CN110518680A - 兼容三相和单相的多种线制供电的控制电路和控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了兼容三相和单相的多种线制供电的控制电路和控制方法，包括PFC三相三电平维也纳拓扑电路，串联在任意一相输入电路中的输入侧切换电路，以及并联在三相输入电路中的采样电路；通过采样电路检测A相、B相和C相的电压数据区分PFC三相三电平维也纳拓扑电路的输入端的接线模式，从而对输入侧切换电路进行切换控制，实现不同相线输入的识别、切换的功能。本发明广泛应用于充电模块、便携式充电机、小功率直流充电桩、无线充电设备等的充电电路。

Description

兼容三相和单相的多种线制供电的控制电路和控制方法

技术领域

本发明属于供电控制技术领域，具体涉及兼容三相和单相的多种线制供电的控制电路和控制方法。

背景技术

随着电动汽车领域的迅猛发展，电动汽车充电设备更是迎来了日新月异的发展，未来的充电需求将越来越趋向于多样化、便捷化、智能化、高可靠性。目前我国的供电系统包含三相五线制、三相四线制和单相三相制三种供电方式，这将导致电动汽车的充电场景趋向多样化；特别是在便携式充电领域、无线充电领域以及小功率直流充电桩领域对充电场景应用的多样化需求尤其强烈。

参见图2，目前的充电模块方案在面对需要三种供电方式的应用场景时，需要设计三相充电模块和单相充电模块两种产品，而这两种产品只能应用于单一供电方式的充电场景，无法满足未来充电的多样化、便捷化、智能化的需求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供兼容三相和单相的多种线制供电的控制电路和控制方法，使充电电路具备智能识别输入供电方式、且进行高可靠性的充电方式切换的功能，使充电设备兼容包括三相五线制、三相四线制和单相三线制的多种电网输入供电方式。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：兼容三相和单相的多种线制供电的控制电路，包括PFC三相三电平维也纳拓扑电路，串联在任意一相输入电路中的输入侧切换电路，以及并联在三相输入电路中的采样电路；PFC三相三电平维也纳拓扑电路包括电源输入的Va端、Vb端和Vc端；当电网输入为三相电源时，Va端连接电网输入A相线，Vb端连接电网输入B相线；当电网输入为单相电源时，Va端或Vb端连接电网输入L线；电网输入PE线连接到机壳和大地；输入侧切换电路包括第一双向开关K1，第一双向开关K1的固定触点连接PFC三相三电平维也纳拓扑电路的Vc端，第一双向开关K1的常开触点连接电网输入C相线，第一双向开关K1的常闭触点连接电网输入N线；采样电路包括控制芯片，控制芯片的三相/单相输入切换开关控制端串联在第一双向开关K1的线圈回路中；控制芯片的相电压采样Va端与第一电阻R1的一端、第二电阻R2的一端连接，控制芯片的相电压采样Vb端与第三电阻R3的一端、第四电阻R4的一端连接，控制芯片的相电压采样Vc端与第五电阻R5的一端、第六电阻R6的一端连接，第一电阻R1的另一端与PFC三相三电平维也纳拓扑电路的Va端连接，第三电阻R3的另一端与PFC三相三电平维也纳拓扑电路的Vb端连接，第五电阻R5的另一端与PFC三相三电平维也纳拓扑电路的Vc端连接，第二电阻R2的另一端、第四电阻R4的另一端和第六电阻R6的另一端连接到负载地线GND。

按上述方案，控制芯片还包括相电流采样Ia端、相电流采样Ib端和相电流采样Ic端分别通过传感器或电流采样电路与PFC三相三电平维也纳拓扑电路的Va端、Vb端和Vc端连接。控制芯片可以是51单片机等。

按上述方案，PFC三相三电平维也纳拓扑电路还包括第二电感L2的一端与Va端连接，第三电感L3的一端与Vb端连接，第四电感L4的一端与Vc端连接；第一二极管D1的负端、第二二极管D2的正端和第一开关管S1的一端与第二电感L2的另一端连接，第三二极管D3的负端和第四二极管D4的正端和第二开关管S2的一端与第三电感L3的另一端连接，第五二极管D5的负端和第六二极管D6的正端和第三开关管S3的一端与第四电感L4的另一端连接；第一二极管D1的正端、第三二极管D3的正端、第五二极管D5的正端和第一电容Cbus1的正端连接到输出正母线端Vbus+，第二二极管D2的负端、第四二极管D4的负端、第六二极管D6的负端和第二电容Cbus2的负端连接到输出负母线端Vbus-；第一开关管S1的另一端、第二开关管S2的另一端、第三开关管S3的另一端、第一电容Cbus1的负端和第二电容Cbus2的正端连接到负载地线GND；控制芯片的三相维也纳控制S1_DRV端与第一开关管S1的控制端连接，控制芯片的三相维也纳控制S2_DRV端与第二开关管S2的控制端连接，控制芯片的三相维也纳控制S3_DRV端与第三开关管S3的控制端连接。

按上述方案，还包括EMC滤波电路，EMC滤波电路的第一输入端连接电网输入A相线，EMC滤波电路的第二输入端连接电网输入B相线，EMC滤波电路的第三输入端连接第一双向开关K1的固定触点；EMC滤波电路的第一输出端连接PFC三相三电平也纳拓扑电路的Va端，EMC滤波电路的第二输出端连接PFC三相三电平也纳拓扑电路的Vb端，EMC滤波电路的第三输出端连接PFC三相三电平也纳拓扑电路的Vc端。

基于一种兼容三相和单相的多种线制供电的控制电路的控制方法，包括以下步骤：

步骤S1：采样电路分别检测PFC三相三电平维也纳拓扑电路的Va端的电压Va、Vb端的电压Vb和Vc端的电压Vc；

步骤S2：控制芯片计算Va端的相电压有效值Va_rms、Vb端的相电压有效值Vb_rms、Vc端的相电压有效值Vc_rms、Va端与Vb端之间的线电压有效值Vab_rms、Vb端与Vc端之间的线电压有效值Vbc_rms、Va端与Vc端之间的线电压有效值Vac_rms；

步骤S3：控制芯片分别比较Va_rms、Vb_rms、Vab_rms的值所处的范围，判断得出当前PFC三相三电平维也纳拓扑电路的供电线制；

步骤S4：控制芯片根据步骤S3得到的供电线制向输入侧切换电路发出控制信号，控制第一双向开关K1动作切换连接状态。

进一步的，所述的步骤S3中，具体步骤为：

设电压检测及计算误差为Δ，若控制芯片计算各电压有效值得到：

Va_rms＝Vac_rms±ΔV，

Vb_rms＝Vbc_rms±ΔV，

Vab_rms＝1.732*(Va_rms±ΔV)，

则判断此时接入的是三相五线制或三相四线制；

若控制芯片计算各电压有效值得到：

Va_rms＝Vac_rms±ΔV，

Vb_rms＝0V±ΔV，

Vab_rms＝Va_rms±ΔV，

则判断此时接入的是单相三线制。

进一步的，所述的步骤S4中，具体步骤为：

若步骤S3判断此时接入的是三相五线制或三相四线制，则控制芯片控制第一双向开关K1的触点动作使PFC三相三电平维也纳拓扑电路的Vc端与电网输入N线断开、并与电网输入C相线连接，使PFC三相三电平维也纳拓扑电路工作在三相三电平模式；

若步骤S3判断此时接入的是单相三线制，则控制芯片控制第一双向开关K1不动作，PFC三相三电平维也纳拓扑电路的Vc端与电网输入N线保持连接，使PFC三相三电平维也纳拓扑电路工作在单相三电平模式。

本发明的有益效果为：

1.本发明的兼容三相和单相的多种线制供电的控制电路通过在三相充电电路上增加一个相电压采集电路和相线切换电路，使充电电路具备智能识别输入供电方式、且进行高可靠性的充电方式切换的功能，使充电设备兼容包括三相五线制、三相四线制和单相三线制的多种电网输入供电方式。

2.本发明通过识别输入相电压和线电压的关系，使单个充电模块智能识别三相五线制、三相四线制和单相三线制三种输入供电模式，使充电模块在多种供电场景中可靠运行，识别策略简单，有利于推广应用。

附图说明

图1是本发明实施例的电路图。

图2是三相充电模块和单相充电模块的功能框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参见图1，本发明的实施例PFC三相三电平维也纳拓扑电路，串联在任意一相输入电路中的输入侧切换电路，以及并联在三相输入电路中的采样电路。

PFC三相三电平维也纳拓扑电路包括电源输入的Va端、Vb端和Vc端；参见图2，当电网输入为三相电源时，Va端连接电网输入A相线，Vb端连接电网输入B相线；当电网输入为单相电源时，Va端或Vb端连接电网输入L线；电网输入PE线连接到机壳和大地。

PFC三相三电平维也纳拓扑电路还包括第二电感L2的一端与Va端连接，第三电感L3的一端与Vb端连接，第四电感L4的一端与Vc端连接；第一二极管D1的负端、第二二极管D2的正端和第一开关管S1的一端与第二电感L2的另一端连接，第三二极管D3的负端和第四二极管D4的正端和第二开关管S2的一端与第三电感L3的另一端连接，第五二极管D5的负端和第六二极管D6的正端和第三开关管S3的一端与第四电感L4的另一端连接；第一二极管D1的正端、第三二极管D3的正端、第五二极管D5的正端和第一电容Cbus1的正端连接到输出正母线端Vbus+，第二二极管D2的负端、第四二极管D4的负端、第六二极管D6的负端和第二电容Cbus2的负端连接到输出负母线端Vbus-；第一开关管S1的另一端、第二开关管S2的另一端、第三开关管S3的另一端、第一电容Cbus1的负端和第二电容Cbus2的正端连接到负载地线GND；控制芯片的三相维也纳控制S1_DRV端与第一开关管S1的控制端连接，控制芯片的三相维也纳控制S2_DRV端与第二开关管S2的控制端连接，控制芯片的三相维也纳控制S3_DRV端与第三开关管S3的控制端连接。

输入侧切换电路包括第一双向开关K1，双向开关采用继电器、接触器、可控硅、或半导体开关管中的任意一种；第一双向开关K1的固定触点连接PFC三相三电平维也纳拓扑电路的Vc端，第一双向开关K1的常开触点连接电网输入C相线，第一双向开关K1的常闭触点连接电网输入N线。

采样电路包括控制芯片，控制芯片的三相/单相输入切换开关控制端串联在第一双向开关K1的线圈回路中；控制芯片的相电压采样Va端与第一电阻R1的一端、第二电阻R2的一端连接，控制芯片的相电压采样Vb端与第三电阻R3的一端、第四电阻R4的一端连接，控制芯片的相电压采样Vc端与第五电阻R5的一端、第六电阻R6的一端连接，第一电阻R1的另一端与PFC三相三电平维也纳拓扑电路的Va端连接，第三电阻R3的另一端与PFC三相三电平维也纳拓扑电路的Vb端连接，第五电阻R5的另一端与PFC三相三电平维也纳拓扑电路的Vc端连接，第二电阻R2的另一端、第四电阻R4的另一端和第六电阻R6的另一端连接到负载地线GND；控制芯片还包括相电流采样Ia端、相电流采样Ib端和相电流采样Ic端分别通过霍尔传感器或隔离电流采样电路与PFC三相三电平维也纳拓扑电路的Va端、Vb端和Vc端连接。

还包括EMC滤波电路，EMC滤波电路的第一输入端连接电网输入A相线，EMC滤波电路的第二输入端连接电网输入B相线，EMC滤波电路的第三输入端连接第一双向开关K1的固定触点；EMC滤波电路的第一输出端连接PFC三相三电平也纳拓扑电路的Va端，EMC滤波电路的第二输出端连接PFC三相三电平也纳拓扑电路的Vb端，EMC滤波电路的第三输出端连接PFC三相三电平也纳拓扑电路的Vc端。

一种兼容三相和单相的多种线制供电的控制方法，包括以下步骤：

步骤S1：采样电路分别检测PFC三相三电平维也纳拓扑电路的Va端的电压Va、Vb端的电压Vb和Vc端的电压Vc。

步骤S2：控制芯片计算Va端的相电压有效值Va_rms、Vb端的相电压有效值Vb_rms、Vc端的相电压有效值Vc_rms、Va端与Vb端之间的线电压有效值Vab_rms、Vb端与Vc端之间的线电压有效值Vbc_rms、Va端与Vc端之间的线电压有效值Vac_rms。

步骤S3：控制芯片分别比较Va_rms、Vb_rms、Vab_rms的值所处的范围，判断得出当前PFC三相三电平维也纳拓扑电路的供电线制：

设电压检测及计算误差为Δ，若控制芯片计算各电压有效值得到：

Va_rms＝Vac_rms±ΔV，

Vb_rms＝Vbc_rms±ΔV，

Vab_rms＝1.732*(Va_rms±ΔV)，

则判断此时接入的是三相五线制或三相四线制；

若控制芯片计算各电压有效值得到：

Va_rms＝Vac_rms±ΔV，

Vb_rms＝0V±ΔV，

Vab_rms＝Va_rms±ΔV，

则判断此时接入的是单相三线制。

步骤S4：控制芯片根据步骤S3得到的供电线制向输入侧切换电路发出控制信号，控制第一双向开关K1动作切换连接状态：

若步骤S3判断此时接入的是三相五线制或三相四线制，则控制芯片控制第一双向开关K1的触点动作使PFC三相三电平维也纳拓扑电路的Vc端与电网输入N线断开、并与电网输入C相线连接，使PFC三相三电平维也纳拓扑电路工作在三相三电平模式；若步骤S3判断此时接入的是单相三线制，则控制芯片控制第一双向开关K1不动作，PFC三相三电平维也纳拓扑电路的Vc端与电网输入N线保持连接，使PFC三相三电平维也纳拓扑电路工作在单相三电平模式。

本发明在单相三线制输入时，如果出现电网输入L线连接Vc端，电网输入N线以及电网输入PE线正常连接的情况时，PFC三相三电平维也纳拓扑电路进入自我保护的状态，电网输入L线和电网输入N线通过双向开关实现互锁功能，此时PFC三相三电平维也纳拓扑电路处于无供电状态。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.兼容三相和单相的多种线制供电的控制电路，其特征在于：包括PFC三相三电平维也纳拓扑电路，串联在任意一相输入电路中的输入侧切换电路，以及并联在三相输入电路中的采样电路；

PFC三相三电平维也纳拓扑电路包括电源输入的Va端、Vb端和Vc端；当电网输入为三相电源时，Va端连接电网输入A相线，Vb端连接电网输入B相线；当电网输入为单相电源时，Va端或Vb端连接电网输入L线；电网输入PE线连接到机壳和大地；

输入侧切换电路包括第一双向开关K1，第一双向开关K1的固定触点连接PFC三相三电平维也纳拓扑电路的Vc端，第一双向开关K1的常开触点连接电网输入C相线，第一双向开关K1的常闭触点连接电网输入N线；

采样电路包括控制芯片，控制芯片的三相/单相输入切换开关控制端串联在第一双向开关K1的线圈回路中；

控制芯片的相电压采样Va端与第一电阻R1的一端、第二电阻R2的一端连接，控制芯片的相电压采样Vb端与第三电阻R3的一端、第四电阻R4的一端连接，控制芯片的相电压采样Vc端与第五电阻R5的一端、第六电阻R6的一端连接，第一电阻R1的另一端与PFC三相三电平维也纳拓扑电路的Va端连接，

第三电阻R3的另一端与PFC三相三电平维也纳拓扑电路的Vb端连接，

第五电阻R5的另一端与PFC三相三电平维也纳拓扑电路的Vc端连接，

第二电阻R2的另一端、第四电阻R4的另一端和第六电阻R6的另一端连接到负载地线GND。

2.根据权利要求1所述的兼容三相和单相的多种线制供电的控制电路，其特征在于：控制芯片还包括相电流采样Ia端、相电流采样Ib端和相电流采样Ic端分别通过传感器或电流采样电路与PFC三相三电平维也纳拓扑电路的Va端、Vb端和Vc端连接。

3.根据权利要求1所述的兼容三相和单相的多种线制供电的控制电路，其特征在于：所述的PFC三相三电平维也纳拓扑电路还包括第二电感L2的一端与Va端连接，第三电感L3的一端与Vb端连接，第四电感L4的一端与Vc端连接；

第一二极管D1的负端、第二二极管D2的正端和第一开关管S1的一端与第二电感L2的另一端连接，

第三二极管D3的负端和第四二极管D4的正端和第二开关管S2的一端与第三电感L3的另一端连接，

第五二极管D5的负端和第六二极管D6的正端和第三开关管S3的一端与第四电感L4的另一端连接；

第一二极管D1的正端、第三二极管D3的正端、第五二极管D5的正端和第一电容Cbus1的正端连接到输出正母线端Vbus+，第二二极管D2的负端、第四二极管D4的负端、第六二极管D6的负端和第二电容Cbus2的负端连接到输出负母线端Vbus-；

第一开关管S1的另一端、第二开关管S2的另一端、第三开关管S3的另一端、第一电容Cbus1的负端和第二电容Cbus2的正端连接到负载地线GND；

控制芯片的三相维也纳控制S1_DRV端与第一开关管S1的控制端连接，控制芯片的三相维也纳控制S2_DRV端与第二开关管S2的控制端连接，控制芯片的三相维也纳控制S3_DRV端与第三开关管S3的控制端连接。

4.根据权利要求1所述的兼容三相和单相的多种线制供电的控制电路，其特征在于：还包括EMC滤波电路，EMC滤波电路的第一输入端连接电网输入A相线，EMC滤波电路的第二输入端连接电网输入B相线，EMC滤波电路的第三输入端连接第一双向开关K1的固定触点；EMC滤波电路的第一输出端连接PFC三相三电平也纳拓扑电路的Va端，EMC滤波电路的第二输出端连接PFC三相三电平也纳拓扑电路的Vb端，EMC滤波电路的第三输出端连接PFC三相三电平也纳拓扑电路的Vc端。

5.基于一种兼容三相和单相的多种线制供电的控制电路的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤S1：采样电路分别检测PFC三相三电平维也纳拓扑电路的Va端的电压Va、Vb端的电压Vb和Vc端的电压Vc；

步骤S2：控制芯片计算Va端的相电压有效值Va_rms、Vb端的相电压有效值Vb_rms、Vc端的相电压有效值Vc_rms、Va端与Vb端之间的线电压有效值Vab_rms、Vb端与Vc端之间的线电压有效值Vbc_rms、Va端与Vc端之间的线电压有效值Vac_rms；

步骤S3：控制芯片分别比较Va_rms、Vb_rms、Vab_rms的值所处的范围，判断得出当前PFC三相三电平维也纳拓扑电路的供电线制；

步骤S4：控制芯片根据步骤S3得到的供电线制向输入侧切换电路发出控制信号，控制第一双向开关K1动作切换连接状态。

6.根据权利要求5所述的一种控制方法，其特征在于：所述的步骤S3中，具体步骤为：

设电压检测及计算误差为Δ，若控制芯片计算各电压有效值得到：

Va_rms＝Vac_rms±ΔV，

Vb_rms＝Vbc_rms±ΔV，

Vab_rms＝1.732*(Va_rms±ΔV)，

则判断此时接入的是三相五线制或三相四线制；

若控制芯片计算各电压有效值得到：

Va_rms＝Vac_rms±ΔV，

Vb_rms＝0V±ΔV，

Vab_rms＝Va_rms±ΔV，

则判断此时接入的是单相三线制。

7.根据权利要求6所述的一种控制方法，其特征在于：所述的步骤S4中，具体步骤为：

若步骤S3判断此时接入的是三相五线制或三相四线制，则控制芯片控制第一双向开关K1的触点动作使PFC三相三电平维也纳拓扑电路的Vc端与电网输入N线断开、并与电网输入C相线连接，使PFC三相三电平维也纳拓扑电路工作在三相三电平模式；

若步骤S3判断此时接入的是单相三线制，则控制芯片控制第一双向开关K1不动作，PFC三相三电平维也纳拓扑电路的Vc端与电网输入N线保持连接，使PFC三相三电平维也纳拓扑电路工作在单相三电平模式。