与第三功率二极管D3的阴极相连；第二功率二极管D2的阳极与第四功率二极管D4的阳极相连；第三功率二极管D3的阳极与第四功率二极管D4的阴极相连。滤波电路包括：第一电感L1以及第一滤波电容C1，其中：第一电感L1的一端与整流电路中的第一功率二极管D1的阴极以及第三功率二极管D3的阴极相连；第一电感L1的另一端与第一滤波电容C1的一端相连。降压电路包括第一开关管S1(本实施例采用IGBT)、第二电感L2、第五功率二极管D5、第一电解电容E1以及第一电阻R1，其中：第一开关管S1的集电极与滤波电路中的第一电感L1的另一端以及第一滤波电容C1的一端相连；第一开关管S1的发射极与第五功率二极管D5的阴极以及第二电感L2的一端相连；第二电感L2的另一端与第一电解电容E1的一端以及直流输出接口uo1的正端+DCP相连；第五功率二极管D5的阳极与第一电阻R1的一端以及直流输入接口uo2的负端-DCP0相连；第一电阻R1的另一端与第一滤波电容C1的另一端相连。直流输出接口uo1的负端-DCN与直流输入接口uo2的正端+DCN0相连。
从上述两实施例可以看出，直流输入接口可以处于交流输入侧，如图3所示，也可以处于直流输出侧，如图4所示。
实施例3：
如图5所示，本实施例提供一种自身解决降压输出问题无需分布直流电源接入的复合电路，能够实现软上电以及网侧单位功率因数运行，同时具有宽范围的升降压调节能力。
本实施例中，直流输入端的电压由直流输出端连接一个隔离型DC-DC变换器获得。单相交流电源接通时，第一至第四功率二极管构成的整流桥对第一滤波电感和第一滤波电容整流充电。当第一开关管IGBT关断时，第二电感经过第一电解电容和第五功率二极管形成充电回路，直流输入端电压和交流输入电压共同为第一电感和第一滤波电容充电。当第一开关管IGBT开通时，直流输入电压和交流输入电压以及第一电感共同为输出回路供电，通过控制隔离型DC-DC变换器内的开关器件占空比可以控制直流输入电压和直流输出电压的相对大小，从而可以扩大输出电压范围。工作过程中第一电感始终有电流流过，从而确保在整个周波内都有输入电流，实现BUCK电路下的网侧单位功率因数。第一开关管IGBT决定了输入电流的通断，因此可以通过控制第一开关管IGBT限制输入电流，从而实现无限流电阻的软上电。
实施例4：
如图6所示，本实施例提供一种单一分布直流电源接入交流电源的复合电路，能够实现软上电以及网侧单位功率因数运行，同时具有宽范围的升降压调节能力。
本实施例中，输入直流电源采用单一分布的直流电源。单相交流电源接通时，第一至第四功率二极管构成的整流桥对第一滤波电感和第一滤波电容整流充电。当第一开关管IGBT关断时，第二电感经过第一电解电容和第五功率二极管形成充电回路，直流输入端电压和交流输入电压共同为第一电感和第一滤波电容充电。当第一开关管IGBT开通时，直流输入电压和交流输入电压以及第一电感共同为输出回路供电，通过控制接入的分布直流电源大小，可以扩大输出电压范围。工作过程中第一电感始终有电流流过，从而确保在整个周波内都有输入电流，实现BUCK电路下的网侧单位功率因数。第一开关管IGBT决定了输入电流的通断，因此可以通过控制第一开关管IGBT限制输入电流，从而实现无限流电阻的软上电。
实施例5：
如图7所示，本实施例提供一种串联分布直流电源接入交流电源的复合电路，能够实现软上电以及网侧单位功率因数运行，同时具有宽范围的升降压调节能力。
本实施例中，输入直流电源采用串联分布的直流电源。单相交流电源接通时，第一至第四功率二极管构成的整流桥对第一滤波电感和第一滤波电容整流充电。当第一开关管IGBT关断时，第二电感经过第一电解电容和第五功率二极管形成充电回路，直流输入端电压和交流输入电压共同为第一电感和第一滤波电容充电。当第一开关管IGBT开通时，直流输入电压和交流输入电压以及第一电感共同为输出回路供电，采用串联分布直流电源可以极大地扩大输出电压范围。工作过程中第一电感始终有电流流过，从而确保在整个周波内都有输入电流，实现BUCK电路下的网侧单位功率因数。第一开关管IGBT决定了输入电流的通断，因此可以通过控制第一开关管IGBT限制输入电流，从而实现无限流电阻的软上电。
上述实施例的直流电源接入交流电源的复合电路中的BUCK型拓扑可以采用BOOST或BUCK-BOOST电路代替，可以应用于无线电能传输系统、分布式发电系统以及交直流混合微电网，具有结构简单，应用范围广，灵活性好等特点。
此处公开的仅为本发明的优选实施例，本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，并不是对本发明的限定。任何本领域技术人员在说明书范围内所做的修改和变化，均应落在本发明所保护的范围内。

Claims (6)

1.一种直流电源接入交流电源的复合电路，其特征在于，包括：交流输入接口、直流输入接口、整流电路、降压电路以及直流输出接口；其中，
所述交流输入接口用于接入交流电源；
所述直流输入接口用于接入直流电源；
所述整流电路与所述交流输入接口相连，用于将所述交流输入接口接入的交流电压变换为直流电压；
所述降压电路设置于所述整流电路与所述直流输出接口之间以及所述直流输入接口与所述直流输出接口之间，用于对所述整流电路得到的直流电压以及所述直流输入接口接入的直流电压进行降压处理；
所述直流输出接口用于输出经过所述降压电路得到的直流电压，为需供电负载供电；
所述整流电路包括：单相二极管整流桥；所述单相二极管整流桥包括：第一功率二极管、第二功率二极管、第三功率二极管以及第四功率二极管，其中：所述单相二极管整流桥的第一桥臂包括第一功率二极管以及第二功率二极管，所述单相二极管整流桥的第二桥臂包括第三功率二极管以及第四功率二极管；
所述第一功率二极管位于第一桥臂的高端，第二功率二极管位于第一桥臂的低端，所述第三功率二极管位于第二桥臂的高端，所述第四功率二极管位于第二桥臂的低端；所述第一功率二极管的阳极与所述第二功率二极管的阴极相连并连接至所述交流输入接口的正端；所述第一功率二极管的阴极与所述第三功率二极管的阴极相连；所述第二功率二极管的阳极与所述第四功率二极管的阳极以及所述直流输入接口的正端相连；所述第三功率二极管的阳极与所述第四功率二极管的阴极相连；
所述降压电路包括：第一开关管、第二电感、第五功率二极管、第一电解电容以及第一电阻；其中，
第一开关管的集电极与所述整流电路相连；所述第一开关管的发射极与所述第五功率二极管的阴极以及所述第二电感的一端相连；所述第二电感的另一端与所述第一电解电容的一端以及所述直流输出接口的正端相连；所述第五功率二极管的阳极与所述第一电解电容的另一端、所述第一电阻的一端以及所述直流输出接口的负端相连；所述第一电阻的另一端与所述直流输入接口的负端相连；
工作过程中第一电感始终有电流流过，从而确保在整个周波内都有输入电流，实现BUCK电路下的网侧单位功率因数。
2.根据权利要求1所述的直流电源接入交流电源的复合电路，其特征在于，还包括：滤波电路，所述滤波电路连接于所述整流电路和所述降压电路之间，所述滤波电路用于对所述整流电路得到的直流电压进行滤波。
3.根据权利要求2所述的直流电源接入交流电源的复合电路，其特征在于，所述滤波电路包括：第一电感以及第一滤波电容；其中，
所述第一电感的一端与所述整流电路相连；所述第一电感的另一端与所述第一滤波电容的一端相连；所述第一滤波电容的另一端与所述直流输入接口的负端相连。
4.一种无线电能传输系统，其特征在于，所述无线电能传输系统包括如权利要求1至3任一项所述的直流 电源接入交流电源的复合电路。
5.一种分布式发电系统，其特征在于，所述分布式发电系统包括如权利要求1至3任一项所述的直流 电源接入交流电源的复合电路。
6.一种交直流混合微电网，其特征在于，所述交直流混合微电网包括如权利要求1至3任一项所述的直流 电源接入交流电源的复合电路。
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