CN208257669U - 一种正弦波智能升压转换装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种正弦波智能升压转换装置，其包括有：高频调制单元，包括有储能电感和第一开关管，储能电感的前端连接于输入整流单元的输出端，储能电感的后端连接于第一开关管的漏极和续流二极管的正极，第一开关管的源极接地，第一开关管的栅极用于接入PWM脉冲信号；电感滤波单元，包括有滤波电感，滤波电感的前端连接于续流管的负极，滤波电感的后端连接于逆变倒相单元；一逆变倒相单元；一滤波控制单元，包括有电解电容和第二开关管，电解电容的正极连接于输入整流单元的输出端，所述电解电容的负极连接于第二开关管的漏极，第二开关管的源极基地。本发明升压转换效果好、可避免对负载造成伤害、便于携带并且能避免对电网造成干扰。

Description

一种正弦波智能升压转换装置

技术领域

本实用新型涉及电压转换器，尤其涉及一种正弦波智能升压转换装置。

背景技术

正弦波升压转换装置又被称为升压旅行排插，是一种正弦波AC/AC变换器，可以在AC/AC变换中实现升压并稳定电压与频率的功能。目前AC/AC 便隽式设备市场大多数为修正波输出，升压电路都先整成直流，再BOOST 升压，最后再进行逆变。但是这种升压转换装置输出的电压大多为修正波，对电器设备的伤害较大。此外，现有的升压转换装置PF值太低，容易对电网产生干扰。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题在于，针对现有技术的不足，提供一种升压转换效果好、可避免对负载造成伤害、并且能避免对电网造成干扰的正弦波智能升压转换装置。

为解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案。

一种正弦波智能升压转换装置，其包括有：一输入整流单元，用于接入市电交流电，并对市电交流电进行整流；一高频调制单元，包括有储能电感、第一开关管和续流二极管，所述储能电感的前端连接于输入整流单元的输出端，所述储能电感的后端连接于第一开关管的漏极，所述第一开关管的漏极连接于续流二极管的阳极，所述第一开关管的源极接地，所述第一开关管的栅极用于接入PWM脉冲信号；一电感滤波单元，包括有滤波电感，所述滤波电感的前端连接于续流二极管的阴极，所述滤波电感的后端连接有逆变倒相单元，当所述第一开关管导通时，所述第一开关管将储能电感的后端与地连通，所述储能电感开始储能，当所述第一开关管截止时，所述储能电感因自感作用而令其后端产生高于其前端的电压，所述储能电感的后端电压经过续流二极管整流，再经过滤波电感滤除高频波后传输至逆变倒相单元，利用所述逆变倒相单元将滤波电感后端输出的电压逆变转换为正弦交流电；一滤波控制单元，包括有电解电容和第二开关管，所述电解电容的正极连接于输入整流单元的输出端，所述电解电容的负极连接于第二开关管的漏极，所述第二开关管的源极基地，其中：当所述输入整流单元接入的市电交流电大于或等于预设值时，将所述第二开关管的栅极电压拉低以令第二开关管截止；当所述输入整流单元接入的市电交流电低于预设值时，为所述第二开关管的栅极加载驱动电压以令第二开关管导通，藉由所述电解电容对输入整流单元的输出电压进行滤波。

优选地，所述第一开关管和第二开关管均为N沟道MOS管。

优选地，还包括有一MCU控制单元，所述第一开关管的栅极、第二开关管的栅极和逆变倒相单元的控制端分别连接于MCU控制单元，藉由所述 MCU控制单元而输出PWM脉冲信号至第一开关管、控制第二开关管的通断状态以及控制逆变倒相单元进行逆变转换。

优选地，还包括有一交流采样单元，所述交流采样单元的输入端连接于输入整流单元，所述交流采样单元的输出端连接于MCU控制单元，所述交流采样单元用于采集市电交流电的电压值和相位并传输至MCU控制单元，所述MCU控制单元用于根据交流采样单元采集的市电交流电的相位而控制逆变倒相单元进行逆变，以令逆变倒相单元输出与市电交流电相位相同的正弦交流电，以及根据交流采样单元采集的电压值判断市电交流电是否低于预设值：若低于预设值，则所述MCU控制单元向所述第一开关管的栅极输出 PWM脉冲信号，并且向第二开关管加载驱动电压；若大于或等于预设值，则所述MCU控制单元控制所述第一开关管保持截止，并将第二开关管的栅极电压拉低。

优选地，当所述MCU控制单元判断出市电交流电低于预设值时，所述 MCU控制单元根据交流采样单元采集的市电交流电的相位而控制第二开关管在市电交流电的过零点导通。

优选地，所述交流采样单元包括有运放和比较器，所述运放的两个输入端分别通过限流采样电阻而连接于输入整流单元的火线和零线，所述运放的输出端连接于MCU控制单元，所述MCU控制单元对运放输出的电压信号运算后得出市电交流电的电压值。

优选地，所述运放的输出端还连接于比较器的反相端，所述比较器的同相端用于接入基准电压，所述比较器的输出端连接于MCU控制单元，所述 MCU控制单元根据比较器输出的电压信号而得出市电交流电的相位。

优选地，还包括有一电流采样单元，所述电流采样单元包括有采样电阻，所述采样电阻串接于第一开关管的源极与地之间，所述第一开关管源极的电流传输至MCU控制单元。

优选地，所述逆变倒相单元包括由第三开关管、第四开关管、第五开关管和第六开关管组成的逆变桥，所述第三开关管的栅极、第四开关管的栅极、第五开关管的栅极和第六开关管的栅极分别连接于MCU控制单元，藉由所述MCU控制单元而控制第三开关管、第四开关管、第五开关管和第六开关管导通或截止，以令所述逆变倒相单元输出正弦交流电。

本实用新型公开的正弦波智能升压转换装置中：输入整流单元将市电进行整流后输出的直流电加载于储能电感的前端，工作时，通过向第一开关管的栅极和接入PWM脉冲信号，使得第一开关管持续通/断，当第一开关管导通时，该直流电依次经由储能电感和第一开关管向地传输，此时储能电感开始储能，当第一开关管截止时，储能电感因电压突变而产生自感，使得储能电感的后端产生高于其前端的电压，该电压由滤波电感滤除高频串扰后传输至逆变倒相单元，在PWM脉冲信号的控制作用下，第一开关管重复开关，使得储能电感每次产生的高直流电均传输至逆变倒相单元，该过程中，通过调整PWM脉冲信号的占空比，可以调整第一开关管的导通时间，进而控制储能电感所存储的电能，其中，储能电感的储能越多，则储能电感自感时输出的电压越高，进而实现了正弦波智能升压转换。在此基础上，通过控制第三开关管通断，可以控制电解电容的接入状态，当市电交流电低于预设值时接通电解电容，利用电解电容对输入整流单元输出的半波直流电进行滤波，致使电感的后端输出更加平滑、稳定的脉动直流电并加载于高频调制单元，以令高频调制单元输出稳定可靠的半波直流电，最后利用逆变倒相单元将该半波直流电逆变倒相为正弦波交流供电电压。基于上述原理可见，本实用新型升压转换效果好、输出电压稳定可靠，并能够避免对电网造成干扰。

附图说明

图1为正弦波智能升压转换装置的电路原理图。

图2为本实用新型优选实施例中交流采样单元的电路原理图。

图3为本实用新型优选实施例中MCU控制单元的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作更加详细的描述。

本实用新型公开了一种正弦波智能升压转换装置，结合图1至图3所示，其包括有：

一输入整流单元10，用于接入市电交流电，并对市电交流电进行整流；

一高频调制单元30，包括有储能电感L2、第一开关管Q7和续流二极管 D24，所述储能电感L2的前端连接于输入整流单元10的输出端，所述储能电感L2的后端连接于第一开关管Q7的漏极，所述第一开关管Q7的漏极连接于续流二极管D24的阳极，所述第一开关管Q7的源极接地，所述第一开关管Q7的栅极用于接入PWM脉冲信号；

一电感滤波单元40，包括有滤波电感L3，所述滤波电感L3的前端连接于续流二极管D24的阴极，所述滤波电感L3的后端连接有逆变倒相单元50，当所述第一开关管Q7导通时，所述第一开关管Q7将储能电感L2的后端与地连通，所述储能电感L2开始储能，当所述第一开关管Q7截止时，所述储能电感L2因自感作用而令其后端产生高于其前端的电压，所述储能电感L2 的后端电压经过续流二极管D24整流，再经过滤波电感L3滤除高频波后传输至逆变倒相单元50，利用所述逆变倒相单元50将滤波电感L3后端输出的电压逆变转换为正弦交流电；

一滤波控制单元20，包括有电解电容C1和第二开关管Q12，所述电解电容C1的正极连接于输入整流单元10的输出端，所述电解电容C1的负极连接于第二开关管Q12的漏极，所述第二开关管Q12的源极基地，其中：

当所述输入整流单元10接入的市电交流电大于或等于预设值时，将所述第二开关管Q12的栅极电压拉低以令第二开关管Q12截止；

当所述输入整流单元10接入的市电交流电低于预设值时，为所述第二开关管Q12的栅极加载驱动电压以令第二开关管Q12导通，藉由所述电解电容 C1对输入整流单元10的输出电压进行滤波。

上述正弦波智能升压转换装置的工作原理为：输入整流单元10将市电进行整流后输出的直流电加载于储能电感L2的前端，工作时，通过向第一开关管Q7的栅极和接入PWM脉冲信号，使得第一开关管Q7持续通/断，当第一开关管Q7导通时，该直流电依次经由储能电感L2和第一开关管Q7向地传输，此时储能电感L2开始储能，当第一开关管Q7截止时，储能电感 L2因电压突变而产生自感，使得储能电感L2的后端产生高于其前端的电压，该电压先经过续流二极管D24整流，再由滤波电感L3滤除高频串扰后传输至逆变倒相单元50，在PWM脉冲信号的控制作用下，第一开关管Q7重复开关，使得储能电感L2每次产生的高直流电均传输至逆变倒相单元50，该过程中，通过调整PWM脉冲信号的占空比，可以调整第一开关管Q7的导通时间，进而控制储能电感L2所存储的电能，其中，储能电感L2的储能越多，则储能电感L2自感时输出的电压越高，进而实现了正弦波智能升压转换。在此基础上，通过控制第二开关管Q12通断，可以控制电解电容C1的接入状态，当市电交流电大于或等于预设值时，市电供电电压可以满足负载，此时无需升压处理，可断开电解电容C1，当市电交流电低于预设值时接通电解电容C1，利用电解电容C1对输入整流单元10输出的半波直流电进行滤波，致使电感L3的后端输出更加平滑、稳定的脉动直流电并加载于高频调制单元30，以令高频调制单元30输出稳定可靠的半波直流电，最后利用逆变倒相单元50将该半波直流电逆变倒相为正弦波交流供电电压。基于上述原理可见，本实用新型升压转换效果好、输出电压稳定可靠，并能够避免对电网造成干扰。

本实施例中，关于器件选型，所述第一开关管Q7和第二开关管Q12均为N沟道MOS管。

为了更好地实现智能控制，结合图1至图3所示，本实施例还还包括有一MCU控制单元80，所述第一开关管Q7的栅极、第二开关管Q12的栅极和逆变倒相单元50的控制端分别连接于MCU控制单元80，藉由所述MCU 控制单元80而输出PWM脉冲信号至第一开关管Q7、控制第二开关管Q12 的通断状态以及控制逆变倒相单元50进行逆变转换。进一步地，该MCU控制单元80包括有单片机U1及其外围电路。

在实际应用中，对于旅行插排而言，仅当应用于较低市电电压的环境下，才需要进行升压转换，因此，需要对市电交流电进行采样和判断，为了便于采样市电电压，本实施例还还包括有一交流采样单元70，所述交流采样单元 70的输入端连接于输入整流单元10，所述交流采样单元70的输出端连接于 MCU控制单元80，所述交流采样单元70用于采集市电交流电的电压值和相位并传输至MCU控制单元80，所述MCU控制单元80用于根据交流采样单元70采集的市电交流电的相位而控制逆变倒相单元50进行逆变，以令逆变倒相单元50输出与市电交流电相位相同的正弦交流电，以及根据交流采样单元70采集的电压值判断市电交流电是否低于预设值：

若低于预设值，则所述MCU控制单元80向所述第一开关管Q7的栅极输出PWM脉冲信号，并且向第二开关管Q12加载驱动电压；

若大于或等于预设值，则所述MCU控制单元80控制所述第一开关管 Q7保持截止，并将第二开关管Q12的栅极电压拉低。

进一步地，当所述MCU控制单元80判断出市电交流电低于预设值时，所述MCU控制单元80根据交流采样单元70采集的市电交流电的相位而控制第二开关管Q12在市电交流电的过零点导通。

基于上述特性，可使得电解电容C1能及时接入，并且经过滤波后的电压更加平滑、稳定，由于直流电稳定，所以MCU控制单元80对逆变倒相单元50进行控制时，可直接调用正弦表进行逆变控制，此时逆变倒相单元50 将输出更加标准的正弦波交流电，从而提高本实用新型的电压转换效果。

关于交流采样单元70的具体组成，所述交流采样单元70包括有运放 U9B和比较器U9A，所述运放U9B的两个输入端分别通过限流采样电阻而连接于输入整流单元10的火线和零线，所述运放U9B的输出端连接于MCU 控制单元80，所述MCU控制单元80对运放U9B输出的电压信号运算后得出市电交流电的电压值。所述运放U9B的输出端还连接于比较器U9A的反相端，所述比较器U9A的同相端用于接入基准电压，所述比较器U9A的输出端连接于MCU控制单元80，所述MCU控制单元80根据比较器U9A输出的电压信号而得出市电交流电的相位。

在无需升压的状态下，第一开关管Q7和第二开关管Q12均关闭，交流采样单元70在对市电交流电进行电压采样的同时，还进行相位采用，基于该相位的变化，MCU控制单元80可以相应控制逆变倒相单元50的转换频率，使得逆变倒相单元50输出的电压与市电交流电相位相同，进而达到较高的PF值，以降低对电网的干扰。

为了实现输出采样，本实施例还包括有一电流采样单元90，所述电流采样单元90包括有采样电阻R2A，所述采样电阻R2A串接于第一开关管Q7 的源极与地之间，所述第一开关管Q7源极的电流传输至MCU控制单元80。此外，本实施例还包括有一电压采样单元60，所述电压采样单元60用于采集滤波电感L3后端的电压并传输至MCU控制单元80。

作为一种优选方式，所述第一开关管Q7的漏极与滤波电感L3的前端之间连接有一续流二极管D24。该续流二极管D24的作用是，当第一开关管 Q7关断时，续流二极管D24提供给滤波电感L3和逆变桥供电，在第一开关管Q7导通的瞬间，为防止滤波电感L3产生反向电流，利用续流二极管D24 阻断该反向电流，从而达到整流的作用。

关于逆变倒相单元50的组成，所述逆变倒相单元50包括由第三开关管 Q1、第四开关管Q2、第五开关管Q3和第六开关管Q4组成的逆变桥，所述第三开关管Q1的栅极、第四开关管Q2的栅极、第五开关管Q3的栅极和第六开关管Q4的栅极分别连接于MCU控制单元80，藉由所述MCU控制单元80而控制第三开关管Q1、第四开关管Q2、第五开关管Q3和第六开关管 Q4导通或截止，以令所述逆变倒相单元50输出正弦交流电。

将上述各单元整合后构成本实用新型的优选实施例，结合图1至图3所示，该实施例整体的工作原理为：

电网电压通过交流插座、保险F2、防雷电阻RV1、共模抑制电感L1与 CX1组输入滤波电路，并通过D3将交流全波电压整流成两个半波正弦交流电压。Q12、C1、组成智能流滤波电路，当输入电压低于230V电网电压时，控制芯片将PWM3置为高电压时，Q12导通，铝电解电容C1的负极通过Q12 接入电路的GND进行滤波，在C1的正端会是相当稳定的直流电；当输入电压等于或大于230V电网电压时，控制芯片将PWM3置低时，Q12关断，铝电解电容C1的负极与Q12到GND的回路被切断，C1不进行滤波，这时在C1的正端是整流之后的半波交流电压。

MCU控制单元中，控制芯片U1通过R126、R127、R128、R38、R129、 R130、R131、R45、C39、R39、R47、C41、U9、R44、D15组成的交流输入电压采样，及R46、C40、R33、R34、D1、R31、R32组成的交流输入相位采样电路；如果交流输入电压低于230V电网电压，将PWM3在电网电压的过零点时置为高电平来启动知能滤波电路；同时PWM1高频脉冲信号以 50HZ正弦为调制基波信号送给Q7；让Q7工作在开关频率为60K-100K的开关状态，且占空比根据正弦的变化而变化；如果输入交流电等于或大于 230V电网电压，则PWM3为低电平，不启动智能滤波电路，同时PWM1为低电平，Q7不工作。

在升压的关键部分，高频调制电路由升压电感L2、开关MOS管Q7和续流二极D24组成，当控制芯片U1检测到输入电压低于230V电网电压时，输出高频控制信号(频率为60KHZ-100KHZ)PWM1经驱动电路D4、R8、R22 送给Q7的GATE，Q7进入升压模式，具体的升压原理是：Q7导通时，C1 上的电流经升压电感L2、Q7到GND形成回路，升压电感L2储存能量；当 Q7关断时，升压电感上会形成比输入电压高得多的感应电动势，感应电动势经续流管D24进行整流后形成单向电压再送给高频滤波电路滤波。并且Q7 是根据控制芯片内部设定的50HZ的正弦波变化来加大或减少Q7的导通时间。当控制芯片U1检测到输入电压等于或高于230V电网电压时，将高频调制电路Q7MOS关闭，整流滤波后的电压直接经L2、D24流出。

本实施例中，高频滤波电路由L3、C2组成；经过Q7调制后的高频电压与电流经过L3、C2滤波后变成半波脉动直流电压；如果Q7不工作则滤波电路不起作用，相当于直通，D3整流后的半波脉动直流电压直接送到逆变桥进行逆变倒相。L3滤波后的电压由R13、R15组成的电压采样电路送到U1控制芯片，由U1来确定Q7的PWM的占空比。即高频调制电路、电流采样、滤波电路与电压采样电路形成闭环，来调节Q7的占空比达到滤波后的输出电压的稳定。

作为一些扩展功能，在过流保护电路中，R2A与控制芯片U1组成电流检测电路，当Q7发生过流时将启动U1内部的过流保护动作。

逆变倒相电路由Q1、Q2、Q3、Q4组成，当经过L3滤波电感的第一个输出半波交流电经Q1与Q4送给负载；当经过L3滤波电感的第二个输出半波交流电经Q2与Q3送给负载，这样在负载上就形成了一个完整的工频交流电。控制芯片U1输出的PWM信号经驱动电路后分别送出PWM1H、PWM2H、 PWM1L、PWM2L给Q1、Q2、Q3、Q4的GATE极。逆变倒相电路中的相位分两种情况：如果输入电压低于230V电网电压时逆变倒相电路按照控制芯片内部设定的频率进行工作；如果输入电压等于或大于230V电网电压时，将会按照输入采样电路采到的相位来锁定逆变倒相电路，即逆变倒相电路的频率和相位将与输入电压的频率与相位一致。

本实用新型公开的正弦波智能升压转换装置，具有体积小、重量轻、方便携带等特点，在输入全电压范围内能够能自动调节输出电压，输出电压是以纯正弦模式输出，对交流电有自动整形功能，同时，本实用新型包含电压与电流采样电路，能防浪涌电压与电流。由于输出的是纯正弦波电压适合于各种负载，负载的兼容性强。

以上所述只是本实用新型较佳的实施例，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的技术范围内所做的修改、等同替换或者改进等，均应包含在本实用新型所保护的范围内。

Claims (9)

1.一种正弦波智能升压转换装置，其特征在于，包括有：

一输入整流单元，用于接入市电交流电，并对市电交流电进行整流；

一高频调制单元，包括有储能电感、第一开关管和续流二极管，所述储能电感的前端连接于输入整流单元的输出端，所述储能电感的后端连接于第一开关管的漏极，所述第一开关管的漏极连接于续流二极管的阳极，所述第一开关管的源极接地，所述第一开关管的栅极用于接入PWM脉冲信号；

一电感滤波单元，包括有滤波电感，所述滤波电感的前端连接于续流二极管的阴极，所述滤波电感的后端连接有逆变倒相单元，当所述第一开关管导通时，所述第一开关管将储能电感的后端与地连通，所述储能电感开始储能，当所述第一开关管截止时，所述储能电感因自感作用而令其后端产生高于其前端的电压，所述储能电感的后端电压经过续流二极管整流，再经过滤波电感滤除高频波后传输至逆变倒相单元，利用所述逆变倒相单元将滤波电感后端输出的电压逆变转换为正弦交流电；

一滤波控制单元，包括有电解电容和第二开关管，所述电解电容的正极连接于输入整流单元的输出端，所述电解电容的负极连接于第二开关管的漏极，所述第二开关管的源极基地，其中：

当所述输入整流单元接入的市电交流电大于或等于预设值时，将所述第二开关管的栅极电压拉低以令第二开关管截止；

当所述输入整流单元接入的市电交流电低于预设值时，为所述第二开关管的栅极加载驱动电压以令第二开关管导通，藉由所述电解电容对输入整流单元的输出电压进行滤波。

2.如权利要求1所述的正弦波智能升压转换装置，其特征在于，所述第一开关管和第二开关管均为N沟道MOS管。

3.如权利要求1所述的正弦波智能升压转换装置，其特征在于，还包括有一MCU控制单元，所述第一开关管的栅极、第二开关管的栅极和逆变倒相单元的控制端分别连接于MCU控制单元，藉由所述MCU控制单元而输出PWM脉冲信号至第一开关管、控制第二开关管的通断状态以及控制逆变倒相单元进行逆变转换。

4.如权利要求3所述的正弦波智能升压转换装置，其特征在于，还包括有一交流采样单元，所述交流采样单元的输入端连接于输入整流单元，所述交流采样单元的输出端连接于MCU控制单元，所述交流采样单元用于采集市电交流电的电压值和相位并传输至MCU控制单元，所述MCU控制单元用于根据交流采样单元采集的市电交流电的相位而控制逆变倒相单元进行逆变，以令逆变倒相单元输出与市电交流电相位相同的正弦交流电，以及根据交流采样单元采集的电压值判断市电交流电是否低于预设值：

若低于预设值，则所述MCU控制单元向所述第一开关管的栅极输出PWM脉冲信号，并且向第二开关管加载驱动电压；

若大于或等于预设值，则所述MCU控制单元控制所述第一开关管保持截止，并将第二开关管的栅极电压拉低。

5.如权利要求4所述的正弦波智能升压转换装置，其特征在于，当所述MCU控制单元判断出市电交流电低于预设值时，所述MCU控制单元根据交流采样单元采集的市电交流电的相位而控制第二开关管在市电交流电的过零点导通。

6.如权利要求5所述的正弦波智能升压转换装置，其特征在于，所述交流采样单元包括有运放和比较器，所述运放的两个输入端分别通过限流采样电阻而连接于输入整流单元的火线和零线，所述运放的输出端连接于MCU控制单元，所述MCU控制单元对运放输出的电压信号运算后得出市电交流电的电压值。

7.如权利要求6所述的正弦波智能升压转换装置，其特征在于，所述运放的输出端还连接于比较器的反相端，所述比较器的同相端用于接入基准电压，所述比较器的输出端连接于MCU控制单元，所述MCU控制单元根据比较器输出的电压信号而得出市电交流电的相位。

8.如权利要求4所述的正弦波智能升压转换装置，其特征在于，还包括有一电流采样单元，所述电流采样单元包括有采样电阻，所述采样电阻串接于第一开关管的源极与地之间，所述第一开关管源极的电流传输至MCU控制单元。

9.如权利要求5所述的正弦波智能升压转换装置，其特征在于，所述逆变倒相单元包括由第三开关管、第四开关管、第五开关管和第六开关管组成的逆变桥，所述第三开关管的栅极、第四开关管的栅极、第五开关管的栅极和第六开关管的栅极分别连接于MCU控制单元，藉由所述MCU控制单元而控制第三开关管、第四开关管、第五开关管和第六开关管导通或截止，以令所述逆变倒相单元输出正弦交流电。