CN204205961U - 四档位可变级开关电容型ac/ac变换器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种变比从1/4至1的四档位可变级开关电容型AC/AC变换器，属于电力电子变换的技术领域。所述可变级开关电容型AC/AC变换器是一种典型的无磁性元件变换器，整个电路结构分为主电路、驱动电路和控制电路三部分。其中由电容和功率开关管组成主电路，主电路包括七个电容和依次串联的八组功率开关组，每组功率开关组包括两个源极相互串联的功率开关管；两个相邻的功率开关组串联后的两端均连接有电容；驱动电路与各个功率开关管的栅极相连接；控制电路以DSP控制芯片为核心，由DSP控制芯片和继电器等器件组成的控制电路对控制开关的开闭进行控制，实现输出电压变比由1/4至1的四档位可变级切换。本实用新型仅以电容作为储能元件，不含有磁性元件，降低了变换器的体积，具有等效内阻小、功率密度高的特点；并且具有体积小、重量轻、电源效率高等优点。本设计可以实现4个不同档位的电压输出，可以应用于其他固定档位调速的设计中。

Description

四档位可变级开关电容型AC/AC变换器

技术领域

本发明涉及了一种AC/AC变换器，是一种变比可调四档位可变级开关电容型AC/AC变换器。

背景技术

传统的交流电能变换通常采用电磁变压器，具有电气隔离、效率高、容量大等优点，但也存在体积大、音频噪声大、谐波污染等缺点。同时传统的电磁变压器满足不了电气电子设备小型化的要求。

电力电子系统集成化的关键技术之一是磁性元件(电感或变压器)的小型化和微型化，在软开关技术下提高开关频率无疑是一个十分有效的措施，这样电路中电感和变压器的体积都可以缩小，整个电路的性能都得到提升；然而，当开关频率达到400KHz-500KHz左右时，主开关与磁性元件的损耗增加，转换效率下降，电磁噪声加大，用于抑制噪声的滤波电容的体积随着增大，再提高开关频率，只能带来负面的影响，因此，通过提高开关频率的方式减小电源体积已经没有余地。

减少磁性元件的基本思路是发展无感变换器，开关电容型AC/AC变换器就是一种典型的无感变换器，它是将电容和一定数量的功率开关组合起来，电容的充放电通过对功率开关的控制实现，由电容和功率开关的组合实现许多不同变比的电路。

在非隔离的DC/DC变换领域，开关电容变换器的研究是个热点，并且提出了不同的电路拓扑结构以及等效电路模型，相应的集成芯片已经在市场上广泛应。近几年Telles B.Lazzarin等人在文献中首次提出了一种实现AC/AC变换的双桥臂开关电容变换器。随后Romero L.Andersen等人给出了一种新型的拓扑结构，将先前的双桥臂结构简化成单桥臂拓扑，设计了一台功率等级为1kW的实验样机，能够实现电压变比为1/2或2的变换，实验结果表明变换器的效率最大可达98％。在AC/AC变换领域中，基于类似的开关电容变换原理，我们提出了系列新型的电路拓扑结构，都通过实验验证了开关电容AC/AC变换器的可行性。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，深入研究开关电容型AC/AC变换器原理，本发明的目的在于提供一种变比可调的四档位可变级开关电容型AC/AC变换器，所设计的电路结构主要的电路元件是电容和功率开关组。首先通过含有芯片SG3525的驱动电路产生占空比为50％的PWM波，通过所产生的PWM波对功率开关组的开闭状态进行控制，使得相邻的功率开 关管交替的进行导通与关断。通过功率开关组的导通与关断状态的不停切换使电容进行不断地充放电，如图1中的电容C₅、C₆、C₇不停地进行充放电始终起到平衡电压的作用，使得电路结构中每个电容两端的电压均保持相同，以实现对电压的平衡和每个电容上为输入电压变比1/4的降压。通过单片机对输出电压的大小进行选择，控制芯片通过继电器开关对主电路的电容两端的电压进行选择控制，以实开关电容型AC/AC变换器的四档位变级。

本发明有以下的技术优点：1.结构简单：主电路仅由电容和功率开关管组成，电路拓扑结构简单清晰，容易搭建。2.控制容易简便：通过DSP控制芯片对输出电压的大小进行选择和控制，控制电路简单，容易搭建，单片机易于选择，程序容易编写3.本发明电路搭建成本低廉，已经在实验室得到验证，且电路的等效内阻低，电路结构的效率值高，有很好的推广和应用的前景。此外本新型电子变压器来取代传统的变压器，并且同时可以达到实现4个不同档位的电压输出，可以应用于其它固定档位调压的设计中，如学生的实验器材，确定档位的电压调速等等。综上所述，本发明结构简单，控制容易，成本低廉，容易搭建，节能环保，有很好的应用前景与社会价值。

本发明采用的技术方案是：

本发明四档位可变级开关电容型AC/AC变换器由主电路、控制电路和驱动电路组成。主电路包括七个电容和依次串联的八组功率开关组，每组功率开关组包括两个源极相互串联的功率开关管；八组功率开关组依次分别为第一功率开关组、第二功率开关组、第三功率开关组、第四功率开关组、第五功率开关组、第六功率开关组、第七功率开关组和第八功率开关组，七个电容分别为第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第五电容、第六电容和第七电容；

第一电容并联在第一功率开关组和第二功率开关组串联后的两端，第二电容并联在第三功率开关组和第四功率开关组串联后的两端，第三电容并联在第五功率开关组和第六功率开关组串联后的两端，第四电容并联在第七功率开关组和第八功率开关组串联后的两端，第五电容并联在第二功率开关组和第三功率开关组串联后的两端，第六电容并联在第四功率开关组和第五功率开关组串联后的两端，第七电容并联在第六功率开关组和第七功率开关组串联后的两端。

控制电路由有按键一、按键二、按键三、按键四、按键五分别对应控制第一档、第二档、第三档、第四档和断开档的五位输入键盘、DSP控制芯片、继电器以及控制电路中的元器件等几部分组成。

电源输入端连接在八组功率开关组依次连接后的两端，输出端由DSP控制芯片为核心的控制电路来控制选择连接在第四电容两端、第四电容和第三电容两端、第四电容和第二电容两端、第四电容和第一电容两端或断开，以此控制对输出电压的变级选择。

所述的变换器的输入端与220V的50Hz市电连接，输出端与负载电阻连接。

所述的八组功率开关组中的每个功率开关管均由驱动电路提供PWM信号进行驱动，驱动电路与各个功率开关管的栅极相连接。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：

本发明仅以电容作为储能元件，驱动信号控制功率开关管的导通与关断，从而控制电容的充放电时间，第一电容、第二电容、第三电容以及第四电容两端的电压均为输入端电压的1/4。通过具有DSP的控制芯片的控制电路来控制选择输出端的电压，通过将不同数量的电容接入输出端，以达到对输出电压的变级选择。

本发明由于不含有磁性元件，因此具有体积小、重量轻、电源效率高等优点。与此同时降低了变换器的体积与重量，提高了功率密度，等效内阻减轻。

附图说明

图1是本发明为四档位可变级开关电容型AC/AC变换器的电路拓扑图。

图2是本发明中功率开关管接收驱动的PWM信号波形图。

图1中：U_i、输入电压，R_L、负载电阻，U_o、输出电压，D、PWM信号的占空比，T_S、PWM信号周期。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示，本发明由主电路和控制电路等几部分组成。主电路包括七个电容和依次串联的八组功率开关组，每组功率开关组包括两个源极相互串联的功率开关管；八组功率开关组依次分别为第一功率开关组、第二功率开关组、第三功率开关组、第四功率开关组、第五功率开关组、第六功率开关组、第七功率开关组和第八功率开关组，七个电容分别为第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第五电容、第六电容和第七电容；第一电容并联在第一功率开关组、第二功率开关组的两端，第二电容并联在第三功率开关组、第四功率开关组的两端，第三电容并联在第五功率开关组、第六功率开关组的两端，第四电容并联在第七功率开关组、第八功率开关组的两端，第五电容并联在第二功率开关组、第三功率开关组的两端，第六电容并联在第四功率开关组、第五功率开关组的两端，第七电容并联在第六功率开关组、第七功率开关组的两端。

控制电路由有按钮一、按钮二、按钮三、按钮四、按钮五分别对应控制第一档、第二档、第三档、第四档和断开档的五位输入键盘、DSP控制芯片、继电器以及控制电路中的元器件等几部分组成。

电源输入端连接在八组功率开关组依次连接后的两端，由于第一电容、第二电容、第三电容和第四电容每个电容两端的电压均为输入端电压的1/4，所以输出端由DSP控制芯片为核心的控制电路来控制选择连接在第四电容两端、第四电容和第三电容两端、第四电容和第二电容两端、第四电容和第一电容两端或断开，以此控制对输出电压的变级选择。

所述的变换器的输入端与220V的50Hz市电连接，输出端与负载电阻R_L连接。

所述的八组功率开关组中的每个功率开关管均由驱动电路提供PWM信号进行驱动，驱动电路与各个功率开关管的栅极相连接。

如图1所示，八组功率开关组：第一功率开关组S₁包括源极相互串联的功率开关管M₁和功率开关管M₂，第二功率开关组S₂包括源极相互串联的功率开关管M₃和功率开关管M₄，第三功率开关组S₃包括源极相互串联的功率开关管M₅和功率开关管M₆，第四功率开关组S₄包括源极相互串联的功率开关管M₇和功率开关管M₈，第五功率开关组S₅包括源极相互串联的功率开关管M₉和功率开关管M₁₀，第六功率开关组S₆包括源极相互串联的功率开关管M₁₁和功率开关管M₁₂，第七功率开关组S₇包括源极相互串联的功率开关管M₁₃和功率开关管M₁₄，第八功率开关组S₈包括源极相互串联的功率开关管M₁₅和功率开关管M₁₆。

如图1所示，七个电容分别为电容C₁、电容C₂、电容C₃、电容C₄、电容C₅、电容C₆和电容C₇。

如图1所示，五个输入按键包括按键一、按键二、按键三、按键四和按键五分别对应图中的S9、S10、S11、S12和S13。

如图1所示，当DSP芯片输出控制信号后，分别通过图中的继电器组L1、继电器组L2、继电器组L3和继电器组L4来完成对输出电压的变级控制。

电容C₁并联在第一功率开关组和第二功率开关组串联后的两端，电容C₂并联在第三功率开关组和第四功率开关组串联后的两端，电容C₃并联在第五功率开关组和第六功率开关组串联后的两端，电容C₄并联在第七功率开关组和第八功率开关组串联后的两端，电容C₅并联在第二功率开关组和第三功率开关组串联后的两端，电容C₆并联在第四功率开关组和第五功率开关组串联后的两端，电容C₇并联在第六功率开关组和第七功率开关组串联后的两端。

当输入端输入电压U_i，电路中电容一、电容二、电容三和电容四每个电容两端的电压均等于输入电压U_i的1/4，并且不含有直流分量，通过DSP控制芯片的控制继电器1、继电器 2、继电器3和进电器4，得到变换后的输出电压U_o，U_o分别可以达到输入电压U_i的1/4、1/2、3/4和1，以此实现开关电容型AC/AC变换器的四档位变级切换。

电路中不含有磁性元件，仅由电容和功率开关管组成，与传统的开关电源相比，体积大大减小，重量大大减轻，提高了功率密度，等效内阻大大减轻。

电容C₅确保电容C₁和电容C₂两端的电压平衡，电容C₆确保电容C₂和电容C₃两端的电压平衡，电容C₇确保电容C₃和电容C₄两端的电压平衡。在整个电压周期中，电路中各个电容两端的电压都等于输入电压的1/4。

驱动电路提供驱动各个功率开关管的PWM信号，控制功率开关管的导通与关断，使电路工作在不同的状态。由于一般功率开关管的导通电压为15V-20V，可以首先采用诸如SG3525的集成PWM控制芯片产生PWM信号，通过简单的驱动电路将集成PWM控制芯片产生的电压放大，以达到一般功率开关管的导通电压，以达到对功率开关管导通与关闭的控制。集成PWM控制芯片产生的PWM信号如图2所示，其中PWM信号周期(即功率开关管的开关周期0设为T_s，信号占空比为D。在一个周期内，当DT_s为正半周期信号时，(1-D)为负半周期信号，两个半周期交替进行。当DT_s为PWM信号正半周期信号时，假设对功率开关组S₁、S₃、S₅、S₇进行导通控制，此时对功率开关组S₂、S₄、S₆、S₈进行关闭控制。当(1-D)T_s为正半周期信号时，假设对功率开关组S₁、S₃、S₅、S₇进行导通控制，此时对功率开关组S₂、S₄、S₆、S₈进行关闭控制。为了保证电路及电路中个电容上的电压稳定与平衡，通常采用的占空比为0.5。

因此在驱动电路提供PWM信号进行驱动的情况下，在一个开关周期中，变换器有两种具体工作状态，以输入电压正半周期为例，工作状态描述如下：

第一个状态：第一功率开关组S₁、第三功率开关组S₃、第五功率开关组S₅和第七功率开关组S₇闭合，第二功率开关组S₂、第四功率开关组S₄、第六功率开关组S₆和第八功率开关组S₈断开。

在这种状态下，电容C₅充电，电容C₆放电，电容C₇充电。首先，电容C₁和电容C₃放电，电容C₂和电容C₄充电，直到电流减小为零。电容C₁和电容C₃开始充电，电容C₂和电容C₄开始放电直到这个状态结束。在这整个状态过程中，电容C₅充电，电容C₆放电，电容C₇充电。电能由输入电压u_i传输给电路。这个状态结束时，第一功率开关组S₁、第三功率开关组S₃、第五功率开关组S₅和第七功率开关组S₇断开，第二功率开关组S₂、第四功率开关组S₄、第六功率开关组S₆和第八功率开关组S₈闭合。

第二个状态：功率开关组S₁、S₃、S₅、S₇断开，功率开关组S₂、S₄、S₆、S₈闭合。首先，电路将电能传输给输入电压u_i。在这个状态下，电容C₅放电，电容C₆充电，电容C₇放电。 电容C₁和C₃充电，电容C₂和电容C₄放电，直到电流减小为零，此时电能由输入电压u_i传输给电路。电容C₁和C₃开始放电，电容C₂和电容C₄开始充电直到这个状态结束。在这整个状态过程中，电容C₅放电，电容C₆充电，电容C₇放电。这个状态结束时，第一功率开关组S₁、第三功率开关组S₃、第五功率开关组S₅和第七功率开关组S₇闭合，第一功率开关组S₁、第三功率开关组S₃、第五功率开关组S₅和第七功率开关组S₇断开。

第二个状态结束后，新的开关周期从第一种状态开始。

在输入电压的负半周期，变换器有着相似的工作状态，只是电流的方向相反。

在整个工作状态中，各个功率开关管的工作频率均为100KHz。

控制电路以单片机为控制核心，可以采用DSP2407这样的控制芯片来完成以下的控制功能。控制电路部分由五位输入键盘、DSP控制芯片、继电器以及控制电路中的元器件等几部分组成。五位输入端作为控制信号采集的输入端，按键一、按键二、按键三、按键四、按键五分别对应控制第一档、第二档、第三档、第四档和断开档。首先将编好的程序通过电脑导入到DSP控制芯片中，由于电容一、电容二、电容三和电容四两端的电压均为输入端电压的1/4，当按下按键一时，输入信号导入到DSP控制芯片中，控制芯片输出控制信号，控制继电器1闭合，将输出电压u_o接到第四电容的两端，此时输出电压U_o为输入电压U_i的1/4，记为变级控制的第一级；当按下按键二时，输入信号导入到DSP控制芯片中，控制芯片输出控制信号，控制继电器2闭合，将输出电压U_o接到第四电容和第三电容的两端，此时输出电压U_o为输入电压U_i的1/2，记为变级控制的第二级；当按下按键三时，输入信号导入到DSP控制芯片中，控制芯片输出控制信号，控制继电器3闭合，将输出电压U_o接到第四电容和第二电容的两端，此时输出电压U_o为输入电压U_i的3/4，记为变级控制的第三级；当按下按键四时，输入信号导入到DSP控制芯片中，控制芯片输出控制信号，控制继电器4闭合，将输出电压U_o接到第四电容和第一电容的两端，此时输出电压U_o为输入电压U_i，记为变级控制的第四级；当按下按键五时，输入信号导入到DSP控制芯片中，控制芯片输出控制信号，控制继电器1、继电器2、继电器3和继电器4均断开，此时没有输出电压U_o，记为变级控制的断开状态。从而通过按键一、按键二、按键三、按键四、按键五分别对应控制第一档、第二档、第三档、第四档和断开档的选择。

综上所述，本发明仅以电容作为储能元件，驱动信号控制功率开关管的导通与关断，从而控制电容的充放电时间，通过以DSP控制芯片为核心的控制电路对输出电压的大小进行控制与选择，从而实现了开关电容型AC/AC变换器四档位可变级切换，同时降低了变换器的体积，提高了变换器的功率密度，减小了系统的等效内阻值。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.四档位可变级开关电容型AC/AC变换器，其结构特征为：整个电路由主电路、驱动电路、控制电路三部分组成；其中主电路包括七个电容和依次串联的八组功率开关组，每组功率开关组包括两个源极相互串联的功率开关管；八组功率开关组依次分别为第一功率开关组、第二功率开关组、第三功率开关组、第四功率开关组、第五功率开关组、第六功率开关组、第七功率开关组和第八功率开关组，七个电容分别为第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第五电容、第六电容和第七电容；第一电容并联在第一功率开关组和第二功率开关组串联后的两端，第二电容并联在第三功率开关组和第四功率开关组串联后的两端，第三电容并联在第五功率开关组和第六功率开关组串联后的两端，第四电容并联在第七功率开关组和第八功率开关组串联后的两端，第五电容并联在第二功率开关组和第三功率开关组串联后的两端，第六电容并联在第四功率开关组和第五功率开关组串联后的两端，第七电容并联在第六功率开关组和第七功率开关组串联后的两端；控制电路由有按键一、按键二、按键三、按键四、按键五分别对应控制第一档、第二档、第三档、第四档和断开档的五位输入键盘、DSP控制芯片、继电器以及控制电路中的元器件几部分组成。

2.根据权利要求1所述的四档位可变级开关电容型AC/AC变换器，其特征在于：电源输入端连接在八组功率开关组依次连接后的两端，输出端由DSP控制芯片为核心的控制电路来控制，可选择连接在第四电容两端、第四电容和第三电容两端、第四电容和第二电容两端、第四电容和第一电容两端或断开，以此实现输出电压的变级选择。

3.根据权利要求2所述的四档位可变级开关电容型AC/AC变换器，其特征在于：所述的变换器的输入端与220V的50Hz市电连接，输出端与负载连接，DSP控制芯片与控制电路分别由其所对应的电压源进行上电。

4.根据权利要求1所述的四档位可变级开关电容型AC/AC变换器，其特征在于：所述的八组功率开关组中的每个功率开关管均由驱动电路提供PWM信号进行驱动，驱动电路与各个功率开关管的栅极相连接。