CN115694152B - 一种新型的电源装置及其交流电源实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型的电源装置及其交流电源实现方法，基于双通道电源，包括DC‑DC模块、DSP数字控制模块、CPU模块和UI模块，通过UI模块对相应通道给定设定值，CPU模块接收设定值进行运算，输出设定值到对应通道的DSP数字控制模块，DSP数字控制模块接收设定值，通过DA数模转换器转换成模拟信号输出到DSP内部比较器负端，斜坡补偿后的电感电流信号输入到DSP内部比较器的正端，通过比较正负端的值输出脉冲宽度PWM到对应通道的DC‑DC模块进行控制，在对应通道的正极端输出相应的交流波形。本发明通过双通道直流电源输出交流电源，通过控制双通道电源的电压差值得到交流电源波形或其他波形。

Description

一种新型的电源装置及其交流电源实现方法

技术领域

本发明涉及交流电源领域，具体涉及一种新型的电源装置及其交流电源实现方法。

背景技术

双通道直流稳压电源意味着电源具有两路独立的输出，常见的双通道电源有如下缺陷：不能输出负压，常见的双通道电源想要输出负压只能把正极接大地，负极输出负压；双通道电源串联后只能做直流电源使用且无法输出任意波形。例如，市场上的程控直流电源，电流高达40A或电压高达120V的功率设备通过自动并联或串联，在内部将两路输出连接为一路输出，使功率翻倍，但是该双路直流电源无法输出交流波形。

发明内容

本发明的目的在于针对现有双通道电源技术的不足，提供一种新型的交流电源实现方法，相较于现有技术，本发明采用的双通道电源可以串联或者并联当单独电源使用，而且可以当双通道独立电源输出正电压，既可以输出直流电源，又可以双路配合作交流电源使用，输出交流波形。

本发明公开的一种新型的电源装置，基于双通道直流电源，所述的双通道直流电源包括两个输出通道，所述的两个输出通道分别为第一直流通道A和第二直流通道B，所述的两个输出通道均设有DC-DC模块和DSP数字控制模块，且所述的两个输出通道共用CPU模块和UI模块，所述的第一直流通道A和第二直流通道B分别输出正负极端子，所述的第一直流通道A负极端子和第二直流通道B负极端子短路，第一直流通道A正极端子作为交流输出的火线端L输出，第二直流通道B正极端子作为交流输出的零线端N输出。

所述第一直流通道A和第二直流通道B输出的直流电压是正电压。

所述DC-DC模块为功率变换模块，用于实现双通道电源输出。

所述DSP数字控制模块为第一直流通道A的DSP-A数字控制模块和第二直流通道B的DSP-B数字控制模块，分别用于控制对应通道的DC-DC模块。

一种新型的交流电源实现方法，基于所述的一种新型的电源装置，包括以下步骤：

步骤1，通过UI模块切换到交流输出模式，并设置电压幅值Um和频率f；

步骤2，CPU模块接收电压幅值Um和频率f，通过公式Umsin（ωt）=VaSET-VbSET计算，得到第一直流通道A的输出电压设定值VaSET 和第二直流通道B的输出电压设定值VbSET，其中，t代表时间，ω为角频率，ω = 2πf；

CPU模块对计算得到的第一直流通道A的输出电压设定值VaSET 和第二直流通道B的输出电压设定值VbSET进行环路控制运算，输出环路控制运算给定值；

步骤3，环路控制运算给定值经DA数模转换器转换成模拟量信号，输出到第一直流通道A和第二直流通道B的DSP数字控制模块内部比较器的负端；

步骤4，采样DC-DC模块中的电感电流，将电感电流信号输入到对应通道的DSP数字控制模块内部比较器的正端，DSP数字控制模块内部比较器通过比较正负端的值，输出脉冲宽度PWM到对应通道的DC-DC模块进行控制；

步骤5，第一直流通道A和第二直流通道B分别通过对应通道的DC-DC模块控制，在两个输出通道的正极端子输出相应的交流波形。

所述第一直流通道A和第二直流通道B输出正负极端子分别为A+、A-和B+、B-，将A-负极端子和B-负极端子短路，A+正极端子作为交流输出的火线端L输出，B+正极端子作为交流输出的零线端N输出，双路配合作交流电源使用。

所述的比较器不限于设置在DSP数字控制模块内部。

本发明技术方案带来的有益效果有：

1、本发明的双通道电源可串联或者并联作为单独电源使用，还可作为双通道独立电源输出正电压。

2、本发明除了输出直流电源外，还可双路配合作为交流源使用，一机多用，节省成本。

3、本发明通过控制第一直流通道A和第二直流通道B电源的差值来输出任意波形。

附图说明

图1为本发明的双通道电源在系统工作时的示意图。

图2为本发明的DSP数字控制模块内部比较器通过比较正负端的值输出脉冲宽度PWM的示意图。

具体实施方式

下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

如图1所示，本发明公开了一种新型的电源装置，基于双通道直流电源的内部结构，双通道直流电源包括两个输出通道，分别为第一直流通道A和第二直流通道B，两个输出通道连接待测物，待测物可以是电源也可以是负载，两个输出通道均包括AC-DC模块、DC-DC模块、及DSP数字控制模块，两个输出通道还共用CPU模块和UI模块，其中，两个AC-DC模块是实现功率因素校正的功率因素校正模块，两个DC-DC模块是实现输出双通道电源的功率变换模块，两个DSP数字控制模块分别为第一直流通道A的DSP-A数字控制模块及第二直流通道B的DSP-B数字控制模块，分别用于控制对应通道的DC-DC模块。通过UI模块进行用户设定与交互，UI模块连接CPU模块，CPU模块连接第一直流通道A的DSP-A数字控制模块及第二直流通道B的DSP-B数字控制模块。

本具体实施例中，优选的是每个直流通道（即第一直流通道A和第二直流通道B）均有AC-DC模块，每个直流通道的AC-DC模块对应连接本通道的DC-DC模块；然而，在其他的实施例中，两个直流通道也可以共用一个AC-DC模块，该共用的AC-DC模块同时连接第一直流通道A和第二直流通道B的DC-DC模块。在本具体实施例中，AC-DC模块采用的是功率因素校正模块PFC，适合在大功率电源中应用，在其他实施例中，比如在小功率电源中，AC-DC模块可以直接工频变压器整流 。

第一直流通道A具有正负极输出端子A+，A-，第二直流通道B的具有正负极输出端子B+，B-，在作为双通道直流电源使用时，可以实现双路独立输出，可以双路并联或串联当作单路直流电源使用。本方案的突出特点是将两个输出通道的输出端子通过独特的连接方式，将该双通道直流电源转变一个交流电源使用，具体是将第一直流通道A的A-负极输出端子和第二直流通道B的B-负极输出端子短路，第一直流通道A的A+正极输出端子作为交流输出的火线端L输出，B通道的B+正极输出端子作为交流输出的零线端N输出，双路配合当作交流电源使用。

作为双通道直流电源使用时DC输出的步骤如下：

步骤1，通过UI模块对两个输出通道设定当前需要的设定值，具体地，UI模块设置第一直流通道A和第二直流通道B的输出电压设定值。

步骤2，CPU模块通过接收当前输出电压设定值进行环路控制运算，输出环路控制运算给定值。

以输出恒定电压给定值的环路控制运算进行举例：

Uout（n）=A1*Uout(n-1)+A2*Uout(n-2)+A3*Uout(n-3)+B0*Errn(n)+ B1*Errn(n-1)+ B2*Errn(n-2)+ B3*Errn(n-3)；

Errn(n)= Vset-Vsamp；

其中，Uout（n）是本时刻环路控制运算输出的给定电压值，Errn(n)是本时刻的误差电压值，A1、A2、A3、B0、B1、B2和B3分别为环路系数，环路系数是根据实际调试出来的常量值。Uout(n-1)，Uout(n-2)和Uout(n-3)分别为上一时刻、上二时刻、上三时刻的环路控制运算输出的给定电压值； Errn(n-1)，Errn(n-2)，Errn(n-3)分别为上一时刻、上二时刻、上三时刻误差电压值，Vset为输出电压设定值，Vsamp为采样电压，误差电压值为输出电压设定值和采样电压的差值。采样电压可以是采样电源输出端电压也可以是采样待测物输入端电压，本处环路计算为本领域技术人员易知技术，不赘述。

步骤3，环路控制运算给定值通过DA数模转换器将其转换成模拟信号输出到DSP数字控制模块内部比较器的负端。具体地，DA 数模转换器可以是电路中独立的数模转换芯片也可以是CPU自带的数模转换器。

步骤4，将采样DC-DC模块的电感电流信号输入到DSP数字控制模块内部比较器的正端，DSP数字控制模块内部比较器通过比较正负端的值输出脉冲宽度PWM的脉冲宽度到对应通道的DC-DC模块进行控制。

本方案中DC-DC模块是BUCK电路拓扑，采样DC-DC模块中BUCK电路中的电感电流，当采用峰值电流控制时，如果占空比大于0.5，优选采用对电感电流进行斜坡补偿。如图2所示，DSP数字控制模块内部比较器comparator的正输入端输入信号VL为斜坡补偿后的电感电流信号，DSP数字控制模块内部比较器的负输入端输入信号为DA数模转换器转换的环路控制运算给定值的模拟量信号。当DSP数字控制模块内部比较器的正端输入值比负端输入值大时，脉冲宽度PWM输出高电平；当DSP数字控制模块内部比较器的正端输入值比负端输入值小时，脉冲宽度PWM输出低电平。

在作为双通道直流电源使用时，UI模块设有对应的三种模式，分别是多通道模式、并联模式和串联模式，当选择多通道模式时，CPU模块运行的环路都是独立的，第一直流通道A和第二直流通道B环路控制运算分别独立互不干扰；当选择串联或并联模式时，CPU模块得到UI模块相应的指令信息，两个输出通道环路控制运算有数据交互，两个输出通道的DSP数字控制模块接收到的指令和设定值通过第一直流通道A发送和接收，再进行串联或并联模式运行。

本发明公开的双通道直流电源双路配合转变成一个交流电源使用时，输出交流电源工作具体实施步骤如下：

步骤1，通过UI模块切换到交流输出模式，并设置当前需要的电压幅值Um和频率f。

步骤2，CPU模块接收电压幅值Um和频率f，通过公式Umsin（ωt）=VaSET-VbSET计算得到第一直流通道A的输出电压设定值VaSET 和第二直流通道B的输出电压设定值VbSET，其中，t代表时间，因为交流电压是随时间变化的，即电压值是时间的函数，ω为角频率，ω= 2πf。

并且，CPU模块对计算得到的第一直流通道A的输出电压设定值VaSET 和第二直流通道B的输出电压设定值VbSET进行环路控制运算，输出环路控制运算给定值。

具体地，CPU模块对该计算得到的第一直流通道A的输出电压设定值VaSET进行环路控制运算，输出第一直流通道A的环路控制运算给定值，还对该计算得到的第二直流通道B的输出电压设定值VbSET进行环路控制运算，输出第二直流通道B的环路控制运算给定值。此处环路控制运算与上文中作为直流电源使用时所述的环路控制运算相同。

步骤3，环路控制运算给定值经DA数模转换器转换成模拟量信号给到DSP-A数字控制模块和DSP-B数字控制模块内部比较器的负端。

步骤4，采样DC-DC模块中的电感电流，将电感电流信号输入到DSP-A数字控制模块和DSP-B数字控制模块内部比较器的正端，DSP数字控制模块内部比较器通过比较正负端的值输出脉冲宽度PWM到对应通道的DC-DC模块进行控制。

优选地，比较器设置在DSP数字控制模块内部，速度比较快，但并不限于设置于DSP数字控制模块内部，也可以是独立于DSP数字控制模块之外的比较器。

步骤5，两个输出通道通过对应通道的DC-DC模块控制，利用输出脉冲宽度PWM驱动DC-DC模块内部的MOSFET，通过控制MOSFET的通断把母线电压斩波成方波，在第一直流通道A的正端输出端子A+（即交流输出的火线端L）和第二直流通道B的正端输出端子B+（即交流输出的零线端N）之间输出相应的交流波形。

在步骤2中，Umsin（ωt）=VaSET-VbSET 可以解出如下根：

VaSET=Umsin（ωt）/2+Vdc （1）

VbSET=Umsin（ωt +π）/2+Vdc （2）

因此，VaSET- VbSET= Umsin（ωt）。

其中，Um是用户设置的电压幅值，t代表时间，ω为角频率(弧度/秒)，ω=2πf，f是用户设置的频率(赫兹)，是固定值，f=1/T，T为信号周期(秒)，即信号每秒变化的周期数，Vdc为直流电压值。

由上述公式（1）、（2）可知，第一直流通道A和第二直流通道B的输出电压设定值是以Vdc为中心输出对称波形，Vdc可在0~Uo之间取任意取值，Uo为两个输出通道的额定输出电压值。由于Vdc直流电压值不确定，所以第一直流通道A的输出电压设定值VaSET 和第二直流通道B的输出电压设定值VbSET有无穷多个解。其中，当取Vdc=Uo/2时，可以输出最优解的交流波形。Vdc也可以取Vdc=Um/2。最优地，当Vdc取二分之一额定输出电压时，交流使用范围最广，而别的值也可以实现交流输出，优选实施例详细解释如下：

取Vdc=Uo/2，其中，Uo为第一直流通道A和第二直流通道B的额定输出电压值，直流同时输出Uo/2值。

当ωt =0，π，2π…kπ时，k=0，1，2…(k为整数)，Umsin（ωt）/2 = 0， Umsin（ωt +π）/2= 0。所以，当第一直流通道A和第二直流通道B在交流输出0V时，以第一直流通道A和第二直流通道B组合形成的新型交流电源输出0V。

当ωt非0时，VaSET=Umsin（ωt）/2+ Uo/2，VbSET=Umsin（ωt+π）/2+ Uo/2。由于Umsin（ωt）/2和Umsin（ωt+π）/2是互补信号，即二者相减为Umsin（ωt），所以，上述VaSET和VbSET以电源二分之一额定输出电压上下对称交替输出电压，从而输出交流波形。

综上，可以看出，当第一直流通道A的A+正极端子和第二直流通道B的B+正极端子同时输出电源二分之一额定输出电压时，交流输出0V；当A+正极端子和B+正极端子以电源二分之一额定输出电压上下对称交替输出电压时，两个输出通道实现输出交流波形。

如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。

Claims (7)

1.一种新型的交流电源实现方法，基于双通道直流电源，所述的双通道直流电源包括两个输出通道，所述的两个输出通道分别为第一直流通道A和第二直流通道B，所述的两个输出通道均设有DC-DC模块和DSP数字控制模块，且所述的两个输出通道共用CPU模块和UI模块，所述的第一直流通道A和第二直流通道B分别输出正负极端子，所述的第一直流通道A负极端子和第二直流通道B负极端子短路，第一直流通道A正极端子作为交流输出的火线端L输出，第二直流通道B正极端子作为交流输出的零线端N输出，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，通过UI模块切换到交流输出模式，并设置电压幅值Um和频率f；

步骤2，CPU模块接收电压幅值Um和频率f，通过公式Umsin（ωt）=VaSET-VbSET计算得到第一直流通道A的输出电压设定值VaSET 和第二直流通道B的输出电压设定值VbSET，其中，t代表时间，ω为角频率，ω= 2πf；

CPU模块对计算得到的第一直流通道A的输出电压设定值VaSET 和第二直流通道B的输出电压设定值VbSET进行环路控制运算，输出环路控制运算给定值；

步骤3，所述环路控制运算给定值经DA数模转换器转换成模拟量信号，输出到第一直流通道A和第二直流通道B的比较器的负端；

步骤4，采样DC-DC模块中的电感电流，将电感电流信号输入到对应通道的比较器的正端，比较器通过比较正负端的值，输出脉冲宽度PWM到对应通道的DC-DC模块进行控制；

步骤5，第一直流通道A和第二直流通道B分别通过对应通道的DC-DC模块控制，在两个输出通道的正极端子输出相应的交流波形。

2.根据权利要求1所述的一种新型的交流电源实现方法，其特征在于，所述的第一直流通道A和第二直流通道B输出的直流电压是正电压。

3.根据权利要求1所述的一种新型的交流电源实现方法，其特征在于，所述的DC-DC模块为功率变换模块，用于实现双通道电源输出。

4.根据权利要求1所述的一种新型的交流电源实现方法，其特征在于，所述的DSP数字控制模块为第一直流通道A的DSP-A数字控制模块和第二直流通道B的DSP-B数字控制模块，分别用于控制对应通道的DC-DC模块。

5.根据权利要求4所述的一种新型的交流电源实现方法，其特征在于，所述的UI模块连接CPU模块，所述的CPU模块设有数据转换模块，所述的CPU模块连接所述的DSP-A数字控制模块及DSP-B数字控制模块。

6.根据权利要求1所述的一种新型的交流电源实现方法，其特征在于，所述的第一直流通道A和第二直流通道B输出正负极端子分别为A+、A-和B+、B-，将A-负极端子和B-负极端子短路，A+正极端子作为交流输出的火线端L输出，B+正极端子作为交流输出的零线端N输出，双路配合作交流电源使用。

7.根据权利要求1所述的一种新型的交流电源实现方法，其特征在于，所述的比较器为DSP数字控制模块内部比较器，或独立于DSP数字控制模块之外的比较器。

Images