CN204947923U - 果园监测溯源系统逆变电源的数字化功率平衡装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供的果园监测溯源系统逆变电源的数字化功率平衡装置由微控制器模块控制各路内嵌软开关子模块的BUCK电路模块工作，将外部太阳能电池或氢气燃料电池的直流输出转换成正弦半波电流；微控制器模块控制H桥变换模块将各正弦半波电流转换成正弦全波电流；输出电流采样模块采集各路内嵌软开关子模块的BUCK电路模块以及H桥变换模块的输出电流，输出电压采样模块采集H桥变换模块的输出电压，各采样值作为反馈量输入至微控制器模块中进行A/D转换，微控制器模块运用现有的PID算法和滞环控制法进行运算和控制，控制各路内嵌软开关子模块的BUCK电路模块按运算结果输出相应的电流正弦半波。具有均流精度高、转换效率高的优点。

Description

果园监测溯源系统逆变电源的数字化功率平衡装置

技术领域

本实用新型涉及开关领域，特别是涉及果园监测溯源系统逆变电源的数字化功率平衡装置。

背景技术

果园监测溯源系统用于正向追溯和反向追溯果产品，从果园、加工厂、仓库、运输、销售商到消费者这个追踪过程中，当果园发现问题时，可根据果产品的供应链流向，及时追踪到问题果产品，尽可能降低问题果产品的危害；当消费者发现果产品有问题时，消费者通过所购买果产品的追溯号码或条码信息反向查询，沿着果产品供应链的各个环节追溯问题果产品的原因。

果园监测溯源系统如果以公共电网的输入作为电源，则使用范围受限，使用新型能源如太阳能电池和氢燃料电池，则使用范围更宽。果园监测溯源系统为大功率负载，需要提供较大的功率才能正常运行，但现有的果园监测溯源系统的逆变器受限于器件工艺水平和设计难度，将太阳能电池或氢燃料电池输出的直流电逆变成交流电时产生的功率很小，不足以支持果园监测溯源系统的正常运行，需要提出一种应用于果园检测溯源系统逆变电源的、能获得较大功率输出的数字化平衡装置。现有数字化平衡装置采用并联电路的方法来提高输出功率，事实上，简单的并联电路并不能实现严格意义上的均流，存在功率不平衡的现象，不可避免地受环境影响，抗干扰能力差、系统兼容性差，甚至有可能形成环流。

实用新型内容

本实用新型提供果园监测溯源系统逆变电源的数字化功率平衡装置，解决现有功率平衡装置应用于果园监测溯源系统逆变电源时产生的功率不平衡以及环流的问题。

本实用新型通过以下技术方案解决上述问题：

果园监测溯源系统逆变电源的数字化功率平衡装置，包括微控制器模块、H桥变换模块、输出电流采样模块、输出电压采样模块以及至少2路内嵌软开关子模块的BUCK电路模块；各路内嵌软开关子模块的BUCK电路模块相互并联；

所述微控制器模块的一路输出端与各路内嵌软开关子模块的BUCK电路模块的控制端相连，所述各路内嵌软开关子模块的BUCK电路模块的输入端分别与外部太阳能电池或氢燃料电池连接，所述各路内嵌软开关子模块的BUCK电路模块的输出端与H桥变换模块的各输入端相连，所述各路内嵌软开关子模块的BUCK电路模块的输出端经输出电流采样模块与微控制器模块的一路输入端相连；所述微控制器模块的另一路输出端与H桥变换模块的控制端相连，所述H桥变换模块的输出端与外部负载相连，所述H桥变换模块的输出端经输出电流采样模块与微控制器模块的一路输入端相连，所述H桥变换模块的输出端经输出电压采样模块与微控制器模块的另一路输入端相连。

上述方案中，进一步包括BUCK电路驱动模块和H桥电路驱动模块；

所述微控制器模块的一路输出端经BUCK电路驱动模块与各路内嵌软开关子模块的BUCK电路模块的控制端相连；所述微控制器模块的另一路输出端经H桥电路驱动模块与H桥变换模块的控制端相连。

上述方案中，进一步包括辅助电源模块和基准电压模块；

所述辅助电源模块的输入端与外部太阳能电池或氢燃料电池相连，所述辅助电源模块的输出端与微控制器模块、输出电流采样模块以及输出电压采样模块的供电端相连，所述辅助电源模块的输出端与基准电压模块的输入端相连，所述基准电压模块的输出端与微控制器模块的内置A/D转换器的基准电压端相连。

上述方案中，各路内嵌软开关子模块的BUCK电路模块的电路组成和电路连接相同，均由MOS管S₁₁、MOS管S₁₂、电容C₁、电容C₂、电容C₃、电容C₄、二极管V_D1、二极管V_D2、二极管V_D3、电感L_r1、电感L_f1组成；所述电容C₁并接于外部太阳能电池或氢燃料电池的第一路输出端V_1in的正负极之间，所述电容C₁的一端与二极管V_D1的阴极相连，所述电容C₁的一端还与MOS管S₁₁的漏极相连，所述二极管V_D1的阳极与MOS管S₁₁的源极相连，所述二极管V_D1的阳极还经电感L_r1与MOS管S₁₂的漏极相连，所述MOS管S₁₂的源极经电容C₂与电容C₁的另一端相连，所述二极管V_D2并接于MOS管S₁₂的漏极和源极之间，所述二极管V_D3的阴极与MOS管S₁₂的漏极相连，二极管V_D3的阳极与电容C₁的另一端相连，二极管V_D3的阳极与电容C₃和电容C₄的一端相连，二极管V_D3的阴极经电感L_f1与电容C₃的另一端相连，电容C₃的另一端与H桥变换模块的一路输入端相连，电容C₄的另一端与H桥变换模块的另一路输入端相连；所述MOS管S₁₁、MOS管S₁₂的门极与BUCK电路驱动模块的输出端相连。

上述方案中，在所述各路内嵌软开关子模块的BUCK电路模块中分别配置有一个采样电阻，各采样电阻在与之相应的内嵌软开关子模块的BUCK电路模块中的电路连接相同，为R₁；R₁并接于电容C₄两端。

上述方案中，所述H桥变换模块由MOS管W₁、MOS管W₂、MOS管W₃和MOS管W₄组成，MOS管W₁的漏极与电容C₃的另一端相连，MOS管W₁的漏极还与MOS管W₂漏极相连，MOS管W₁的源极与MOS管W₃的漏极相连；MOS管W₂的源极与MOS管W₄的漏极相连；MOS管W₃的源极与MOS管W₄的源极相连，MOS管W₃的源极与电容C₄的另一端相连；所述MOS管W₁的源极与MOS管W₂源极之间的电压差为H桥变换模块的输出端V₀，所述H桥变换模块的输出端与外部负载相连；所述MOS管W₁、MOS管W₂、MOS管W₃和MOS管W₄的门极与H桥电路驱动模块的输出端相连。

本实用新型构建的果园监测溯源系统逆变电源的数字化功率平衡装置，主要由微控制器模块、H桥电路驱动模块、H桥变换模块、输出电流采样模块、输出电压采样模块、BUCK电路驱动模块以及至少2路内嵌软开关子模块的BUCK电路模块组成；在微控制器模块的控制下，BUCK电路驱动模块驱动各路内嵌软开关子模块的BUCK电路模块工作，将外部太阳能电池或氢气燃料电池的直流电压转换成正弦半波电流的形式，各路内嵌软开关子模块的BUCK电路模块的输出电流均经输出电流采样模块输入至微控制器模块作为反馈量；在微控制器模块的控制下，H桥电路驱动模块驱动H桥变换模块，将各路内嵌软开关子模块的BUCK电路模块输出的正弦半波电流值转换成正弦全波电流，输出电流采样模块和输出电压采样模块分别采集H桥变换模块输出端的电流和电压输入至微控制器模块作为反馈量，便于微控制器模块运用现有的PID算法运算、运用现有的滞环控制法后，进一步驱动各路内嵌软开关子模块的BUCK电路模块按运算结果输出相应的正弦半波电流。

本实用新型的优点与效果是：

1、各路内嵌软开关子模块的BUCK电路模块在硬件上相互并联，由微控制器模块控制其输出电流，以实现严格意义上的均流，并提供较大功率，避免出现功率不平衡以及环流的问题，还有利于进行功率扩容；

2、H桥变换模块将各路内嵌软开关子模块的BUCK电路模块输出的正弦半波电流转换成正弦全波电流，对H桥变换模块的输出电压和输出电流进行采样，结合各路内嵌软开关子模块的BUCK电路模块的输出采样电流进行运算和控制，使得均流更加严格，进一步减小功率不平衡以及环流现象的产生；

3、微控制器模块运用现有的PID算法计算各路内嵌软开关子模块的BUCK电路模块下一步应输出的电流，通过现有的滞环控制法实时控制均流，避免出现功率不平衡和环流现象。

附图说明

图1为本实用新型的原理框图。

图2为本实用新型中各路内嵌软开关子模块的BUCK电路模块和H桥变换模块的电路连接图。

具体实施方式

以下结合实施例对本实用新型作进一步说明，但本实用新型并不局限于这些实施例。

果园监测溯源系统逆变电源的数字化功率平衡装置，由微控制器模块、H桥电路驱动模块、H桥变换模块、输出电流采样模块、输出电压采样模块、辅助电源模块、基准电压模块、BUCK电路驱动模块以及至少2路内嵌软开关子模块的BUCK电路模块组成，参见图1。

微控制器模块的一路输出端经BUCK电路驱动模块与各路内嵌软开关子模块的BUCK电路模块的控制端相连，各路内嵌软开关子模块的BUCK电路模块的输入端分别与外部太阳能电池或氢燃料电池连接，各路内嵌软开关子模块的BUCK电路模块的输出端与H桥变换模块的各输入端相连，各路内嵌软开关子模块的BUCK电路模块的输出端经输出电流采样模块与微控制器模块的一路输入端相连。

各路内嵌软开关子模块的BUCK电路模块的输入端为V_1in、V_2in至V_Nin(N≥2)，V_1in、V_2in至V_Nin(N≥2)的电压来自同一个外部太阳能电池或氢燃料电池，或者分别来自不同的外部太阳能电池或氢燃料电池。

BUCK电路驱动模块用于将微控制器模块输出的PWM信号进行隔离输出，微控制器模块的PWM信号幅值为3.3V，隔离输出后转换成幅值18V的PWM信号，用于驱动各路内嵌软开关子模块的BUCK电路模块中的各MOS管，提升PWM信号的带负载能力。每路内嵌软开关子模块的BUCK电路模块分别包含两个MOS管，每个MOS管的门极均由PWM信号驱动。BUCK电路驱动模块优选采用高速光耦合器件TLP250，其输出端电压范围是10V-35V，特别适合用于功率IGBT和MOS管的隔离驱动。

各路内嵌软开关子模块的BUCK电路模块相互并联以提高输出功率，用于分流外部太阳能电池或氢燃料电池的直流输出，在微控制器模块的控制下输出正弦半波电流至H桥变换模块。在各路内嵌软开关子模块的BUCK电路模块中内嵌软开关子模块，使得各MOS管实现零电流导通和关断，降低电路的内部损耗，提高电路转换率。

各路内嵌软开关子模块的BUCK电路模块的电路组成和电路连接相同，其中，第一路内嵌软开关子模块的BUCK电路模块的电路组成和电路连接参见图2，描述如下：

由MOS管S₁₁、MOS管S₁₂、电容C₁、电容C₂、电容C₃、电容C₄、二极管V_D1、二极管V_D2、二极管V_D3、电感L_r1、电感L_f1组成；电容C₁并接于外部太阳能电池或氢燃料电池的第一路输出端V_1in的正负极之间，电容C₁的一端与二极管V_D1的阴极相连，电容C₁的一端还与MOS管S₁₁的漏极相连，二极管V_D1的阳极与MOS管S₁₁的源极相连，二极管V_D1的阳极还经电感L_r1与MOS管S₁₂的漏极相连，MOS管S₁₂的源极经电容C₂与电容C₁的另一端相连，二极管V_D2并接于MOS管S₁₂的漏极和源极之间，二极管V_D3的阴极与MOS管S₁₂的漏极相连，二极管V_D3的阳极与电容C₁的另一端相连，二极管V_D3的阳极与电容C₃和电容C₄的一端相连，二极管V_D3的阴极经电感L_f1与电容C₃的另一端相连，电容C₃的另一端与H桥变换模块的一路输入端相连，电容C₄的另一端与H桥变换模块的另一路输入端相连；MOS管S₁₁、MOS管S₁₂的门极与BUCK电路驱动模块的输出端相连。

微控制器模块的另一路输出端经H桥电路驱动模块与H桥变换模块的控制端相连，H桥变换模块的输出端与外部负载相连，H桥变换模块的输出端经输出电流采样模块与微控制器模块的一路输入端相连，H桥变换模块的输出端经输出电压采样模块与微控制器模块的另一路输入端相连。

H桥电路驱动模块用于提升微控制器模块输出的PWM信号的带负载能力，将微控制器模块输出的PWM信号进行隔离输出，微控制器模块的PWM信号幅值为3.3V，隔离输出后转换成幅值18V的PWM信号，用于驱动H桥电路驱动模块中各MOS管。H桥变换模块由4个MOS管组成，各MOS管的门极由H桥电路驱动模块的4个PWM输出信号控制，4个PWM输出信号由两组互补堆成的PWM输出信号组成，用于控制对角的两个MOS管同时导通或关断，两组对角的MOS管交替地导通或关断，交替周期为与内嵌软开关子模块的BUCK电路模块输出正弦半波电流的周期相同。H桥变换模块的高端MOS管需要自举才能驱动，因此H桥电路驱动模块优选适用于自举驱动高端MOS管的芯片IRS2112S。

H桥变换模块的主要功能是将输入的正弦半波电流翻转正弦全波电流。H桥变换模块由MOS管W₁、MOS管W₂、MOS管W₃和MOS管W₄组成，MOS管W₁的漏极与电容C₃的另一端相连，MOS管W₁的漏极还与MOS管W₂漏极相连，MOS管W₁的源极与MOS管W₃的漏极相连；MOS管W₂的源极与MOS管W₄的漏极相连；MOS管W₃的源极与MOS管W₄的源极相连，MOS管W₃的源极与电容C₄的另一端相连；MOS管W₁的源极与MOS管W₂源极之间的电压差为H桥变换模块的输出端V₀，H桥变换模块的输出端与外部负载相连；MOS管W₁、MOS管W₂、MOS管W₃和MOS管W₄的门极与H桥电路驱动模块的输出端相连。MOS管W₁、MOS管W₄导通时MOS管W₂、MOS管W₃关断，MOS管W₁、MOS管W₄关断时MOS管W₂、MOS管W₃导通，两种工作方式交替进行。

输出电流采样模块用于采样各路内嵌软开关子模块的BUCK电路模块的输出电流以及H桥变换模块的输出电流，电流采样值输入至微控制器模块，作为反馈量。各路内嵌软开关子模块的BUCK电路模块以及H桥变换模块的电流采样部分均分别配置一个康铜采样电阻和一个运算放大器，电流流经康铜采样电阻时，两端形成电压差，通过运算放大器将该电压差放大至0-3V后，输入至微控制器模块进行模数转换，以及相关的运算和控制。在各路内嵌软开关子模块的BUCK电路模块中，分别对应配置有一个康铜采样电阻，各康铜采样电阻在与之对应的内嵌软开关子模块的BUCK电路模块中的电路连接相同，第一路内嵌软开关子模块的BUCK电路模块的康铜采样电阻为R1，R₁并接于电容C₄两端。

输出电压采样模块用于采样H桥变换模块的输出电压，由一对精密电阻和一个运算放大器组成，运算放大器的放大系数小于1，该对精密电阻对H桥变换模块的输出电压Vo进行分压，分得的电压再经由运算放大器衰减至0V到3.0V，输入至微控制器模块内置的A/D转换器进行A/D转换，得到数字量作为微控制模块运算和控制的输入参数。

辅助电源模块的输入端与外部太阳能电池或氢燃料电池相连，辅助电源模块的输出端与微控制器模块、输出电流采样模块以及输出电压采样模块的供电端相连，辅助电源模块的输出端与基准电压模块的输入端相连，基准电压模块的输出端与微控制器模块的内置A/D转换器的基准电压端相连。外部太阳能电池或为辅助电源模块提供所需电压，辅助电源模块采用降压型LM2576芯片，该降压型LM2576芯片具有输入电压范围大、电路结构简单、转换效率高的特点。本实用新型中辅助电源模块输出+5V至微控制器模块、输出电流采样模块以及输出电压采样模块，输出+5V至基准电压模块，基准电压模块输出标准的3.0V，为微控制器模块内置的A/D转换器提供基准电压，以提高A/D采样精度，其中，基准电压源模块采用REF3030芯片。

微控制器模块由高速ARM处理器、晶振电路及复位电路组成，用于实现A/D模数转换、结合现有的PID算法进行各路内嵌软开关子模块的BUCK电路模块间的均流计算、结合现有的滞环控制法控制各路内嵌软开关子模块的BUCK电路模块按运算结果输出相应的正弦半波电流。本实用新型中，微控制器模块运用PID算法，对各路内嵌软开关子模块的BUCK电路模块进行严格均流，严格的均流解决了功率不平衡和环流的问题，其实现方法为：

输出电流采样模块采集H桥变换模块的输出电流i_load，检测器有效电流值I_load，并根据内嵌软开关子模块的BUCK电路模块的数量将电流I_load均分；运用现有的PID算法运算出内嵌软开关子模块的BUCK电路模块应输出的电流正弦半波值；以各路内嵌软开关子模块的BUCK电路模块的输出电流为反馈量，微控制器模块运用现有的滞环控制法通过内部定时器输出PWM信号，PWM信号经BUCK电路驱动模块隔离输出后控制各路内嵌软开关子模块的BUCK电路模块输出相应的正弦半波电流值。

本实用新型的工作过程为：微控制器模块发出PWM信号经BUCK电路驱动模块隔离输出后，驱动各路内嵌软开关子模块的BUCK电路模块工作，将外部太阳能电池或氢气燃料电池的直流输出转换成正弦半波电流；微控制器模块发出PWM信号经H桥电路驱动模块隔离输出后，驱动H桥变换模块将各正弦半波电流转换成正弦全波电流；输出电流采样模块采集各路内嵌软开关子模块的BUCK电路模块以及H桥变换模块的输出电流，输出电压采样模块采集H桥变换模块的输出电压，各采样值作为反馈量输入至微控制器模块中进行A/D转换，微控制器模块运用现有的PID算法和滞环控制法进行运算和控制，控制各路内嵌软开关子模块的BUCK电路模块按运算结果输出相应的电流正弦半波。

Claims (6)

1.果园监测溯源系统逆变电源的数字化功率平衡装置，其特征在于：

包括微控制器模块、H桥变换模块、输出电流采样模块、输出电压采样模块以及至少2路内嵌软开关子模块的BUCK电路模块；各路内嵌软开关子模块的BUCK电路模块相互并联；

所述微控制器模块的一路输出端与各路内嵌软开关子模块的BUCK电路模块的控制端相连，所述各路内嵌软开关子模块的BUCK电路模块的输入端分别与外部太阳能电池或氢燃料电池连接，所述各路内嵌软开关子模块的BUCK电路模块的输出端与H桥变换模块的各输入端相连，所述各路内嵌软开关子模块的BUCK电路模块的输出端经输出电流采样模块与微控制器模块的一路输入端相连；所述微控制器模块的另一路输出端与H桥变换模块的控制端相连，所述H桥变换模块的输出端与外部负载相连，所述H桥变换模块的输出端经输出电流采样模块与微控制器模块的一路输入端相连，所述H桥变换模块的输出端经输出电压采样模块与微控制器模块的另一路输入端相连。

2.根据权利要求1所述的果园监测溯源系统逆变电源的数字化功率平衡装置，其特征在于：

进一步包括BUCK电路驱动模块和H桥电路驱动模块；

所述微控制器模块的一路输出端经BUCK电路驱动模块与各路内嵌软开关子模块的BUCK电路模块的控制端相连；所述微控制器模块的另一路输出端经H桥电路驱动模块与H桥变换模块的控制端相连。

3.根据权利要求1所述的果园监测溯源系统逆变电源的数字化功率平衡装置，其特征在于：

进一步包括辅助电源模块和基准电压模块；

所述辅助电源模块的输入端与外部太阳能电池或氢燃料电池相连，所述辅助电源模块的输出端与微控制器模块、输出电流采样模块以及输出电压采样模块的供电端相连，所述辅助电源模块的输出端与基准电压模块的输入端相连，所述基准电压模块的输出端与微控制器模块的内置A/D转换器的基准电压端相连。

4.根据权利要求2所述的果园监测溯源系统逆变电源的数字化功率平衡装置，其特征在于：

各路内嵌软开关子模块的BUCK电路模块的电路组成和电路连接相同，均由MOS管S₁₁、MOS管S₁₂、电容C₁、电容C₂、电容C₃、电容C₄、二极管V_D1、二极管V_D2、二极管V_D3、电感L_r1、电感L_f1组成；所述电容C₁并接于外部太阳能电池或氢燃料电池的第一路输出端V_1in的正负极之间，所述电容C₁的一端与二极管V_D1的阴极相连，所述电容C₁的一端还与MOS管S₁₁的漏极相连，所述二极管V_D1的阳极与MOS管S₁₁的源极相连，所述二极管V_D1的阳极还经电感L_r1与MOS管S₁₂的漏极相连，所述MOS管S₁₂的源极经电容C₂与电容C₁的另一端相连，所述二极管V_D2并接于MOS管S₁₂的漏极和源极之间，所述二极管V_D3的阴极与MOS管S₁₂的漏极相连，二极管V_D3的阳极与电容C₁的另一端相连，二极管V_D3的阳极与电容C₃和电容C₄的一端相连，二极管V_D3的阴极经电感L_f1与电容C₃的另一端相连，电容C₃的另一端与H桥变换模块的一路输入端相连，电容C₄的另一端与H桥变换模块的另一路输入端相连；所述MOS管S₁₁、MOS管S₁₂的门极与BUCK电路驱动模块的输出端相连。

5.根据权利要求4所述的果园监测溯源系统逆变电源的数字化功率平衡装置，其特征在于：

在所述各路内嵌软开关子模块的BUCK电路模块中分别配置有一个采样电阻，各采样电阻在与之相应的内嵌软开关子模块的BUCK电路模块中的电路连接相同，为R₁；R₁并接于电容C₄两端。

6.根据权利要求4所述的果园监测溯源系统逆变电源的数字化功率平衡装置，其特征在于：

所述H桥变换模块由MOS管W₁、MOS管W₂、MOS管W₃和MOS管W₄组成，MOS管W₁的漏极与电容C₃的另一端相连，MOS管W₁的漏极还与MOS管W₂漏极相连，MOS管W₁的源极与MOS管W₃的漏极相连；MOS管W₂的源极与MOS管W₄的漏极相连；MOS管W₃的源极与MOS管W₄的源极相连，MOS管W₃的源极与电容C₄的另一端相连；所述MOS管W₁的源极与MOS管W₂源极之间的电压差为H桥变换模块的输出端V₀，所述H桥变换模块的输出端与外部负载相连；所述MOS管W₁、MOS管W₂、MOS管W₃和MOS管W₄的门极与H桥电路驱动模块的输出端相连。