CN113726187A - 一种非隔离型单相交流稳压电源变换装置及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种非隔离型单相交流稳压电源变换装置及其控制方法，包括双向转换开关单元、输入滤波单元、开关变换单元、输出滤波单元、控制单元。本发明的控制单元根据外部通讯命令或者对外部其他电压、电流信号的判断，可控制双向转换开关单元切换输入输出的端口连接点，同时配合输入输出可以使该交流电路工作于升压、降压或者待机三种工作模式；从而实现所需相对稳定的输出电压，而不受输入电压的波动影响；同时本发明也适用于单相交流电源，三相三线或者三相四线交流电源。

Description

一种非隔离型单相交流稳压电源变换装置及其控制方法
技术领域
本发明涉及开关电源，具体涉及一种非隔离型单相交流稳压电源变换装置及 其控制方法。
背景技术
如今全世界供电电网制式不一，有110VAC电网，有220VAC，有230VAC， 甚至240VAC等，同时由于各种原因，电压到用户端或者电器端时候，电压还可 能会出现正偏或者负偏，因此可能导致用电负载不适用。所以如亚洲用户的电器 设备因出差带到欧洲时，或者说中国客户到日本，美国等都可能就需要增加一个 稳压器，传统的解决办法是设计一个通用的电源，或者在设备端配一个大型的复 杂的稳压器，当用电设备较大的时候，如果对电网的电能质量要求不是很高的， 该稳压器可能是传统的低频稳压器，因此体积庞大，同时在功率较小的领域性价 比差；所以有必要设计一种新的稳压器，使其在满足用户的需求时，又具有较好 的性价比。
发明内容
发明目的：本发明的第一目的在于提供一种能够解决现有交流稳压变换装置 设计复杂、低频非隔离体积笨重且性价比低的技术问题的非隔离型单相交流稳压 电源变换装置；本发明的第二目的在于提供一种能够控制变换装置工作于待机模 式、升压模式或降压模式的非隔离型单相交流稳压电源变换装置的控制方法。
技术方案：本发明包括非隔离型单相交流稳压电源变换装置，包括双向转换 开关单元、输入滤波单元、开关变换单元、输出滤波单元、控制单元，所述双向 转换开关单元的第一交流输入端连接输入交流源，双向转换开关单元的第二交流 输出端连接输出交流等效负载，双向转换开关单元的第一交流输出端接输入滤波 单元输入端，双向转换开关单元的第二交流输入端接输出滤波单元的输出端；所 述输入滤波单元的输出端与开关变换单元的输入端连接，输出滤波单元的输入端 与开关变换单元的输出端连接。
所述控制单元包括运算处理单元、信号采样、辅助电源、驱动单元，分别与 输入交流源、输出交流等效负载、双向转换开关单元、开关变换单元连接。
所述控制单元还包括通讯单元，用以对外通讯。
所述双向转换开关单元包括第一双选开关K1和第二双选开关K2，第一双 选开关K1和第二双选开关K2的一端连接交流输入端，第一双选开关K1的另 一端连接输入滤波单元，第二双选开关K2的另一端连接输出滤波单元。
所述第一双选开关K1和第二双选开关K2均采用可双向流通电流和可关断 的开关。
所述开关变换单元包括第一电容C1、第三开关K3、第四开关K4、第一电 感L1及第二电容C2，所述第一电容C1并联在交流输入的1号端口与3号端口 之间；所述第三开关K3一端与交流输入的1号端口连接，第三开关K3另一端 分别连接第一电感L1一端、第四开关K4一端；所述第四开关K4另一端与交流 输入的3号端口连接；所述第一电感L1另一端与交流输出的2号端口连接；所 述第二电容C2并联在交流输出的2号端口与3号端口之间。
本发明还包括一种非隔离型单相交流稳压电源变换装置的控制方法，包括以 下步骤：
(1)控制单元对电压信号或者外部通讯命令进行处理；
(2)判定变换装置需要在待机模式、升压模式还是降压模式下工作；
(3)控制单元控制双向转换开关单元中的第一开关K1、第二双选开关K2 连接到高压端或低压端。
步骤(3)中，所述控制单元还对开关变换单元的第三开关K3及第四开关 K4施加控制信号，使开关变换单元工作在等效升压电路模式或等效降压电路模 式。
在升压或者降压模式下，控制单元控制开关变换单元的第三开关K3及第四 开关K4，使其在交流电压的频率周期的固定区间工作，提供非标准正弦的交流 电压，从而输出电压相比交流输入电压在该工作区间段产生升压或者降压，实现 效率提升和节能。
有益效果：本发明与现有技术相比，其有益效果在于：(1)通过对双向转换 开关单元及开关变换单元的控制，使稳压电路实现升压或者降压，从而输出稳定 的电压；(2)在负载可以接受非标准正弦交流电压时，还可以使开关变换单元在 频率周期内只是部分输入区间端工作，从而实现高效；(3)利用开关变换单元的 高频工作，从而是该变化电路相比传统的工频稳压器体积更小，性价比更高。
附图说明
图1为本发明的结构框图；
图2为图1中双向转换开关单元的电路示意图；
图3为图1中控制单元的结构框图；
图4为图1中开关变换单元的示意图一；
图5为图1中开关变换单元的示意图二；
图6为图1中开关变换单元的示意图三；
图7为图1中开关变换单元中的开关示意图；
图8为图4的变换装置降压模式工作示意图；
图9为图4的变换装置升压模式工作示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式和说明书附图对本发明的技术方案作进一步介绍。
如图1所示，本发明包括双向转换开关单元、输入滤波单元、开关变换单元、 输出滤波单元、控制单元。双向转换开关单元的有四个接口，双向转换开关单元 的第一交流输入端连接输入交流源，双向转换开关单元的第二交流输出端连接输 出交流等效负载，双向转换开关单元的第一交流输出端接输入滤波单元输入端， 双向转换开关单元的第二交流输入端接输出滤波单元的输出端；输入滤波单元的 输出端与开关变换单元的输入端连接，输出滤波单元的输入端与开关变换单元的 输出端连接。
如图2所示，双向转换开关单元连接在交流L线输入端于输出端之间，包 括第一双选开关K1和第二双选开关K2，第一双选开关K1和第二双选开关K2 的一端连接AC(交流)输入端，第一双选开关K1的另一端连接输入滤波单元， 第二双选开关K2的另一端连接输出滤波单元。也可以与开关变换单元直接连接， 可以没有输入滤波器单元或者没有输出滤波器单元。
如图3所示，控制单元包括运算处理单元、信号采样、辅助电源、驱动单元， 分别与输入交流源、输出交流等效负载、双向转换开关单元、开关变换单元连接。 同时，控制单元也可以包含通讯单元，可以对外进行通讯。
如图4所示，开关变换单元为单相交流开关变换单元，包括第一电容C1、 第三开关K3、第四开关K4、第一电感L1及第二电容C2，第一电容C1并联在 交流输入的1号端口与3号端口之间；所述第三开关K3一端与交流输入的1号 端口连接，第三开关K3另一端分别连接第一电感L1一端、第四开关K4一端； 所述第四开关K4另一端与交流输入的3号端口连接；所述第一电感L1另一端 与交流输出的2号端口连接；所述第二电容C2并联在交流输出的2号端口与3 号端口之间。
如图7所示，a-f是第三开关K3及第四开关K4可行的组成形态，均是可双 向流通电流和可关断的开关，且是可高频电驱动信号控制开通与关断的半导体器 件，如MOS管或IGBT管等。开关管反并二极管可以是集成或者寄生的二极管， 也可以是外加的单独二极。
本发明还包括一种非隔离型单相交流稳压电源变换装置的控制方法，包括以 下步骤：
(1)控制单元对电压信号或者外部通讯命令进行处理；
(2)判定变换装置需要在待机模式、升压模式还是降压模式下工作；
(3)控制单元控制双向转换开关单元中的第一开关K1、第二双选开关K2 连接到高压端或低压端。
步骤(3)中，控制单元还对开关变换单元的第三开关K3及第四开关K4施 加控制信号，使开关变换单元工作在等效升压电路模式或等效降压电路模式。在 升压或者降压模式下，控制单元控制开关变换单元的第三开关K3及第四开关 K4，使其在交流电压的频率周期的固定区间工作，提供非标准正弦的交流电压， 从而输出电压相比交流输入电压在该工作区间段产生升压或者降压。
以下以实施例一的电路为例对上述控制方法进行更进一步的说明：
控制单元通过采样电路采样的电压信号或者由外部通讯获得的命令经运算 处理器单元中的程序运算，当判定所述电路需要工作于升压模式时，控制双向转 换开关中的第一双选开关K1连接到1端口，控制第二双选开关K2连接到2端 口；同时对开关变换单元的第三开关K3及第四开关K4施加控制信号，使开关 变换单元工作在等效升压电路模式(boost)。当判定电路工作于降压模式时，控 制双向转换开关中的第一双选开关K1连接到2端口，控制第二双选开关K2连 接到1端口；同时对开关变换单元的第三开关K3及第四开关K4施加控制信号， 使开关变换单元工作在等效降压电路模式(buck)。当电路工作于待机模式时， 对控制双向转换开关中的第一双选开关K1与第二双选开关K2分别连接到1端 口和2端口，等待升压模式或者降压模式的转换。
如图8所示，假设已经判断变换器需要工作在降压模式，双向转换开关已经 切换到对应的位置，或者手动(或者人为)已经设置好开关变换单元的外部条件 (交流输入及交流输出条件)，因此，控制器单元的运算处理器运算后，发出高 频PWM驱动信号，经过驱动单元来驱动开关变换单元中的第三开关K3及第四 开关K4，假设如图8中的a图，交流是正半波，首先将K3接通的时候，交流 过K3和第一电感L1到达输出负载端，输入电压高于输出电压的部分则在L1储 能，如图8的b图当K3关断，K4开通的时候，原来在L1中的储能就会续流进 行释放。反之，当电压是负半波时候，电流则反向，对应如图8的c图及d图。 然后根据电压的工作频率周而复始的进行控制和工作。该控制方法下的工作效果 与我们熟知的Buck电路一致，因此在此实现了交流输入电压的同相降压变换。
如图9所示，假设已经判断变换器需要工作在升压模式，双向转换开关已经 切换到对应的位置，或者手动(或者人为)已经设置好开关变换单元的外部条件(交流输入及交流输出条件)，因此，控制器单元的运算处理器运算后，发出高 频PWM驱动信号，经过驱动单元来驱动开关变换单元中的第三开关K3及第四 开关K4，假设如图9中的a图，交流是正半波，首先将K4接通的时候，交流 过K4施加在第一电感L1的两端，因此L1进行储能，如图9的b图当K4关断， K3开通的时候，原来在L1中的储能就会续流进行释放从而与交流进行叠加。反 之，当电压是负半波时候，电流则反向，对应如图9的c图及d图。然后根据电 压的工作频率周而复始的进行控制和工作。该控制方法下的工作效果与我们熟知 的Boost电路一致，因此在此实现了交流输入电压的同相升压变换。
此外，在升压或者降压模式下，控制开关变换单元的第三开关K3及第四开 关K4，也可以使其只在交流电压的频率周期的某一段区间工作，提供一种非标 准正弦的交流电压，从而输出电压相比交输入电压只在该工作区间段产生升压或 者降压，从而实现效率提升和节能。
因此，无论是升压，还是降压模式，抑或部分的升压或者降压，都是利用双 向转换器来是实现升压和降压的电路模式切换，属于低频的切换，所以使得电路 简单；同时利用开关变换装置的高频工作实现同相升压和降压，从而脱离了传统 的稳压器中的工频变压器或者自藕式变换，使得电路体积小，密度高，同时性价 比好。
如图5和图6所示，分别是本实施例一的其他实施方式，如图5所示，将图 4所示的三个单相变换装置分别连接到三相四线交流源进行工作，其实质就是三 个交流电压相位有差异的单相变换器，其具体的工作原理与前述的单相的一致， 从而满足三相四线交流系统的稳压工作需要。同时N线也悬空，不与输入端连 接。如图6所示，可以将前述的单相交流变换装置分别连接三相中的不重复的任 意两相从而三个变换器分别连接到三相交流源。即可以看作单相变换器的交流由 L线及N线更换为LaLb，或者LbLc，或者LcLa三个交流电压相位有差异的单 相变换器，其具体的工作原理也与前述的单相的一致。因此图5、图6的具体工 作原理分析不再一一介绍。

Claims (9)

1.一种非隔离型单相交流稳压电源变换装置，其特征在于：包括双向转换开关单元、输入滤波单元、开关变换单元、输出滤波单元、控制单元，所述双向转换开关单元的第一交流输入端连接输入交流源，双向转换开关单元的第二交流输出端连接输出交流等效负载，双向转换开关单元的第一交流输出端接输入滤波单元输入端，双向转换开关单元的第二交流输入端接输出滤波单元的输出端；所述输入滤波单元的输出端与开关变换单元的输入端连接，输出滤波单元的输入端与开关变换单元的输出端连接。
2.根据权利要求1所述非隔离型单相交流稳压电源变换装置，其特征在于：所述控制单元包括运算处理单元、信号采样、辅助电源、驱动单元，分别与输入交流源、输出交流等效负载、双向转换开关单元、开关变换单元连接。
3.根据权利要求2所述非隔离型单相交流稳压电源变换装置，其特征在于：所述控制单元还包括通讯单元，用以对外通讯。
4.根据权利要求1所述非隔离型单相交流稳压电源变换装置，其特征在于：所述双向转换开关单元包括第一双选开关K1和第二双选开关K2，第一双选开关K1和第二双选开关K2的一端连接交流输入端，第一双选开关K1的另一端连接输入滤波单元，第二双选开关K2的另一端连接输出滤波单元。
5.根据权利要求4所述非隔离型单相交流稳压电源变换装置，其特征在于：所述第一双选开关K1和第二双选开关K2均采用可双向流通电流和可关断的开关。
6.根据权利要求1所述非隔离型单相交流稳压电源变换装置，其特征在于：所述开关变换单元包括第一电容C1、第三开关K3、第四开关K4、第一电感L1及第二电容C2，所述第一电容C1并联在交流输入的1号端口与3号端口之间；所述第三开关K3一端与交流输入的1号端口连接，第三开关K3另一端分别连接第一电感L1一端、第四开关K4一端；所述第四开关K4另一端与交流输入的3号端口连接；所述第一电感L1另一端与交流输出的2号端口连接；所述第二电容C2并联在交流输出的2号端口与3号端口之间。
7.一种根据权利要求1所述非隔离型单相交流稳压电源变换装置的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)控制单元对电压信号或者外部通讯命令进行处理；
(2)判定变换装置需要在待机模式、升压模式还是降压模式下工作；
(3)控制单元控制双向转换开关单元中的第一开关K1、第二双选开关K2连接到高压端或低压端。
8.根据权利要求7所述非隔离型单相交流稳压电源变换装置的控制方法，其特征在于：步骤(3)中，所述控制单元还对开关变换单元的第三开关K3及第四开关K4施加控制信号，使开关变换单元工作在等效升压电路模式或等效降压电路模式。
9.根据权利要求8所述非隔离型单相交流稳压电源变换装置的控制方法，其特征在于：在升压或者降压模式下，控制单元控制开关变换单元的第三开关K3及第四开关K4，使其在交流电压的频率周期的固定区间工作，提供非标准正弦的交流电压，从而输出电压相比交流输入电压在该工作区间段产生升压或者降压。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN115258134A (zh) * 2022-08-26 2022-11-01 上海翔骜电子科技有限公司 一种无人机电动舵机系统

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