CN204794709U - 一种变压电路、空调升压系统以及太阳能空调 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及电力的变电领域，公开了一种变压电路、空调升压系统以及太阳能空调。该变压电路包括电压输入端、电压输出端；功率变换传输单元，包括第一场效应管、第二场效应管、第一电容、第二电容、以及变压器，第一场效应管的漏极与第一输入端子及第一电容的第一端相连，第一场效应管的源极与第二场效应管的漏极以及初级线圈的第一端相连，第二场效应管的源极与第二输入端子以及第二电容的第二端相连，初级线圈的第二端与第一电容的第二端以及第二电容的第一端相连；功率从初级线圈传递至次级线圈以通过电压输出端输出。该变压电路可实现软开关控制，降低开关管的成本和损耗以及开关管的导通和关断功率消耗。

Description

一种变压电路、空调升压系统以及太阳能空调

技术领域

本实用新型涉及电力的变电领域，具体地，涉及一种变压电路、一种空调升压系统以及一种太阳能空调。

背景技术

传统的推挽电路常被用于由诸如太阳能供电的电力设备的变压系统。图1示出了一种传统推挽电路的电路图。这种推挽电路存在以下缺陷：

(1)电路中的开关管Q1和Q2的电压应力是C1两端电压的两倍，再考虑如图中变压器T1漏感带来的电压尖峰，因此对开关管Q1和Q2的要求很高，例如，当DC两端的输入电压在250V左右时，图1中的开关管Q1和Q2至少要采用900V的器件，使得器件成本很高、使用寿命短；

(2)开关管Q1、Q2两端的电压较高，并且该电路是硬开关，在开通时开关管的电流上升和电压下降同时进行；在关断时开关管的电压上升和电流下降同时进行，因此将产生很大的开关损耗，严重影响了整个电力系统的能量效率。

为了改善上述情况，专利申请文件公开了一种采用如图2所示的双管正激电路以实现太阳能空调应用中的升压，但是由于双管正激电路里的变压器是单向磁化，所以只适合400W以下的功率输出，并且由于双管正激电路的频率低，对其副边的滤波电感和滤波电容的要求较高，导致副边滤波电感和滤波电容的体积大、成本高。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种电路，该电路能大大降低变压设备的开关损耗，还可降低对如开关管管、滤波电容等电子器件的要求并延长相应电子器件的使用寿命。

为了实现上述目的，本实用新型提供了一种变压电路，该变压电路包括：电压输入端，包括第一输入端子和第二输入端子；电压输出端，包括第一输出端子和第二输出端子；功率变换传输单元，包括第一场效应管、第二场效应管、第一电容、第二电容、以及包括初级线圈和次级线圈的变压器，其中所述第一场效应管的漏极与所述第一输入端子及所述第一电容的第一端相连，所述第一场效应管的源极与所述第二场效应管的漏极以及所述初级线圈的第一端相连，所述第二场效应管的源极与所述第二输入端子以及所述第二电容的第二端相连，所述初级线圈的第二端与所述第一电容的第二端以及所述第二电容的第一端相连；功率从所述初级线圈传递至所述次级线圈以通过所述电压输出端输出。

优选地，所述第一场效应管和所述第二场效应管均为N沟道增强型场效应管。

优选地，所述变压电路包括整流电路，所述整流电路对所述次级线圈输出的电信号进行整流以生成PWM波形。

优选地，所述变压器的所述次级线圈包括彼此磁耦合的第一次级线圈和第二次级线圈；所述整流电路包括第一二极管和第二二极管；其中，所述第一次级线圈的第一端以及所述第二次级线圈的第一端是所述初级线圈的第一端的同名端，所述第一二极管的正极与所述第一次级线圈的第一端相连，所述第二二极管的正极与所述第二次级线圈的第二端相连，所述第一二极管的负极和所述第二二极管的负极与所述第一输出端子相连，所述第一次级线圈的第二端和所述第二次级线圈的第一端与所述第二输出端子相连。

优选地，所述变压电路还包括滤波电路，所述滤波电路对整流后的电信号进行滤波以生成平滑的直流电压。

优选地，所述滤波电路包括第三电容，所述第三电容的两端跨接在所述第一输出端子和所述第二输出端子之间。

优选地，该变压电路包括彼此并联在所述第一输入端子和所述第二输入端子之间的至少两个所述功率变换传输电路。

优选地，所述变压电路包括彼此并联在所述第一输出端子和所述第二输出端子之间的至少两个整流电路，所述至少两个整流电路与所述至少两个所述功率变换传输电路一一对应，每个所述整流电路对对应的所述功率变化传输电路中的所述次级线圈输出的电信号进行整流以生成PWM波形。

优选地，所述变压电路还包括驱动电路，所述驱动电路为各个所述场效应管提供交错导通的栅极驱动信号。

优选地，所述驱动电路的正电源端子经由输入过欠压检测电路与所述第一输入端子连接，所述驱动电路的负电源端子经由反馈补偿电路与所述第二输入端子连接。

优选地，所述输入过欠压检测电路包括第一电阻，所述第一电阻跨接在所述第一输入端子和所述驱动电路的所述正电源端子之间，和/或所述反馈补偿电路包括串联的第二电阻和第四电容，所述串联的第二电阻和第四电容连接在所述驱动电路的所述负电源端子和所述第二输入端子之间。

优选地，所述变压电路还包括输出采样反馈电路，所述输出采样反馈电路从所述变压电路的所述电压输出端采样输出电压作为反馈信号并将所述反馈信号反馈至所述驱动电路，以对所述输出电压进行稳压控制。

优选地，所述输出采样反馈电路包括串联的第三电阻和第四电阻，所述串联的第三电阻和第四电阻跨接在所述第一输出端子和所述第二输出端子之间，所述反馈信号为所述第三电阻和所述第四电阻间的抽头信号。

本实用新型还公开了一种空调升压系统，该空调升压系统采用如上所述的变压电路。

本实用新型还公开了一种太阳能空调，该太阳能空调采用如上所述的变压电路或采用如上所述的空调升压系统。

通过上述技术方案，可通过串联谐振电路来实现变压器的软开关控制，应用本实用新型还可降低变压设备的开关损耗、提高能量转换效率并降低器件损耗和对器件的要求。

本实用新型的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本实用新型，但并不构成对本实用新型的限制。贯穿整个说明书附图，相同的附图标记用于表示相同或相似的部件。在附图中：

图1示出了一种推挽升压电路。

图2示出了一种双管正极电路。

图3示出了根据本实用新型的优选实施方式的变压电路的电路图；

图4示出了根据本实用新型的另一优选实施方式的变压电路的电路图；

图5是应用本实用新型的太阳能空调的空调升压系统示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限制本实用新型。

图3是根据本实用新型的优选实施方式的变压电路的电路图。如图所示，该变压电路由电压输入端子101和102供电(Vin)，并通过电压输出端子103和104向外提供电信号(Vout)。该变压电路的主要部分为功率变换传输单元，该功率变换传输单元包括开关管Q1、Q2、电容C1、C2以及变压器T1。

如图所示，开关管Q1、Q2、电容C1、C2以及变压器T1的初级线圈构成一个串联的半桥电路。开关管Q1的漏极与电压输入端子101及电容C1的第一端相连，开关管Q1的源极与开关管Q2的漏极以及初级线圈的第一端相连，Q2的源极与电压输入端子102以及电容C2的第二端相连，初级线圈的第二端与电容C1的第二端以及电容C2的第一端相连。

图3所示电路的基本原理是在开关管导通和关断的过程中引入谐振，从而使得在开关管的导通过程中，其两端的电压先下降到零，流过的电流再开始上升；在开关管关断过程中，流过的电流先下降到零，其两端的电压再开始上升，从而可实现软开关，大大降低开关损耗。可以看出，在理想状态下，导通和关断损耗为零。将结合图3对此进行详细介绍。图3中的开关管Q1可等效为并联的体二极管Dd1和结电容Coss1，开关管Q2可等效为并联的体二极管Dd2和结电容Coss2。当驱动信号GA为低电平(即非导通电平)时，开关管Q1关断，输入电压Vin对开关管Q1的结电容Coss1充电，同时开关管Q2的结电容Coss2放电，因此开关管Q1关断时其上的电压是慢慢建立起来的，和电流没有交叠部分，也就开关管Q1没有关断损耗，而同时由于开关管Q2的结电容Coss2在慢慢放电，当Coss2上的电荷放到零时，电流流过开关管Q2的体二极管Dd2，此时使GB为高电平(即导通电平)，即可实现开关管Q2的零电压导通，也就是开关管Q2没有导通损耗。同理，在下半个周期，零电流关断Q2，同时零电压导通Q1。

在工作过程中，当开关管Q1的栅极电压GA达到导通电压时，开关管Q1导通，电压输入端子101、102与开关管Q1和电容C2构成导通回路，输入电压Vin通过开关管Q1和电容C2施加至初级线圈两端，电流从初级线圈的a端流向b端，功率从原边传递到副边；当开关管Q2的栅极电压GB达到导通电压时，开关管Q2导通，电压输入端子101、102与电容C1和开关管Q2构成导通回路，输入电压Vin通过电容C1和开关管Q2施加至初级线圈两端，电流从初级线圈的b端流向c端，功率从原边传递到副边。同时，关断的开关管Q1和开关管Q2上的电压应力被钳位在输入电压(DC1)，从而开关管Q1和Q2的电压应力很低。

优选地，开关管Q1和Q2可以是N沟道增强型场效应管。

优选地，为了得到PWM(脉冲宽度调制)波形，可对次级线圈输出的电信号进行整流。如图所示，整流电路可包括二极管D1和D2，而次级线圈可包括彼此磁耦合的第一次级线圈和第二次级线圈，第一次级线圈的第一端和第二次级线圈的第一端是初级线圈的a端的同名端，二极管D1的正极与第一次级线圈的第一端相连，二极管D2的正极与第二次级线圈的第二端相连，二极管D1的负极和二极管D2的负极与电压输出端子103相连，第一次级线圈的第二端和第二次级线圈的第一端与电压输出端子104相连。当电流从初级线圈的a端流向b端时，D1导通，电压输出端子103和104间可得到脉冲信号；当电流从初级线圈的b端流向a端时，D2导通，电压输出端子103和104间可得到脉冲信号。由于图3中变压器T1的次级线圈直接被钳位在输出电压，而使变压器原边产生谐振，整个电路实现软开关，所以二极管D1和D2两端的电压应力也很小，可降低对二极管的要求并延长其使用寿命。

优选地，可对整流输出的PWM波形进行滤波，以得到平滑的直流信号。图3所示电路中的滤波电路可以和传统推挽电路或双管正激电路的不一样，可不需要滤波电感，将滤波电容C3跨接在电压输出端子103和104间即可实现平滑滤波。

优选地，该变压电路可包括为开关管Q1和Q2提供栅极驱动信号GA和GB的驱动电路105。驱动电路105可为开关管Q1和Q2提供交错导通的栅极驱动信号GA和GB。例如，GA和GB可错相180°。

优选地，驱动电路105的正电源端子可经由输入过欠压检测电路与电压输入端子101连接。该输入过欠压检测电路可包括电阻R1，R1的两端可跨接在电压输入端子101和驱动电路105的正电源端子之间。

优选地，驱动电路105的负电源端子可经由反馈补偿电路与电压输入端子102连接。该反馈补偿电路可包括串联的电阻R2和电容C4，串联的电阻R2和电容C4的两端可连接在驱动电路105的负电源端子和电压输入端子102之间。电阻R2和电容C4的连接顺序可交换。

优选地，还可从电压输出端采样输出电压Vout作为反馈信号FB，该反馈信号可被反馈至驱动电路105以对输出电压Vout进行稳压控制。输出采样反馈电路可包括串联的电阻R3和R4。串联的电阻R3和R4可跨接在电压输出端子103和104之间，可将电阻R3和R4之间的抽头信号作为反馈信号反馈至驱动电路105。

如图3所示，电压输入电子102可连接至原边地，电压输出端子104可连接至副边地。

图4示出了根据本实用新型的另一优选实施方式的变压电路的电路图，此外，图4中还示出了可用于为该变压电路提供可靠的直流电压信号的输入滤波电路。该输入滤波电路可包括压敏电阻VDR、共模电感L1、储能电容C5和具有负温度系数的电阻NTC，该输出滤波单元可滤除输入信号DC中的干扰、浪涌和噪声。图4中的驱动电路105、滤波电路等的连接方式与图3所示的电路图类似。

如图4所示，该变压电路包括两个功率变换传输电路以及相应的两个整流电路，两个功率变换传输电路彼此并联在电压输入端子101和102(即电容C5两端)之间；该变压电路的副边彼此并联在电压输出端子103和104之间。图中两个功率变换传输电路采用了相同的连接方式，两个整流电路也采用了相同的连接方式。驱动电路为四个开关管Q1、Q2、Q3和Q4提供交错导通的栅极驱动信号GA、GB、GC和GD。优选地，栅极驱动信号GA、GB、GC和GD可错相90°。

该电路可进一步改善变压电路的性能：

(1)通过更多的错相导通信号能在开关管频率保持不变的情况下进一步提高变压器的次级线圈的振荡频率，进一步减小副边滤波电容C3的体积和成本；

(2)在单个串联谐振半桥电路(例如图3所示)中，输出电压Vout和输入电压Vin的关系为：Vout＝(Vin*D)/2n，其中n是变压器的匝比，D为栅极驱动信号的占空比，而在图4所示的情况下，Vout和Vin的关系变为：Vout＝(Vin*D)/n，这意味着Vin相同时，获得相同Vout所需的初级线圈的匝数可减少至一半，导致初级线圈的直流电阻减半，大大降低了变压器的损耗和温升；

(3)并联交错导通技术的使用可大大降低每路功率器件(包括Q1～Q4、D1～D4)的损耗，能极大的改善电路的热分布。

(4)串联谐振半桥电路的最大缺点是输出电解电容的纹波电流偏大，通过采用并联交错导通技术可大大降低(降低至原来的20％以内)电解电容的纹波电流。

图4中虽然示出了两路串联谐振半桥电路并联的情况，但本领域技术人员应该理解的是，该变压电路可采用三路、四路或更多路串联谐振半桥电路并联。

图5是应用本实用新型的太阳能空调的空调升压系统示意图。该空调升压系统中的空调升压电路506采用如上所述的变压电路。

在中小功率的太阳能应用场合，特别是1000W左右的车载太阳能空调场合，为了提高光伏电池501的利用率、减少安装线缆带来的损耗，通常会采用多个光伏电池501串联的方式。光伏电池501的输出经过电压电流采样点502采样后为太阳能充电电路503充电。太阳能充电电路503的输出信号再次经过电压电流采样点502，其中一部分提供给蓄电池505，另一部分通过开关504和电压电流采样点502提供给空调升压系统506。单个光伏电池501的电压通常在20V～55V之间，因此对于这种光伏电池501串联使用的场合，空调升压系统506的输入电压一般在100V～250V之间。空调升压系统506将输入功率升压至某一电压，该电压再经过电压电流采样点502后被提供给直流空调507。

应当理解的是，虽然本实用新型非常适合于车载太阳能空调应用场合，但并不局限于该应用。

以上结合附图详细描述了本实用新型的优选实施方式，但是，本实用新型并不限于上述实施方式中的具体细节，在本实用新型的技术构思范围内，可以对本实用新型的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本实用新型的保护范围。另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合为了避免不必要的重复，本实用新型对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本实用新型的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本实用新型的思想，其同样应当视为本实用新型所公开的内容。

Claims (15)

1.一种变压电路，其特征在于，该变压电路包括：

电压输入端，包括第一输入端子和第二输入端子；

电压输出端，包括第一输出端子和第二输出端子；

功率变换传输单元，包括第一场效应管、第二场效应管、第一电容、第二电容、以及包括初级线圈和次级线圈的变压器，其中

所述第一场效应管的漏极与所述第一输入端子及所述第一电容的第一端相连，所述第一场效应管的源极与所述第二场效应管的漏极以及所述初级线圈的第一端相连，所述第二场效应管的源极与所述第二输入端子以及所述第二电容的第二端相连，所述初级线圈的第二端与所述第一电容的第二端以及所述第二电容的第一端相连；

功率从所述初级线圈传递至所述次级线圈以通过所述电压输出端输出。

2.根据权利要求1所述的变压电路，其特征在于，所述第一场效应管和所述第二场效应管均为N沟道增强型场效应管。

3.根据权利要求1所述的变压电路，其特征在于，所述变压电路包括整流电路，所述整流电路对所述次级线圈输出的电信号进行整流以生成PWM波形。

4.根据权利要求3所述的变压电路，其特征在于，

所述变压器的所述次级线圈包括彼此磁耦合的第一次级线圈和第二次级线圈；

所述整流电路包括第一二极管和第二二极管；

其中，所述第一次级线圈的第一端以及所述第二次级线圈的第一端是所述初级线圈的第一端的同名端，所述第一二极管的正极与所述第一次级线圈的第一端相连，所述第二二极管的正极与所述第二次级线圈的第二端相连，所述第一二极管的负极和所述第二二极管的负极与所述第一输出端子相连，所述第一次级线圈的第二端和所述第二次级线圈的第一端与所述第二输出端子相连。

5.根据权利要求3所述的变压电路，其特征在于，所述变压电路还包括滤波电路，所述滤波电路对整流后的电信号进行滤波以生成平滑的直流电压。

6.根据权利要求5所述的变压电路，其特征在于，所述滤波电路包括第三电容，所述第三电容的两端跨接在所述第一输出端子和所述第二输出端子之间。

7.根据权利要求1所述的变压电路，其特征在于，该变压电路包括彼此并联在所述第一输入端子和所述第二输入端子之间的至少两个所述功率变换传输电路。

8.根据权利要求7所述的变压电路，其特征在于，所述变压电路包括彼此并联在所述第一输出端子和所述第二输出端子之间的至少两个整流电路，所述至少两个整流电路与所述至少两个所述功率变换传输电路一一对应，每个所述整流电路对对应的所述功率变化传输电路中的所述次级线圈输出的电信号进行整流以生成PWM波形。

9.根据权利要求1-8中任一项权利要求所述的变压电路，其特征在于，所述变压电路还包括驱动电路，所述驱动电路为各个所述场效应管提供交错导通的栅极驱动信号。

10.根据权利要求9所述的变压电路，其特征在于，所述驱动电路的正电源端子经由输入过欠压检测电路与所述第一输入端子连接，所述驱动电路的负电源端子经由反馈补偿电路与所述第二输入端子连接。

11.根据权利要求10所述的变压电路，其特征在于，所述输入过欠压检测电路包括第一电阻，所述第一电阻跨接在所述第一输入端子和所述驱动电路的所述正电源端子之间，和/或所述反馈补偿电路包括串联的第二电阻和第四电容，所述串联的第二电阻和第四电容连接在所述驱动电路的所述负电源端子和所述第二输入端子之间。

12.根据权利要求9所述的变压电路，其特征在于，所述变压电路还包括输出采样反馈电路，所述输出采样反馈电路从所述变压电路的所述电压输出端采样输出电压作为反馈信号并将所述反馈信号反馈至所述驱动电路，以对所述输出电压进行稳压控制。

13.根据权利要求12所述的变压电路，其特征在于，所述输出采样反馈电路包括串联的第三电阻和第四电阻，所述串联的第三电阻和第四电阻跨接在所述第一输出端子和所述第二输出端子之间，所述反馈信号为所述第三电阻和所述第四电阻间的抽头信号。

14.一种空调升压系统，其特征在于，该空调升压系统采用如权利要求1-13中任一项所述的变压电路。

15.一种太阳能空调，其特征在于，该太阳能空调采用如权利要求1-13中任一项所述的变压电路或采用如权利要求14所述的空调升压系统。