CN113517808A - 一种新型电容阵列结构 - Google Patents

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Abstract

一种新型电容阵列结构，由任意个电容组模块构成，所述电容组为基本的变压单元，包含任意多个电容单元，通过调整电容组中电容单元的数量与连接方式，进而调整该电容组的变压倍率；所述电容单元的电路结构包括左上桥臂电路、左下桥臂电路、右上桥臂电路、右下桥臂电路和中心电容电路，所述中心电容电路分别与左上桥臂电路、左下桥臂电路、右上桥臂电路、右下桥臂电路相连。本发明提高电容变压器数字化实时控制电能传输速度，有效降低电能传输的损耗。

Description

一种新型电容阵列结构
技术领域
本发明涉及高电压与绝缘技术、电机与电器技术、电子控制技术领域，是一种用于变压的新型电容阵列电路结构。
背景技术
随着人类社会经济与科技水平的发展，电能已经作为清洁能源被广泛使用在人们的生活当中，并且发挥了越来越重要的作用。当今各类电磁动力系统在当今人类社会生产生活中随处可见，并且有着至关重要的地位。而变压器作为电力系统的传输中枢，起到了电能传输的关键作用。开关电容变压器由于其仅采用电容作为储能元件，且不含磁性元件，电能传输损耗较传统电感变压器较小的特点，在电力电子电路中得到了越来越广泛的应用。
开关电容变压器由电容和一定数量的开关组成，通过开关控制电容的充电和放电，实现高低电压间的转换，让电能在高电压系统和低电压系统中传输，但由于其结构限制，在电能传输过程中无法做到两端完全电气隔离，在一些特殊场合中的使用受限。此外现有开关电容变压器针对不同的升压与降压的倍数需要对电路进行整体的重新设计，无法广泛应用。
发明内容
为了克服现有技术的不足，为实现电容变压器变压时的完全电气隔离，提高电容变压器数字化实时控制电能传输速度，有效降低电能传输的损耗。本发明提供一种用于变压的新型电容阵列结构，可有效降低电能传输损耗且实现数字化大范围调控变压。通过各个电容组的设计和组合，实现该新型电容阵列对能量的连续隔离传输，可广泛应用于自动化生产与日产生活中各种需要对电能进行隔离传输的电磁动力系统和集成电路中。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种新型电容阵列结构，由任意个电容组模块构成，
所述电容组为基本的变压单元，包含任意多个电容单元，通过调整电容组中电容单元的数量与连接方式，进而调整该电容组的变压倍率；
所述电容单元的电路结构包括左上桥臂电路、左下桥臂电路、右上桥臂电路、右下桥臂电路和中心电容电路，所述中心电容电路分别与左上桥臂电路、左下桥臂电路、右上桥臂电路、右下桥臂电路相连；
所述中心电容电路由一个中心整流二极管、一个电解电容以及一个电感组成，所述电解电容的一端与所述中心整流二极管的一端相连，所述电解电容的另一端与所述电感的一端相连，所述中心整流二极管的另一端与所述电感的另一端相连；
所述左上桥臂电路由一个左上光电耦合器、一个左上整流二极管、一个左上电阻以及一个左P型场效应管构成，所述左P型场效应管的栅极分别与所述左上光电耦合器和所述左上电阻的一端连接，所述P型场效应管的漏极分别与所述左上电阻的另一端、所述左上整流二极管相连，所述左上整流二极管与电源端连接，所述左P型场效应管的源极与所述电感的另一端相连；
所述左下桥臂电路由一个左下光电耦合器、一个左下整流二极管、一个左下电阻以及一个左N型场效应管构成，所述左N型场效应管的栅极分别与所述左下光电耦合器和所述左下电阻的一端连接，所述左N型场效应管的漏极分别与所述左下电阻的另一端、所述左下整流二极管相连，所述左下整流二极管与电源端连接，所述左N型场效应管的源极与所述电解电容的一端相连；
所述右上桥臂电路由一个右上光电耦合器、一个右上整流二极管、一个右上电阻以及一个右P型场效应管构成，所述右P型场效应管的栅极分别与所述右上光电耦合器的一端和所述右上电阻的一端连接，所述右上光电耦合器的另一端与所述电解电容的一端相连，所述右P型场效应管的漏极分别与所述右上电阻的另一端、所述电解电容的另一端相连，所述右P型场效应管的源极通过所述右上整流二极管与输出端正极VES0+连接；
所述右下桥臂电路由一个右下光电耦合器、一个右下整流二极管、一个右下电阻以及一个右N型场效应管构成，所述右N型场效应管的栅极分别与所述右下光电耦合器的一端和所述右下电阻的一端连接，所述右下光电耦合器的另一端和所述电解电容的另一端相连，所述右N型场效应管的漏极分别与所述左下电阻的另一端、所述所述电解电容的一端相连，所述右N型场效应管的源极通过与所述右下整流二极管与输出端负极VES0-连接。
本发明中，所述电容单元工作时共包含充能、浮空、放能三种状态，在充能状态时，控制信号通过各电容左侧的光耦控制其左侧上下场效应管导通并为内部电容充能，使之电压趋向于前端稳压电路输出电压VCC0。且此时右侧上下场效应管截止，电容单元与后端充电电路彼此电气隔离。在浮空状态时，控制信号通过光耦控制电容单元中场效应管均进入截至状态，此时电容单元与前后端电路均为电气隔离状态。在放能状态时，控制信号通过各电容右侧的光耦控制其右侧上下场效应管导通，此时电容单元就能输出趋于VCOO的电压。与此同时，电容单元与前端变压稳压器彼此电气隔离。
进一步，由于每个电容组中各电容单元后端的连接方式为：VES0-接VES1+,VES1-接VES2+,VES2-接VES3+，……，VES(n-1)-接VESn+，从而各电容单元的电压值被叠加输出，输出电压为n*VCC0，此时电容组与前端变压稳压器彼此电气隔离，因此，电容组的单个工作周期流程为浮空，充能，浮空，放能四个步骤。
再进一步，由于电容组存在浮空状态，因此电容阵列包含的多个电容组，彼此之间均以固定的相位差交错工作，从而弥补浮空状态空缺的能量传输，进而实现电容阵列对能量的连续隔离传输。
本发明的方案保证了其对电能升压传输的同时，前端电路与后端电路始终保持电气隔离状态。并且可以通过调整工作周期大小实现对单个电容组能量传输速率的调制。通过控制电容阵列包含的多个电容组彼此间以固定的相位差交错工作实现电容阵列对电能的低损耗连续隔离传输。并通过调整各电容组的工作周期大小实现对单个电容组电能传输速率的调制。
本发明的工作流程如下：
1)浮空。未充能时，各电容中场效应管均为截止状态，此时电容组与前后端电路均为电气隔离状态。
2)充能。控制信号进入电容组充能端，由于二极管单向传输性，输入信号可通过，再由光耦控制左侧上下场效应导通并为内部电容充电，使之电压趋于VCOO。此时，右侧上下场效应管截止，电容组与后端蓄电池充电电路彼此电气隔离
3)浮空。充电结束后，控制信号通过光耦控制各电容单元中场效应管均进入截止状态，此时电容组与前后端电路均为电气隔离状态。
4)放能。控制信号通过各电容单元右侧的光耦控制其右侧上下场效应管导通，又由于每个电容组中各电容单元后端的连接方式为：VES0-接VES1+,VES1-接VES2+,VES2-接VES3+，……，VES(n-1)-接VESn+。从而各电容的电压值被叠加输出(输出电压约为n*VCC0)。此时电容组与前端变压稳压器彼此电气隔离。
本发明的有益效果表现在：本发明实现了在无互感元件的情况下对电能的隔离变压传输，完成升压或降压的过程中具有较高传输效率。本发明在面对不同变压倍数需求时，无需对电路整体结构进行重新设计，仅需改变电容组中电容单元数量，即可实现对其变压倍数改变。
附图说明
图1为本发明的单元电路图。
图2为本发明的(升压/降压)结构图。
图3为本发明的阵列结构图。
图4为本发明的工作讲解图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1～图4，一种新型电容阵列结构，由任意个电容组模块构成，
所述电容组为基本的变压单元，包含任意多个电容单元，通过调整电容组中电容单元的数量与连接方式，进而调整该电容组的变压倍率；
如图1所示：所述电容单元的电路结构左上桥臂电路、左下桥臂电路、右上桥臂电路、右下桥臂电路和中心电容电路，所述中心电容电路分别与左上桥臂电路、左下桥臂电路、右上桥臂电路、右下桥臂电路相连；
所述中心电容电路由一个中心整流二极管、一个电解电容以及一个电感组成，所述电解电容的一端与所述中心整流二极管的一端相连，所述电解电容的另一端与所述电感的一端相连，所述中心整流二极管的另一端与所述电感的另一端相连；
所述左上桥臂电路由一个左上光电耦合器、一个左上整流二极管、一个左上电阻以及一个左P型场效应管构成，所述左P型场效应管的栅极分别与所述左上光电耦合器和所述左上电阻的一端连接，所述P型场效应管的漏极分别与所述左上电阻的另一端、所述左上整流二极管相连，所述左上整流二极管与电源端连接，所述左P型场效应管的源极与所述电感的另一端相连；
所述左下桥臂电路由一个左下光电耦合器、一个左下整流二极管、一个左下电阻以及一个左N型场效应管构成，所述左N型场效应管的栅极分别与所述左下光电耦合器和所述左下电阻的一端连接，所述左N型场效应管的漏极分别与所述左下电阻的另一端、所述左下整流二极管相连，所述左下整流二极管与电源端连接，所述左N型场效应管的源极与所述电解电容的一端相连；
所述右上桥臂电路由一个右上光电耦合器、一个右上整流二极管、一个右上电阻以及一个右P型场效应管构成，所述右P型场效应管的栅极分别与所述右上光电耦合器的一端和所述右上电阻的一端连接，所述右上光电耦合器的另一端与所述电解电容的一端相连，所述右P型场效应管的漏极分别与所述右上电阻的另一端、所述电解电容的另一端相连，所述右P型场效应管的源极通过所述右上整流二极管与输出端正极VES0+连接；
所述右下桥臂电路由一个右下光电耦合器、一个右下整流二极管、一个右下电阻以及一个右N型场效应管构成，所述右N型场效应管的栅极分别与所述右下光电耦合器的一端和所述右下电阻的一端连接，所述右下光电耦合器的另一端和所述电解电容的另一端相连，所述右N型场效应管的漏极分别与所述左下电阻的另一端、所述电解电容的一端相连，所述右N型场效应管的源极通过与所述右下整流二极管与输出端负极VES0-连接。
上述各整流二极管均采用10A10整流二极管；上述各电阻均采用50千欧电阻；上述光电耦合器均采用PC817光耦；上述各N型场效应管均采用AOD478；上述各P型场效应管均采用AOD407；上述电解电容采用50V2200uf铝电解电容；上述电感采用100UH绕线电感。
进一步，所述电容单元工作时共包含充能、浮空、放能三种状态。在充能状态时，控制信号通过各电容单元左上桥臂与左下桥臂的光耦控制其左上桥臂与左下桥臂场效应管导通并为内部电容充能，使之电压趋向于前端稳压电路输出电压VCC0。且此时右上桥臂与右下桥臂场效应管截止，电容单元与后端充电电路彼此电气隔离。在浮空状态时，控制信号通过光耦控制电容单元中场效应管均进入截至状态，此时电容单元与前后端电路均为电气隔离状态。在放能状态时，控制信号通过各电容右侧的光耦控制其右上桥臂与右下桥臂场效应管导通，此时电容单元就能输出趋于VCOO的电压。与此同时，电容单元与前端变压稳压器是处于电气隔离的状态。
如图2所示：所述电容组由多个电容单元构成。由于每个电容组中各电容后端的连接方式为：VES0-接VES1+,VES1-接VES2+,VES2-接VES3+，……，VES(n-1)-接VESn+。从而各电容单元的电压值被叠加输出(输出电压约为n*VCC0)。在充放能时期，电容组与前端变压稳压器都是彼此电气隔离的。因此，电容组的单个工作周期流程为浮空，充能，浮空，放能四个步骤。
如图3所示：由于电容组存在浮空状态，因此电容阵列包含的多个电容组，调整电路及其接法，可以使得各电容组彼此之间均以固定的相位差交错工作，从而弥补浮空状态空缺的能量传输，进而实现电容阵列对能量的连续隔离传输。
因此保证了其对电能升压传输的同时，前端电路与后端电路始终保持电气隔离状态。并且可以通过调整工作周期大小实现对单个电容组能量传输速率的调制。
本发明的工作流程如下：
1)浮空。未充能时，各电容单元中场效应管均处于截止状态，此时电容组与相连的前后端电路均为电气隔离状态。
2)充能。控制信号进入电容组的充能端，由于二极管单向传输性，输入信号可通过，再由光耦控制左侧上下场效应导通并为内部电容充电，使之电压趋于VCOO。此时，右侧上下场效应管截止，电容组与后端蓄电池充电电路彼此电气隔离。
3)浮空。充电结束之后，控制信号通过光耦控制，使得各电容单元中场效应管均进入截止状态，因此，此时电容组与前后端电路均为电气隔离状态。
4)放能。控制信号通过各电容单元右侧的光耦控制其右侧上下场效应管导通，又由于每个电容组中各电容单元后端的连接方式为：VES0-接VES1+,VES1-接VES2+,VES2-接VES3+，……，VES(n-1)-接VESn+。从而各电容的电压值被叠加输出(输出电压约为n*VCC0)。此时电容组与前端变压稳压器也是处于电气隔离的状态。
如图4所示：该作品通过控制电容阵列包含的多个电容组彼此间以固定的相位差交错工作实现电容阵列对电能的低损耗连续隔离传输。并通过调节各电容组的工作周期大小，来实现对单个电容组电能传输速率的调制。

Claims (4)

1.一种新型电容阵列结构，其特征在于，由任意个电容组模块构成，
所述电容组为基本的变压单元，包含任意多个电容单元，通过调整电容组中电容单元的数量与连接方式，进而调整该电容组的变压倍率；
所述电容单元的电路结构包括左上桥臂电路、左下桥臂电路、右上桥臂电路、右下桥臂电路和中心电容电路，所述中心电容电路分别与左上桥臂电路、左下桥臂电路、右上桥臂电路、右下桥臂电路相连；
所述中心电容电路由一个中心整流二极管、一个电解电容以及一个电感组成，所述电解电容的一端与所述中心整流二极管的一端相连，所述电解电容的另一端与所述电感的一端相连，所述中心整流二极管的另一端与所述电感的另一端相连；
所述左上桥臂电路由一个左上光电耦合器、一个左上整流二极管、一个左上电阻以及一个左P型场效应管构成，所述左P型场效应管的栅极分别与所述左上光电耦合器和所述左上电阻的一端连接，所述P型场效应管的漏极分别与所述左上电阻的另一端、所述左上整流二极管相连，所述左上整流二极管与电源端连接，所述左P型场效应管的源极与所述电感的另一端相连；
所述左下桥臂电路由一个左下光电耦合器、一个左下整流二极管、一个左下电阻以及一个左N型场效应管构成，所述左N型场效应管的栅极分别与所述左下光电耦合器和所述左下电阻的一端连接，所述左N型场效应管的漏极分别与所述左下电阻的另一端、所述左下整流二极管相连，所述左下整流二极管与电源端连接，所述左N型场效应管的源极与所述电解电容的一端相连；
所述右上桥臂电路由一个右上光电耦合器、一个右上整流二极管、一个右上电阻以及一个右P型场效应管构成，所述右P型场效应管的栅极分别与所述右上光电耦合器的一端和所述右上电阻的一端连接，所述右上光电耦合器的另一端与所述电解电容的一端相连，所述右P型场效应管的漏极分别与所述右上电阻的另一端、所述电解电容的另一端相连，所述右P型场效应管的源极通过所述右上整流二极管与输出端正极VES0+连接；
所述右下桥臂电路由一个右下光电耦合器、一个右下整流二极管、一个右下电阻以及一个右N型场效应管构成，所述右N型场效应管的栅极分别与所述右下光电耦合器的一端和所述右下电阻的一端连接，所述右下光电耦合器的另一端和所述电解电容的另一端相连，所述右N型场效应管的漏极分别与所述左下电阻的另一端、所述所述电解电容的一端相连，所述右N型场效应管的源极通过与所述右下整流二极管与输出端负极VES0-连接。
2.如权利要求1所述的一种新型电容阵列结构，其特征在于，所述电容单元工作时共包含充能、浮空、放能三种状态，在充能状态时，控制信号通过各电容左侧的光耦控制其左侧上下场效应管导通并为内部电容充能，使之电压趋向于前端稳压电路输出电压VCC0。且此时右侧上下场效应管截止，电容单元与后端充电电路彼此电气隔离。在浮空状态时，控制信号通过光耦控制电容单元中场效应管均进入截至状态，此时电容单元与前后端电路均为电气隔离状态。在放能状态时，控制信号通过各电容右侧的光耦控制其右侧上下场效应管导通，此时电容单元就能输出趋于VCOO的电压；与此同时，电容单元与前端变压稳压器彼此电气隔离。
3.如权利要求1或2所述的一种新型电容阵列结构，其特征在于，每个电容组中各电容单元后端的连接方式为：VES0-接VES1+,VES1-接VES2+,VES2-接VES3+，……，VES(n-1)-接VESn+，从而各电容单元的电压值被叠加输出，输出电压为n*VCC0，此时电容组与前端变压稳压器彼此电气隔离，因此，电容组的单个工作周期流程为浮空，充能，浮空，放能四个步骤。
4.如权利要求3所述的一种新型电容阵列结构，其特征在于，由于电容组存在浮空状态，因此电容阵列包含的多个电容组，彼此之间均以固定的相位差交错工作，从而弥补浮空状态空缺的能量传输，进而实现电容阵列对能量的连续隔离传输。
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布朗，著，郭利文，译: "《电源与供电》", 31 October 2013, 北京航空航天大学出版社 *
高明: "《单片微机接口与系统设计》", 31 January 1997, 哈尔滨工业大学出版社 *

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