CN203039556U - 一种高效电能隔离变换电路 - Google Patents

Abstract

一种高效电能隔离变换电路，其特征主要由电源输入、交/直流电源高频驱动电路1、隔离输出电路2、全数字集成控制3组成，该实用新型技术最简优化的节能电路结构，电能变换高效率、全数字化控制技术、便于远程控制管理，特到的分时控制技术，具有很好的工作运行特性。

Description

一种高效电能隔离变换电路

技术领域

本实用新型是一种全数字化交直流电能隔离变换技术，涉及大率交直流电源，新能源电能转换，稳压、滤波、调压、电源升降压、开关电源电路等。

背景技术

一直来交流变换技术产品，特别是隔离类产品，都是采用交直变换的技术方法，如要交交隔离变换更麻烦，要通过交-直-直-交过程才能完成，这一过程不仅电路结构复杂，成本高，更重要的是功率因数低、谐波干扰大、电能转换效率低，实际中很难使产品达标。

现有出现的一些交交变换电路的设计，电路结构复杂，自身的损耗大，在主回路中多增加一个开关管或二极管，1KW以上的电路电能损耗，就显得重要了，这不仅仅是压降的损耗，如果多增加到二个以上，生产出的产品，就谈不上节能产品，高速工作更艰难、实际工作效率非常低、而且成本高，更重要的是没有真正良好的成熟控制技术电路是不能进入产品商品化的。

就现有隔离稳压、净化电源类产品，特别是交交隔离,具有多方面的缺陷：工作响应慢、体积大而笨重,一般都是自耦变压器加电机为主导的机械稳压方式,一个4KW左右的产品就会有几十公斤，工作寿命短，效率低，成本高，如要滤波净化输出，还再加滤波装制。

因此，将交流电源直接高频变换，电能转换低损耗电路结构，低成本产品，就显得非常重要更有实际意义，但交流电源直接变换需要有良好的控制技术方法，实现双向和分时控制。

实用新型内容

本实用新型是电源隔离变换技术，独特的全数字化可编程控制接口，可实现AC-AC；AC-DC；DC-DC；DC-AC升降压高频隔离电能变换，交直流工作都具有分时控制功能特点，交流电源输出频率同步于输入电源频率,由于前级输入侧省去了整流电容平波电路,不存在功率因数低和谐波的产生，电源转换主回路中的开关管器件达到最简优化从而降低工作损耗，T1高频变压器初级电感剩余能量电容吸收，程控回馈电源同时对T1磁复位，输出采用MOSFET开关管，集中数字化的控制方法，非常方便实现同步开关，从而进一步降低电能损耗，输出增加了一个储能电感将获得更高质量的输出特性。分时控制技术使效率更高，运行更可靠，非常适合直流电源大电流工作运行。

电路中Q1、Q2、Q3、Q4是开关管，每个开关管上反并了二极管，现在的开关管和二极管大部分已内置在一个器件中（开关管可由：如IGBT、MOSFET，或其它类型的开关器件，二极管可选内置的也可选外并的，本实用新型的附图中有开关管电极名称说明图），G1、G2、G3、G4是对应开关管Q1、Q2、Q3、Q4的控制端经隔离耦合连接到控制区（专用集成电路）对应可编程接口，通过相应的编程控制，实现不同的电能变换方式，要实现大功率大电流电能变换这些开关管（即开关管Q1-Q4）上可以分别并联多个分流开关管的方式实现。

在AC-AC交交隔离变换工作方式下，Q1和Q4是交流正负半周（L、N）电能转换的主回路开关管，Q2和Q3是T1高频变压器初级剩余能量吸收通路开关管，Ce作剩余能量吸收，通过程控使吸收的剩余能量回馈给电源同时对T1磁复位。

在AC-DC变换工作方式下，Q1和Q4是交流正负半周（L、N）电能转换的主回路开关管，Q2和Q3是储能电容Ce的电能放电转换开关管，按交流正弦规律程控4组开关管工作，电容的一次充放电过程，完成一个高频周期的电能隔离转换，该电路改变控制方法可以实现谐振变换，并对输出自动平波而不影功率因数。

在DC-AC或DC-DC或AC和DC电源备用实时切换方式下，Q1和Q4是交流正负半周或连接直流电源正极电能转换的主回路开关管，电路中的EN连接点是在直流电源输入工作方式下连接到直流负极，在直流电源输入工作方式下，Q1和Q4程控分时工作，Q2和Q3是储能电容Ce的电能转换开关管，电容的一次充放电过程，完成一个高频周期的电能隔离转换。

一般直流供电场所，电压相对低，开关管工作电流大，因此这种分时转换具有非常特到的优点，能有效地降低开关管的温升剧增，当然任何电源供电，采用分时控制，都会使设备得到更好的工作运行性能，特别适合新能源电能转换。

本实用新型的技术方案：

一种高效电源隔离电能变换电路，它包括电源输入、交/直流高频驱动电路1、隔离输出电路2、全数字集成控制3依次连接组成。全数字集成控制3还与交/直流电源高频驱动电路1连接。

所述的交/直流高频驱动电路1，其特征是可由开关管Q1、Q2、Q3、Q4，电容Ce，高频变压器T1的初级组成，开关管Q1的C极连接到电源输入端L，开关管Q1的E极连接到开关管Q2的E极和高频变压器T1初级的一端，开关管Q2的C极连接到电容Ce的一端，电容Ce的另一端连接到开关管Q3的C极，开关管Q3的E极连接到开关管Q4的E极和高频变压器T1初级的另一端，开关管Q4的C极连接到电源输入端N 。（见图2）

所述的交/直流高频驱动电路1，其特征是可由开关管Q1、Q2、Q3、Q4，电容Ce，高频变压器T1的初级组成，开关管Q1的C极连接到电源输入端L，开关管Q1的E极连接到开关管Q2的E极和高频变压器T1初级的一端，开关管Q2的C极连接到开关管Q3的C极并组成接点NE，开关管Q3的E极连接到开关管Q4的E极和电容Ce的一端，电容Ce的另一端连接到变压器T1初级的另一端，开关管Q4的C极连接到电源输入端N。（见图3）

所述的交/直流高频驱动电路1，其特征是可由开关管Q1、Q2、Q3、Q4，电容Ce，高频变压器T1的初级组成，开关管Q1的E极连接到电源输入端L，开关管Q1的C极连接到开关管Q2的E极和高频变压器T1初级的一端，开关管Q2的C极连接到电容Ce的一端，电容Ce的另一端连接到开关管Q3的C极，开关管Q3的E极连接到开关管Q4的C极和高频变压器T1初级的另一端，开关管Q4的E极连接到电源输入端N（见图4）；或者其特征是可由开关管Q1、Q2、Q3、Q4，电容Ce，高频变压器T1的初级组成，开关管Q1的E极连接到电源输入端L，开关管Q1的C极连接到开关管Q2的C极和高频变压器T1初级的一端，开关管Q2的E极连接到电容Ce的一端，电容Ce的另一端连接到开关管Q3的E极，开关管Q3的C极连接到开关管Q4的C极和高频变压器T1初级的另一端，开关管Q4的E极连接到电源输入端N（见图5）；或者其特征是可由开关管Q1、Q2、Q3、Q4，电容Ce，高频变压器T1的初级组成，开关管Q1的C极连接电源输入端L，开关管Q1的E极连接开关管Q2的C极和高频变压器T1初级的一端，开关管Q2的E极连接电容Ce的一端，电容Ce的另一端连接开关管Q3的E极，开关管Q3的C极连接开关管Q4的E极和高频变压器T1初级的另一端，开关管Q4的C极连接电源输入端N（见图6）。

所述的交/直流高频驱动电路1，其特征是可由开关管Q1、Q2、Q3、Q4，电容Ce，高频变压器T1的初级组成，开关管Q1的E极连接到电源输入端L，开关管Q1的C极连接到开关管Q2的E极和高频变压器T1初级的一端，开关管Q2的C极连接到开关管Q3的C极并组成接点NE，开关管Q3的E极连接到开关管Q4的C极和电容Ce的一端，电容Ce的另一端连接到高频变压器T1初极的另一端，开关管Q4的E极连接到电源输入端N（见图7）；或者其特征是可由开关管Q1、Q2、Q3、Q4，电容Ce，高频变压器T1的初级组成，开关管Q1的E极连接到电源输入端L，开关管Q1的C极连接到开关管Q2的C极和高频变压器T1初级的一端，开关管Q2的E极连接到开关管Q3的E极并组成接点NE，开关管Q3的C极连接到开关管Q4的C极和电容Ce的一端，电容Ce的另一端连接到高频变压器T1初级的另一端，开关管Q4的E极连接到电源输入端N（见图8）；或者其特征是可由开关管Q1、Q2、Q3、Q4，电容Ce，高频变压器T1的初级组成，开关管Q1的C极连接电源输入端L，开关管Q1的E极连接开关管Q2的C极和高频变压器T1初级的一端，开关管Q2的E极连接开关管Q3的E极并组成接点NE，开关管Q3的C极连接开关管Q4的E极和电容Ce的一端，电容Ce的另一端连接高频变压器T1初级的另一端，开关管Q4的C极连接电源输入端N（见图9）。

所述的隔离输出电路2，其特征是由高频变压器T1的次级组成隔离输出。（见图2-图9）

所述的交/直流高频驱动电路1，其特征是开关管Q1、Q2、Q3、Q4的控制输入端G1、G2、G3、G4经隔离耦合器连接到专用集成电路芯片对应的可编程控制输出口G1、G2、G3、G4。（见图10）

所述的全数字集成控制3，其特征是主要是由专用集成电路芯片组成，该专用集成电路芯片由内部总控区、可编程驱动控制A、可编程驱动控制B组成，该专用集成电路芯片具有多种功能的外部接口，所述外部接口有可编程控制输出口G1、G2、G3、G4；可编程控制输出口G1’、G2’、G3’、G4’；输入保护；输出保护；输入电流保护；输出电流保护；输入电源相位信号检测；控制数据总线；控制数据读/写；读/写允许控制；以及芯片工作状态信号。（见图10）

所述开关管Q1、Q2、Q3、Q4均由IGBT绝缘栅双极型晶体管或MOSFET场效晶体管反并一二极管组成；或者，开关管Q1、Q2、Q3、Q4均由IGBT绝缘栅双极型晶体管或MOSFET场效晶体管反并一二极管组成，并且开关管Q1、Q2、Q3、Q4上分别并联多个分流开关管以实现大电流工作，所述分流开关管也由IGBT绝缘栅双极型晶体管或MOSFET场效晶体管反并一二极管组成。

所述开关管Q1、Q2、Q3、Q4可以封装成一体，形成开关管模块电路，以实现模块方式应用。

本实用新型具有如下的优点及效果

1)        最简优化的节能变换电路结构，电能变换高效率、全数字化技术可编程控制接口、特到的分时控制技术，具有很好的工作运行特性、同时它将体积和重量缩小到现有产品的十几分之一，高功率密度，产品低成本；

2)        直接AC电能变换，制造的产品不用考功率因数低、谐波干扰问题、高产品性能；

3)        本实用新型电路采用电容吸收高频变压器漏感小，电磁剩余能量回馈输入电源同时磁复位，非常适合大功率产品的制造；

4)        自主研发的专用集成控制电路，全数字化系统集成控制，非常方便隔离输出同步整流进一步提高了电能转换输出效率、便于远程控制管理；

5)        该实用新型技术可设计出各领域所需的高质量产品，特别是适合医用、科研、军用、航空、通信等重要场所。

附图说明

图1是本实用新型的高效电能隔离变换电路的电路原理结构框图。

图2是本实用新型的交/直流高频驱动电路的原理图之一。

图3是本实用新型的交/直流高频驱动电路的原理图之二。

图4是本实用新型的交/直流高频驱动电路的原理图之三。

图5是本实用新型的交/直流高频驱动电路的原理图之四。

图6是本实用新型的交/直流高频驱动电路的原理图之五。

图7是本实用新型的交/直流高频驱动电路的原理图之六。

图8是本实用新型的交/直流高频驱动电路的原理图之七。

图9是本实用新型的交/直流高频驱动电路的原理图之八。

图10 是本实用新型的专用集成电路芯片的接口原理说明图。

图11是本实用新型的实施例一的电路图。

图12是本实用新型的实施例二的电路图。

图13 是本实用新型实施例一的工作控制时序图。

图14 是本实用新型实施例二的工作控制时序图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明

实例一

结合图1、图2、图10和图11所示的高效电能隔离变换电路是AC-AC(交-交)变换电路：

所述的电源输入由输入端L连接到电容C1的一端和共模电感L1一侧的一端，共模电感L1一侧的另一端连接电感L2的一端，电感L2的另一端连接电容C2的一端，输入端N连接到电容C1的另一端和共模电感L1另一侧的一端，共模电感L1另一侧的另一端连接到电容C2的另一端作电源输入滤波；

所述的交/直流高频驱动电路1，其电源输入端L连接到电容C2的一端和开关管Q1的C极，开关管Q1的E极连接到开关管Q2的E极和高频变压器T1初级的一端，开关管Q2的C极连接到电容Ce的一端，电容Ce的另一端连接到开关管Q3的C极，开关管Q3的E极连接到开关管Q4的E极和T1高频变压器初级的另一端，开关管Q4的C极连接到电源输入端N和C2的另一端；

所述的隔离输出电路2由高频变压器T1次级的一端连接到开关管Q5的D极，开关管Q5的S极连接到开关管Q6的S极，开关管Q6的D极连接到开关管Q7的D极和储能电感L3的一端，开关管Q7的S极连接到开关管Q8的S极，储能电感L3的另一端连接到电容C3的一端作隔离输出电源的一端，电容C3的另一端连接到开关管Q8的D极和高频变压器T1次级的另一端作隔离输出电源的另一端；

所述的全数字集成控制3的可编程控制输出口G1经光电耦合器连接到开关管Q1的控制输入端G1，可编程控制输出口G2经光电耦合器连接到开关管Q2的控制输入端G2，可编程控制输出口G3经光电耦合器连接到开关管Q3的控制输入端G3，可编程控制输出口G4经光电耦合器连接到开关管Q4的控制输入端G4；可编程控制输出口G1’经光电耦合器连接到开关管Q5的控制输入端G1’，可编程控制输出口G4’经光电耦合器连接到开关管Q6的控制输入端G4’，可编程控制输出口G2’经光电耦合器连接到开关管Q8的控制输入端G2’，可编程控制输出口G3’经光电耦合器连接到开关管Q7的控制输入端G3’。

以上功能电路结构和专用集成电路芯片组成一个完整的AC-AC（交交）变换应用电路，该实施例的完整工作控制见图13，图中a是开关管Q1、Q2、Q3、Q4高频转换驱动工作时序图，图中b是输出电路开关管Q5、Q6和开关管Q7、Q8的工作时序图。

专用集成电路具有专门的输入电源位相信号检测，确保开关管在正负半周过零点开关切换，专用集成电路周边有输入输出电流、电压实时测量电路以及完整的保护电路。

实例二

结合图1、图3、图10和图12所示的高效电能隔离变换电路是AC-DC(交-直)变换电路：

所述的电源输入由输入端L连接到电容C1的一端和共模电感L1一侧的一端，共模电感L1一侧的另一端连接电感L2的一端，电感L2的另一端连接电容C2的一端，输入端N连接到电容C1的另一端和共模电感L1另一侧的一端，共模电感L1另一侧的另一端连接到电容C2的另一端作电源输入滤波；

所述的交/直流高频驱动电路1，其电源输入端L连接到电容C2的一端和开关管Q1的C极，开关管Q1的E极连接到开关管Q2的E极和高频变压器T1初级的一端，开关管Q2的C极连接到开关管Q3的C极，开关管Q3的E极连接到开关管Q4的E极和电容Ce的一端，电容Ce的另一端连接到高频变压器T1初级的另一端，开关管Q4的C极连接到电源输入端N和电容C2的另一端；

所述的隔离输出电路2由高频变压器T1次级的一端连接到开关管Q5的S极，开关管Q5的D极连接到开关管Q6的D极和电容C3的一端作隔离电源输出的正极端，开关管Q6的S极连接到高频变压器T1次级的另一端，高频变压器T1次级的中心抽头连接到电容C3的另一端作隔离输的负极端；

所述的全数字集成控制3的可编程控制输出口G1经光电耦合器连接到开关管Q1的控制输入端G1，可编程控制输出口G2经光电耦合器连接到开关管Q2的控制输入端G2，可编程控制输出口G3经光电耦合器连接到开关管Q3的控制输入端G3，可编程控制输出口G4经光电耦合器连接到开关管Q4的控制输入端G4；可编程控制输出口G1’经光电耦合器连接到开关管Q5的控制输入端G1’，控制同步开关整流，可编程控制输出口G4’经光电耦合器连接到开关管Q6的控制输入端G4’，控制同步开关整流。

以上功能电路结构和专用集成电路芯片组成一个完整的AC-DC（交-直）变换应用电路，该实施例的完整工作控制见图14，图中a是开关管Q1、Q2、Q3、Q4高频转换驱动工作时序图，图中b是输出电路开关管Q5、Q6的工作时序图。

专用集成电路具有专门的输入电源位相信号检测，确保开关管在正负半周过零点开关切换，专用集成电路周边有输入输出电流、电压实时测量电路以及完整的保护电路。

Claims (10)

1.一种高效电能隔离变换电路，其特征在于，由电源输入、交/直流电源高频驱动电路（1）、隔离输出电路（2）、全数字集成控制（3）依次连接组成，全数字集成控制（3）还与交/直流电源高频驱动电路（1）连接。

2.根据权利要求1所述的高效电能隔离变换电路，其特征在于，所述交/直流高频驱动电路（1），由开关管Q1、Q2、Q3、Q4，电容Ce，高频变压器T1的初级组成，开关管Q1的C极连接到电源输入端L，开关管Q1的E极连接到开关管Q2的E极和高频变压器T1初级的一端，开关管Q2的C极连接到电容Ce的一端，电容Ce的另一端连接到开关管Q3的C极，开关管Q3的E极连接到开关管Q4的E极和高频变压器T1初级的另一端，开关管Q4的C极连接到电源输入端N。

3.根据权利要求1所述的高效电能隔离变换电路，其特征在于，所述交/直流高频驱动电路（1）由开关管Q1、Q2、Q3、Q4，电容Ce，高频变压器T1的初级组成，开关管Q1的C极连接到电源输入端L，开关管Q1的E极连接到开关管Q2的E极和高频变压器T1初级的一端，开关管Q2的C极连接到开关管Q3的C极并组成接点NE，开关管Q3的E极连接到开关管Q4的E极和电容Ce的一端，电容Ce的另一端连接到变压器T1初级的另一端，开关管Q4的C极连接到电源输入端N。

4.根据权利要求1所述的高效电能隔离变换电路，其特征在于，所述交/直流高频驱动电路（1）由开关管Q1、Q2、Q3、Q4，电容Ce，高频变压器T1的初级组成，开关管Q1的E极连接到电源输入端L，开关管Q1的C极连接到开关管Q2的E极和高频变压器T1初级的一端，开关管Q2的C极连接到电容Ce的一端，电容Ce的另一端连接到开关管Q3的C极，开关管Q3的E极连接到开关管Q4的C极和高频变压器T1初级的另一端，开关管Q4的E极连接到电源输入端N；或者由开关管Q1、Q2、Q3、Q4，电容Ce，高频变压器T1的初级组成，开关管Q1的E极连接到电源输入端L，开关管Q1的C极连接到开关管Q2的C极和高频变压器T1初级的一端，开关管Q2的E极连接到电容Ce的一端，电容Ce的另一端连接到开关管Q3的E极，开关管Q3的C极连接到开关管Q4的C极和高频变压器T1初级的另一端，开关管Q4的E极连接到电源输入端N；或者由开关管Q1、Q2、Q3、Q4，电容Ce，高频变压器T1的初级组成，开关管Q1的C极连接电源输入端L，开关管Q1的E极连接开关管Q2的C极和高频变压器T1初级的一端，开关管Q2的E极连接电容Ce的一端，电容Ce的另一端连接开关管Q3的E极，开关管Q3的C极连接开关管Q4的E极和高频变压器T1初级的另一端，开关管Q4的C极连接电源输入端N。

5.根据权利要求1所述的高效电能隔离变换电路，其特征在于，所述交/直流高频驱动电路（1）由开关管Q1、Q2、Q3、Q4，电容Ce，高频变压器T1的初级组成，开关管Q1的E极连接到电源输入端L，开关管Q1的C极连接到开关管Q2的E极和高频变压器T1初级的一端，开关管Q2的C极连接到开关管Q3的C极并组成接点NE，开关管Q3的E极连接到开关管Q4的C极和电容Ce的一端，电容Ce的另一端连接到高频变压器T1初极的另一端，开关管Q4的E极连接到电源输入端N；或者由开关管Q1、Q2、Q3、Q4，电容Ce，高频变压器T1的初级组成，开关管Q1的E极连接到电源输入端L，开关管Q1的C极连接到开关管Q2的C极和高频变压器T1初级的一端，开关管Q2的E极连接到开关管Q3的E极并组成接点NE，开关管Q3的C极连接到开关管Q4的C极和电容Ce的一端，电容Ce的另一端连接到高频变压器T1初级的另一端，开关管Q4的E极连接到电源输入端N；或者由开关管Q1、Q2、Q3、Q4，电容Ce，高频变压器T1的初级组成，开关管Q1的C极连接电源输入端L，开关管Q1的E极连接开关管Q2的C极和高频变压器T1初级的一端，开关管Q2的E极连接开关管Q3的E极并组成接点NE，开关管Q3的C极连接开关管Q4的E极和电容Ce的一端，电容Ce的另一端连接高频变压器T1初级的另一端，开关管Q4的C极连接电源输入端N。

6.根据权利要求2-5任一项所述的高效电能隔离变换电路，其特征在于，隔离输出电路（2）是由高频变压器T1的次级组成隔离输出。

7.根据权利要求2-5任一项所述的高效电能隔离变换电路，其特征在于，交/直流高频驱动电路（1）的开关管Q1、Q2、Q3、Q4的控制输入端G1、G2、G3、G4经隔离耦合器连接到专用集成电路芯片对应的可编程控制输出口G1、G2、G3、G4。

8.根据权利要求1所述的高效电能隔离变换电路，其特征在于，全数字集成控制（3）是由专用集成电路芯片组成，该专用集成电路芯片由内部总控区、可编程驱动控制A、可编程驱动控制B组成，该专用集成电路芯片具有多种功能的外部接口，所述外部接口有可编程控制输出口G1、G2、G3、G4；可编程控制输出口G1’、G2’、G3’、G4’；输入保护；输出保护；输入电流保护；输出电流保护；输入电源相位信号检测；控制数据总线；控制数据读/写；读/写允许控制；以及芯片工作状态信号。

9.根据权利要求2-5任一项所述的高效电能隔离变换电路，其特征在于，开关管Q1、Q2、Q3、Q4均由IGBT绝缘栅双极型晶体管或MOSFET场效晶体管反并一二极管组成；或者，开关管Q1、Q2、Q3、Q4均由IGBT绝缘栅双极型晶体管或MOSFET场效晶体管反并一二极管组成，并且开关管Q1、Q2、Q3、Q4上分别并联多个分流开关管以实现大电流工作，所述分流开关管也由IGBT绝缘栅双极型晶体管或MOSFET场效晶体管反并一二极管组成。

10.根据权利要求2-5任一项所述的高效电能隔离变换电路，其特征在于，开关管Q1、Q2、Q3、Q4封装成一体形成开关管模块电路，以实现模块方式应用。

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