CN113364265B - 一种野战用多模电源转换器及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种野战用多模电源转换器及控制方法，所述野战用多模电源转换器包括多模逆变模块、夹具式电源模块和插槽式电源模块，所述多模逆变模块的一端与电源电连接，另一端同时与所述夹具式电源模块、所述插槽式电源模块和负载电连接，所述电源还同时与所述夹具式电源模块和所述插槽式电源模块电连接；所述多逆变模块包括Boost直流升压单元、交流升压单元和逆变输出单元，所述Boost直流升压单元的一端与所述电源电连接，另一端与所述逆变输出单元电连接，所述交流升压单元的一端与所述电源电连接，另一端与所述逆变输出单元电连接，所述逆变输出单元同时与所述夹具式电源模块和所述插槽式电源模块电连接；具有系统稳定，精度高等优点。

Description

一种野战用多模电源转换器及控制方法
技术领域
本发明涉及多模电源转换器领域，尤其涉及一种野战用多模电源转换器及控制方法。
背景技术
由于全世界各地区的电力环境不同，所用交流电压和相对应的频率也普遍存在差异，导致各国电器适用的电压/频率范围也不一致。中国、以色列、澳大利亚等国家使用制式为 220V/50Hz 的单相交流电，英国、法国、德国以及意大利等国家使用的是 230V/50Hz 电源，美国和日本等地区则采用 100~120V 供电，不同地区供电频率分别采用 50Hz 和60Hz。近年来，随着电力电子技术的迅猛发展和全球经济一体化进程的不断加快，常常会出现由于电源制式不同，所用设备在非产地国家不能使用的现象，这时就需要一个电源转换设备间接为电器供电，由此电源制式切换技术受到了广泛的关注。
传统的交流电压变换技术采用电磁变压器，其基本的拓扑结构主要是由铁心和两个或多个绕组组成，初级线圈和次级线圈绕组之间是按照电磁感应原理通过交变的磁场联系工作的，通过改变绕组的抽头可对电压大小进行调节。随着不同用电种类的大幅增加，逐渐暴露出在电源转换器方面的适配问题，主要表现为精度低、电源种类单一等问题。
同时，我国军队在大量使用着各种型号、各种类别、各种性质的电池。由于这些蓄电池参数(如电压、容量)和性质(如铅酸、镍镐、镍氢)的差别，使得每一种设备、仪器都配有一种充电器，而且这些充电器大都体积笨重、不易携带，在野战条件下有时很难及时为蓄电池补充能量。
本发明提供一种野战用多模电源转换器及控制方法，解决上述问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于传统交流电压变换技术存在不能调节输出电压波形的质量、电源系统稳定性、性能不达标、适配电源种类单一的问题，不能适用于我国军队的各种型号、各种类别、各种性质的电池，所以提供一种野战用多模电源转换器及控制方法，所述野战用多模电源转换器及控制方法包括：
多模逆变模块、夹具式电源模块和插槽式电源模块，所述多模逆变模块的一端与电源电连接，另一端同时与所述夹具式电源模块、所述插槽式电源模块和负载电连接，所述电源还同时与所述夹具式电源模块和所述插槽式电源模块电连接；
所述多逆变模块包括Boost直流升压单元、交流升压单元和逆变输出单元，所述Boost直流升压单元的一端与所述电源电连接，另一端与所述逆变输出单元电连接，所述交流升压单元的一端与所述电源电连接，另一端与所述逆变输出单元电连接，所述逆变输出单元同时与所述夹具式电源模块和所述插槽式电源模块电连接。
进一步地，所述电源包括交流电源输入和直流电源输入，所述交流电源输入与所述交流升压单元电连接，所述直流电源输入与所述Boost直流升压单元电连接。
进一步地，所述交流升压单元包括PFC电路和LLC变换电路，所述PFC电路的一端与所述交流电源输入电连接，另一端与所述LLC变换电路电连接，所述LLC变换电路与所述逆变输出单元电连接。
进一步地，所述PFC电路为CCM交错并联式Boost PFC电路。
进一步地，所述CCM交错并联式Boost PFC电路包括第一电桥、第一电感、第一二极管、第二电感、第二二极管、第一MOS管、第二MOS管、第一电容和第一电阻，所述第一电桥的一对对角与电源电连接，另一对对角的其中一个同时与第一电感和第二电感电连接，另一对对角的其中另一个同时与所述第一MOS管和所述第二MOS管电连接，所述第一电感同时与所述第一二极管和所述第一MOS管电连接，所述第二电感同时与所述第二二极管和所述第二MOS管电连接，所述第一电容的一端同时与所述第一二极管和所述第二二极管电连接，另一端同时与所述第一MOS管和所述第二MOS管电连接，所述第一电阻与所述第一电容并联。
进一步地，所述LLC变换电路包括第一开关管、第二开关管、第三二极管、第四二极管第五二极管、第六二极管、第二电容、第三电容、第四电容、第五电容、第三电感、第四电感和变压器，所述第一开关管、第二开关管和所述CCM交错并联式Boost PFC电路串联，所述第三二极管与所述第一开关管并联，所述第二电容与所述第三二极管并联，所述第四二极管与所述第二开关管并联，所述第三电容与所述第四二极管并联，所述第三电感第四电感和第四电容串联后与所述第二开关管并联，所述变压器的一侧与所述第四电感并联，另一侧的第一接口与所述第五二极管电连接，第二接口与第五电容电连接的同时接地，第三接口与所述第六二极管电连接，所述第六二极管和所述第五电容同时与所述第五二极管电连接，所述第五电容同时与所述逆变输出单元并联。
进一步地，所述Boost直流升压单元为Buck-Boost电路。
进一步地，所述Buck-Boost电路包括第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管、第六电容、第七电容和第五电感，所述第六电容与所述直流电源输入并联，所述第三开关管和所述第四开关管串联后与所述第六电容并联，所述第五开关管和所述第六开关管串联后与所述第六电容并联，所述第七电容与所述第六电容并联所述第七电容还与所述逆变输出单元并联，所述第五电感的一端同时与所述第三开关管和所述第四开关管电连接，另一端同时与所述第五开关管和所述第六开关管电连接。
另一方面，本发明还提供一种野战用多模电源转换器的控制方法，用于控制如上所述的野战用多模电源转换器，所述野战用多模电源转换器的控制方法包括：
直流电源输入通过Boost直流升压单元升压至DC 380V，交流电源输入通过交流升压单元升压至DC 385V，汇流至逆变输出单元；
逆变输出单元将DC 380V或DC 385V转换为电压AC 230V频率50Hz的交流电源；
当交流升压电压高于直流升压电压，电源在接入交流电源输入时，自动切换为交流电源供电，交流电源输入断开时，自动切换为直流电源供电；
直流电源输入供电时，在检测到输入电流大于规定的电流后，自动切断逆变输出，并通过指示灯提示用电功率超出输入功率。
实施本发明，具有如下有益效果：
1.本发明采用了更优的交流电源转换方案进行研究；设计的多模逆变单元适配不同制式交直流电输入，输出大功率高精度的单相工频交流电，能够满足部队用电设备正常用电需求。
附图说明
图1是本发明的结构简图；
图2是本发明的CCM交错并联式Boost PFC电路的电路结构图；
图3是本发明的LLC变换电路的电路结构图；
图4是本发明的Buck-Boost电路的电路结构图；
图5是本发明的逆变输出单元的电路结构图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
请参阅说明书附图1，本实施例中所要解决的技术问题在于传统交流电压变换技术存在不能调节输出电压波形的质量、电源系统稳定性、性能不达标、适配电源种类单一的问题，不能适用于我国军队的各种型号、各种类别、各种性质的电池，所以提供一种野战用多模电源转换器及控制方法，所述野战用多模电源转换器及控制方法包括：
多模逆变模块、夹具式电源模块和插槽式电源模块，多模逆变模块的一端与电源电连接，另一端同时与夹具式电源模块、插槽式电源模块和负载电连接，电源还同时与夹具式电源模块和插槽式电源模块电连接；
多逆变模块包括Boost直流升压单元、交流升压单元和逆变输出单元，Boost直流升压单元的一端与电源电连接，另一端与逆变输出单元电连接，交流升压单元的一端与电源电连接，另一端与逆变输出单元电连接，逆变输出单元同时与夹具式电源模块和插槽式电源模块电连接。
电源包括交流电源输入和直流电源输入，交流电源输入与交流升压单元电连接，直流电源输入与Boost直流升压单元电连接。
交流升压单元包括PFC电路和LLC变换电路，PFC电路的一端与交流电源输入电连接，另一端与LLC变换电路电连接，LLC变换电路与逆变输出单元电连接。
PFC电路技术方案是采用CCM交错并联式Boost PFC。CCM交错并联Boost PFC与传统Boost PFC相比，在相同的功率等级下，交错并联Boost PFC电路中的每个开关器件的电流应力为传统Boost PFC的一半，可以应用在更大功率场合。由于交错并联Boost PFC 电路中的开关管工作在交错状态下，因此流过每个PFC模块的电流也呈现相互交错的状态，从而减小了输入电流纹波和输出电容纹波电流的有效值，降低了EMI也减小了输出电容的容量，降低了滤波电路的设计难度，提高了整个系统的功率密度；
PFC电路为CCM交错并联式Boost PFC电路；CCM交错并联式Boost PFC电路包括第一电桥1、第一电感2、第一二极管6、第二电感3、第二二极管7、第一MOS管4、第二MOS管5、第一电容8和第一电阻9，第一电桥1的一对对角与电源电连接，另一对对角的其中一个同时与第一电感2和第二电感3电连接，另一对对角的其中另一个同时与第一MOS管4和第二MOS管5电连接，第一电感2同时与第一二极管6和第一MOS管4电连接，第二电感3同时与第二二极管7和第二MOS管5电连接，第一电容8的一端同时与第一二极管6和第二二极管7电连接，另一端同时与第一MOS管4和第二MOS管5电连接，第一电阻9与第一电容8并联；
它是由两个参数完全相同的变换器单元并联而成，电路中两个功率开关管的驱动信号相位相差180°，两个Boost PFC变换器单元工作在交错状态下，输入电流是两个电感电流相互叠加的总和。由于变换器的两个电感处于交错工作状态下，因此两个电感的纹波电流相位也处于交错状态下，两路电感电流在叠加的时候两者纹波对消，从而减少了由升压电感及功率开关导致的输入电流纹波；当占空比为0.5时，功率开关管互补导通，每个PFC单元所对应的电感电流的上升和下降趋势刚好完全相反，两个电流叠加后总的输入电流纹波完全抵消；同样，输出电容的电流也是两个升压二极管电流的总和，也少于总输出峰值电流，从而减少了输出电容上的纹波电流。在占空比接近0、0.5及1处，两个二极管电流的总和接近直流。因此与传统Boost PFC相比，双重交错并联变换器的输入滤波器和输出滤波电容的容量可以大为减小，系统的动态响应特性更好。
LLC变换电路包括第一开关管10、第二开关管11、第三二极管12、第四二极管13、第五二极管14、第六二极管15、第二电容18、第三电容16、第四电容17、第五电容19、第三电感20、第四电感21和变压器22，第一开关管10、第二开关管11和CCM交错并联式Boost PFC电路串联，第三二极管12与第一开关管10并联，第二电容18与第三二极管12并联，第四二极管13与第二开关管11并联，第三电容16与第四二极管13并联，第三电感20、第四电感21和第四电容17串联后与第二开关管11并联，变压器22的一侧与第四电感21并联，另一侧的第一接口与第五二极管14电连接，第二接口与第五电容19电连接的同时接地，第三接口与第六二极管15电连接，第六二极管15和第五电容19同时与第五二极管14电连接，第五电容19同时与逆变输出单元并联；
不同于传统PWM变换器的控制方式，LLC谐振变换器采取的是的调频控制方式，即第一开关管和第二开关管的导通占空比都约为50%，交替工作，但为防止它们同时导通，在两个开关管的驱动信号之间加入一定的死区时间。
LLC谐振变换器有三个谐振元件，故有两个谐振频率，其中一个是由谐振电感Lr与谐振电容Cr 所产生的串联谐振频率。
Figure 213711DEST_PATH_IMAGE001
另一个由谐振电感Lr加励磁电感Lm串联后与共同与谐振电容Cr 产生的并联谐振频率。
Figure 599693DEST_PATH_IMAGE002
Boost直流升压单元为Buck-Boost电路；Buck-Boost电路包括第三开关管24、第四开关管25、第五开关管26、第六开关管27、第六电容23、第七电容28和第五电感29，第六电容23与直流电源输入并联，第三开关管24和第四开关管25串联后与第六电容23并联，第五开关管26和第六开关管27串联后与第六电容23并联，第七电容28与第六电容23并联第七电容28还与逆变输出单元并联，第五电感29的一端同时与第三开关管24和第四开关管25电连接，另一端同时与第五开关管26和第六开关管27电连接；
这种Buck-Boost电路主要工作在Buck模式、Boost模式以及Buck- Boost模式，假设输出电压为Vout，当输入电压远大于Vout时，变换器工作在Buck 模式；当输入电压远小于Vout时，变换器工作在 Boost模式；当输入电压在Vout附近时，变换器工作在Buck-Boost模式。在 Buck 模式下，开关管第六开关管一直打开，第五开关管关断，通过控制第三开关管来调节电压；在Boost模式下第三开关管一直导通，第四开关管关断，通过控制第六开关管来调节电压；在Buck-Boost模式下，通过调节第四开关管和第五开关管的导通时间来实现电压调节，由于控制策略比Buck模式和Boost模式要复杂一些，在这一阶段，开关电源的工作会出现不稳定情况，变换器的效率可能会变小，该种四开关的开关电源可 满足大功率电源输出要求，工作效率较高。
本实施例中的逆变输出单元主要采用单相全桥SPWM拓扑。
另一方面，本发明还提供一种野战用多模电源转换器的控制方法，用于控制如上的野战用多模电源转换器，野战用多模电源转换器的控制方法包括：
直流电源输入通过Boost直流升压单元升压至DC 380V，交流电源输入通过交流升压单元升压至DC 385V，汇流至逆变输出单元；
逆变输出单元将DC 380V或DC 385V转换为电压AC 230V频率50Hz的交流电源；
当交流升压电压高于直流升压电压，电源在接入交流电源输入时，自动切换为交流电源供电，交流电源输入断开时，自动切换为直流电源供电；
直流电源输入供电时，在检测到输入电流大于规定的电流后，自动切断逆变输出，并通过指示灯提示用电功率超出输入功率。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“同轴”、“底部”、“一端”、“顶部”、“中部”、“另一端”、“上”、“一侧”、“顶部”、“内”、“前部”、“中央”、“两端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种野战用多模电源转换器控制方法，其特征在于，所述野战用多模电源转换器包括多模逆变模块、夹具式电源模块和插槽式电源模块，所述多模逆变模块的一端与电源电连接，另一端同时与所述夹具式电源模块、所述插槽式电源模块和负载电连接，所述电源还同时与所述夹具式电源模块和所述插槽式电源模块电连接；
所述多模逆变模块包括Boost直流升压单元、交流升压单元和逆变输出单元，所述Boost直流升压单元的一端与所述电源电连接，另一端与所述逆变输出单元电连接，所述交流升压单元的一端与所述电源电连接，另一端与所述逆变输出单元电连接，所述逆变输出单元同时与所述夹具式电源模块和所述插槽式电源模块电连接；
所述电源包括交流电源输入和直流电源输入，所述交流电源输入与所述交流升压单元电连接，所述直流电源输入与所述Boost直流升压单元电连接；
所述交流升压单元包括PFC电路和LLC变换电路，所述PFC电路的一端与所述交流电源输入电连接，另一端与所述LLC变换电路电连接，所述LLC变换电路与所述逆变输出单元电连接；
所述Boost直流升压单元为Buck-Boost电路；
所述野战用多模电源转换器控制方法的步骤，包括：
直流电源输入通过Boost直流升压单元升压至DC 380V，交流电源输入通过交流升压单元升压至DC 385V，汇流至逆变输出单元；
逆变输出单元将DC 380V或DC 385V转换为电压AC 230V频率50Hz的交流电源；
当交流升压电压高于直流升压电压，电源在接入交流电源输入时，自动切换为交流电源供电，交流电源输入断开时，自动切换为直流电源供电；
直流电源输入供电时，在检测到输入电流大于规定的电流后，自动切断逆变输出，并通过指示灯提示用电功率超出输入功率。
2.根据权利要求1所述的野战用多模电源转换器控制方法，其特征在于，所述PFC电路为CCM交错并联式Boost PFC电路。
3.根据权利要求2所述的野战用多模电源转换器控制方法，其特征在于，所述CCM交错并联式Boost PFC电路包括第一电桥、第一电感、第一二极管、第二电感、第二二极管、第一MOS管、第二MOS管、第一电容和第一电阻，所述第一电桥的一对对角与电源电连接，另一对对角的其中一个同时与第一电感和第二电感电连接，另一对对角的其中另一个同时与所述第一MOS管和所述第二MOS管电连接，所述第一电感同时与所述第一二极管和所述第一MOS管电连接，所述第二电感同时与所述第二二极管和所述第二MOS管电连接，所述第一电容的一端同时与所述第一二极管和所述第二二极管电连接，另一端同时与所述第一MOS管和所述第二MOS管电连接，所述第一电阻与所述第一电容并联。
4.根据权利要求3所述的野战用多模电源转换器控制方法，其特征在于，所述LLC变换电路包括第一开关管、第二开关管、第三二极管、第四二极管第五二极管、第六二极管、第二电容、第三电容、第四电容、第五电容、第三电感、第四电感和变压器，所述第一开关管、第二开关管和所述CCM交错并联式Boost PFC电路串联，所述第三二极管与所述第一开关管并联，所述第二电容与所述第三二极管并联，所述第四二极管与所述第二开关管并联，所述第三电容与所述第四二极管并联，所述第三电感第四电感和第四电容串联后与所述第二开关管并联，所述变压器的一侧与所述第四电感并联，另一侧的第一接口与所述第五二极管电连接，第二接口与第五电容电连接的同时接地，第三接口与所述第六二极管电连接，所述第六二极管和所述第五电容同时与所述第五二极管电连接，所述第五电容同时与所述逆变输出单元并联。
5.根据权利要求1所述的野战用多模电源转换器控制方法，其特征在于，所述Buck-Boost电路包括第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管、第六电容、第七电容和第五电感，所述第六电容与所述直流电源输入并联，所述第三开关管和所述第四开关管串联后与所述第六电容并联，所述第五开关管和所述第六开关管串联后与所述第六电容并联，所述第七电容与所述第六电容并联所述第七电容还与所述逆变输出单元并联，所述第五电感的一端同时与所述第三开关管和所述第四开关管电连接，另一端同时与所述第五开关管和所述第六开关管电连接。
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