CN210724291U - 基于倍流同步整流移相全桥的超级电容充电装置 - Google Patents

基于倍流同步整流移相全桥的超级电容充电装置 Download PDF

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Abstract

本实用新型公开了一种基于倍流同步整流移相全桥的超级电容充电装置，包括FPGA控制电路、第一驱动电路、第二驱动电路、第三驱动电路、无桥boost PFC电路、移相全桥主电路、倍流同步整流电路、交流电压输入端、直流电压输出端、电流采集模块和电压采集模块。本实用新型采用无桥boost PFC电路、移相全桥主电路和倍流同步整流电路的电路拓扑，并且采用SiC场效应晶体管和SiC肖特基二极管，减小系统功率损耗和体积，保证了稳定输出16V/50A的大电流，实现了给超级电容充电。

Description

基于倍流同步整流移相全桥的超级电容充电装置
技术领域
本实用新型属于电容充电装置领域，具体涉及基于倍流同步整流移相全桥的超级电容充电装置。
背景技术
超级电容器是一种介于传统电容器与电池之间、具有特殊性能的电源，主要依靠双电层和氧化还原假电容电荷储存电能。但在其储能的过程并不发生化学反应，这种储能过程是可逆的，也正因为此超级电容器可以反复充放电数十万次，目前应用广泛。在现有技术中，充电装置一般不采用移相全桥技术或用电源控制芯片来实现移相全桥技术，实现DC-DC变换时一般采用IGBT或者Si mosfet作为功率开关管，使DC-DC变换时损耗过高而且控制不灵活。
实用新型内容
针对现有技术中的上述不足，本实用新型提供的基于倍流同步整流移相全桥的超级电容充电装置解决了现有技术中电能转换效率不高和体积较大的问题。
为了达到上述发明目的，本实用新型采用的技术方案为：一种基于倍流同步整流移相全桥的超级电容充电装置，包括FPGA控制电路、第一驱动电路、第二驱动电路、第三驱动电路、无桥boost PFC电路、移相全桥主电路、倍流同步整流电路、交流电压输入端、直流电压输出端、电流采集模块和电压采集模块；
所述FPGA控制电路分别与电流采集模块、第一驱动电路、第二驱动电路、第三驱动电路和电压采集模块连接，所述交流电压输入端分别与无桥boost PFC电路和电流采集模块连接，所述直流电压输出端分别与倍流同步整流电路和电压采集模块连接，所述移相全桥主电路分别与无桥boost PFC电路、第二驱动电路和倍流同步整流电路连接，所述第一驱动电路与无桥boost PFC电路连接，所述第三驱动电路与倍流同步整流电路连接。
进一步地，所述无桥boost PFC电路包括电感L1、电感L2、二极管D1、二极管D2、场效应晶体管Q1、场效应晶体管Q2和电容C1；
所述电感L1的一端与220V交流电压连接，所述电感L2的一端与220V交流电连接，所述电感L1的另一端分别与二极管D1的正极和场效应晶体管Q1的漏极连接，所述电感L2的另一端分别与二极管D2的正极和场效应晶体管Q2的漏极连接，所述二极管D1的负极分别与二极管D2的负极和电容C1的一端连接，所述场效应晶体管Q1的源极分别与场效应晶体管Q2的源极和电容C1的另一端连接。
进一步地，所述移相全桥主电路包括场效应晶体管Q3、场效应晶体管Q4、场效应晶体管Q5、场效应晶体管Q6和电感Lr；
所述场效应晶体管Q3的漏极分别与电容C1的一端和场效应晶体管Q5的漏极连接，所述场效应晶体管Q3的源极分别与场效应晶体管Q4的漏极和谐振电感Lr的一端连接，所述谐振电感Lr的另一端与变压器T一次侧的一端连接，所述场效应晶体管Q5的源极分别与场效应晶体管Q6的漏极和变压器T一次侧的另一端连接，所述场效应晶体管Q4的源极分别与场效应晶体管Q6的源极和电容C1的另一端连接。
进一步地，所述倍流同步整流电路包括场效应晶体管Q7、场效应晶体管Q8、电感L3、电感L4和电容C2；
所述场效应晶体管Q7的漏极分别与变压器T二次侧的一端和电感L3的一端连接，所述场效应晶体管Q7的源极分别与电容C2的一端和场效应晶体管Q8的源极连接，所述电感L3的另一端分别与电感L4的一端和电容C2的另一端连接，所述电感L4的另一端分别与场效应晶体管Q8的漏极和变压器T二次侧的另一端连接，所述电容C2的两端引出直流电压输出端。
进一步地，所述场效应晶体管Q1、场效应晶体管Q2、场效应晶体管Q3、场效应晶体管Q4、场效应晶体管Q5、场效应晶体管Q6、场效应晶体管Q7和场效应晶体管Q8的源极与漏极之间均设置有二极管，且每个场效应晶体管的漏极与其对应二极管的负极连接，其源极与其对应二极管的正极连接。
进一步地，所述场效应晶体管Q1、场效应晶体管Q2、场效应晶体管Q3、场效应晶体管Q4、场效应晶体管Q5、场效应晶体管Q6、场效应晶体管Q7和场效应晶体管Q8均为SiC场效应晶体管，所述SiC场效应晶体管的耐压值为1200V，其过电流能力为80A。
进一步地，所述二极管D1和二极管D2为SiC肖特基二极管，所述SiC肖特基二极管的耐压值为1200V，其最大正向电流值为60A。
进一步地，所述FPGA控制电路采用FPGA芯片作为控制芯片，所述FPGA芯片采用的型号为AX309。
本实用新型的有益效果为：
(1)本实用新型的FPGA控制电路能够实现采集输出电压和输入电流，并进行处理，输出具备闭环调节能力的控制信号，实现了电路的精准控制，本实用新型中通过设置谐振电感，既能实现软开关，又能将副边占空比丢失降到最低。
(2)本实用新型采用无桥boost PFC电路、移相全桥主电路和倍流同步整流电路的电路拓扑，并且采用SiC场效应晶体管和SiC肖特基二极管，减小系统功率损耗和体积，保证了稳定输出16V/50A的大电流，实现了给超级电容充电。
附图说明
图1为本实用新型提出的一种基于倍流同步整流移相全桥的超级电容充电装置系统示意图。
图2为本实用新型提出的无桥boost PFC电路、移相全桥主电路和倍流同步整流电路电路图。
图3为本实用新型中FPGA芯片的引脚连接示意图。
图4为本实用新型中第一驱动电路电路图。
图5为本实用新型中第二驱动电路电路图。
图6为本实用新型中第三驱动电路电路图。
具体实施方式
下面对本实用新型的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本实用新型，但应该清楚，本实用新型不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本实用新型的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本实用新型构思的发明创造均在保护之列。
下面结合附图详细说明本实用新型的实施例。
如图1所示，一种基于倍流同步整流移相全桥的超级电容充电装置，包括FPGA控制电路、第一驱动电路、第二驱动电路、第三驱动电路、无桥boost PFC电路、移相全桥主电路、倍流同步整流电路、交流电压输入端、直流电压输出端、电流采集模块和电压采集模块；
所述FPGA控制电路分别与电流采集模块、第一驱动电路、第二驱动电路、第三驱动电路和电压采集模块连接，所述交流电压输入端分别与无桥boost PFC电路和电流采集模块连接，所述直流电压输出端分别与倍流同步整流电路和电压采集模块连接，所述移相全桥主电路分别与无桥boost PFC电路、第二驱动电路和倍流同步整流电路连接，所述第一驱动电路与无桥boost PFC电路连接，所述第三驱动电路与倍流同步整流电路连接。
如图2所示，所述无桥boost PFC电路包括电感L1、电感L2、二极管D1、二极管D2、场效应晶体管Q1、场效应晶体管Q2和电容C1。
所述电感L1的一端与220V交流电压连接，所述电感L2的一端与220V交流电连接，所述电感L1的另一端分别与二极管D1的正极和场效应晶体管Q1的漏极连接，所述电感L2的另一端分别与二极管D2的正极和场效应晶体管Q2的漏极连接，所述二极管D1的负极分别与二极管D2的负极和电容C1的一端连接，所述场效应晶体管Q1的源极分别与场效应晶体管Q2的源极和电容C1的另一端连接。
所述移相全桥主电路包括场效应晶体管Q3、场效应晶体管Q4、场效应晶体管Q5、场效应晶体管Q6和电感Lr。
所述场效应晶体管Q3的漏极分别与电容C1的一端和场效应晶体管Q5的漏极连接，所述场效应晶体管Q3的源极分别与场效应晶体管Q4的漏极和谐振电感Lr的一端连接，所述谐振电感Lr的另一端与变压器T一次侧的一端连接，所述场效应晶体管Q5的源极分别与场效应晶体管Q6的漏极和变压器T一次侧的另一端连接，所述场效应晶体管Q4的源极分别与场效应晶体管Q6的源极和电容C1的另一端连接。
所述倍流同步整流电路包括场效应晶体管Q7、场效应晶体管Q8、电感L3、电感L4和电容C2。
所述场效应晶体管Q7的漏极分别与变压器T二次侧的一端和电感L3的一端连接，所述场效应晶体管Q7的源极分别与电容C2的一端和场效应晶体管Q8的源极连接，所述电感L3的另一端分别与电感L4的一端和电容C2的另一端连接，所述电感L4的另一端分别与场效应晶体管Q8的漏极和变压器T二次侧的另一端连接，所述电容C2的两端引出直流电压输出端。
所述场效应晶体管Q1、场效应晶体管Q2、场效应晶体管Q3、场效应晶体管Q4、场效应晶体管Q5、场效应晶体管Q6、场效应晶体管Q7和场效应晶体管Q8的源极与漏极之间均设置有二极管，且每个场效应晶体管的漏极与其对应二极管的负极连接，其源极与其对应二极管的正极连接。
所述场效应晶体管Q1、场效应晶体管Q2、场效应晶体管Q3、场效应晶体管Q4、场效应晶体管Q5、场效应晶体管Q6、场效应晶体管Q7和场效应晶体管Q8均为SiC场效应晶体管，所述SiC场效应晶体管的耐压值为1200V，其过电流能力为80A，且具备高速开关能力。
所述二极管D1和二极管D2为SiC肖特基二极管，所述SiC肖特基二极管的耐压值为1200V，其最大正向电流值为60A。
所述FPGA控制电路采用FPGA芯片作为控制芯片，所述FPGA芯片采用的型号为AX309。
如图3所示，在本实施例中，FPGA芯片的CLK引脚与有源晶振X1的OUT引脚连接，有源晶振X1的Vcc引脚与3.3V电源的输出端连接，有源晶振X1的GND引脚与3.3V电源的接地端连接，FPGA芯片的GND1引脚分别与5V电源的接地端和电容C13的一端连接，所述电容C13的另一端分别与5V电源的输出端和FPGA芯片的VCC引脚连接，FPGA芯片的ADC1引脚与电流采集模块的输出端连接，FPGA芯片的ADC2引脚与电压采集模块的输出端连接，FPGA芯片的VDD引脚分别与3.3V电源的输出端和电容C14的一端连接，电容C14的另一端分别与FPGA芯片的GND2引脚和3.3V电源的接地端连接。
如图4所示，在本实施例中，第一驱动电路包括驱动芯片U1，所述驱动芯片U1的ENA引脚与FPGA芯片的IO1引脚连接，所述驱动芯片U1的INA引脚与FPGA芯片的IO7引脚连接，所述驱动芯片U1的INB引脚与FPGA芯片的IO8引脚连接，所述驱动芯片U1的ENB引脚与FPGA芯片的IO2引脚连接，所述驱动芯片U1的VDD引脚分别与12V电源的输出端和接地电容C3连接，所述驱动芯片U1的OUTA引脚与场效应晶体管Q1的栅极连接，所述驱动芯片U1的OUTB引脚与场效应晶体管Q2的栅极连接，所述驱动芯片U1的GND引脚接地；所述驱动芯片U1采用的型号为UCC27524。
如图5所示，在本实施例中，所述第二驱动电路包括驱动芯片U2和驱动芯片U3，所述驱动芯片U2的INA引脚与FPGA芯片的IO9引脚连接，所述驱动芯片U2的INB引脚与FPGA芯片的IO10引脚连接，所述驱动芯片U2的两个VCCI引脚均分别与5V电源的输出端和电阻R2的一端连接，所述电阻R2的另一端分别与驱动芯片U2的DISABLE引脚、FPGA芯片的IO3引脚和电容C4的一端连接，所述电容C4的另一端与电容C5的一端连接，所述电容C5的另一端分别与电阻R3的一端和驱动芯片U2的DT引脚连接，所述电阻R3的另一端与FPGA芯片的GND1引脚连接，所述驱动芯片U2的VDDA引脚分别与电容C6的一端和二极管D3的负极连接，所述二极管D3的正极通过电阻R1与12V电源的输出端连接，所述电容C6的另一端分别与驱动芯片U2的VSSA引脚和场效应晶体管Q3的源极连接，所述驱动芯片U2的OUTA引脚与场效应晶体管Q3的栅极连接，所述驱动芯片U2的VDDB引脚分别与12V电源的输出端和电容C7的一端连接，所述电容C7的另一端与驱动芯片U2的VSSB引脚连接且接地。
所述驱动芯片U3的INA引脚与FPGA芯片的IO11引脚连接，所述驱动芯片U3的INB引脚与FPGA芯片的IO12引脚连接，所述驱动芯片U3的两个VCCI引脚均分别与5V电源的输出端和电阻R5的一端连接，所述电阻R5的另一端分别与驱动芯片U3的DISABLE引脚、FPGA芯片的IO4引脚和电容C8的一端连接，所述电容C8的另一端与电容C9的一端连接，所述电容C9的另一端分别与电阻R6的一端和驱动芯片U3的DT引脚连接，所述电阻R6的另一端与FPGA芯片的GND1引脚连接，所述驱动芯片U3的VDDA引脚分别与电容C10的一端和二极管D4的负极连接，所述二极管D4的正极通过电阻R4与12V电源的输出端连接，所述电容C10的另一端分别与驱动芯片U3的VSSA引脚和场效应晶体管Q5的源极连接，所述驱动芯片U3的OUTA引脚与场效应晶体管Q5的栅极连接，所述驱动芯片U3的VDDB引脚分别与12V电源的输出端和电容C11的一端连接，所述电容C11的另一端与驱动芯片U3的VSSB引脚连接且接地，所述驱动芯片U3的OUTB引脚与场效应晶体管Q6的栅极连接。驱动芯片U2和驱动芯片U3采用的型号均为UCC21520。
如图6所示，在本实施例中，第三驱动电路包括驱动芯片U4，所述驱动芯片U4的ENA引脚与FPGA芯片的IO5引脚连接，所述驱动芯片U4的INA引脚与FPGA芯片的IO13引脚连接，所述驱动芯片U4的INB引脚与FPGA芯片的IO14引脚连接，所述驱动芯片U4的ENB引脚与FPGA芯片的IO6引脚连接，所述驱动芯片U4的VDD引脚分别与12V电源的输出端和接地电容C12连接，所述驱动芯片U4的OUTA引脚与场效应晶体管Q7的栅极连接，所述驱动芯片U4的OUTB引脚与场效应晶体管Q8的栅极连接，所述驱动芯片U4的GND引脚与FPGA芯片的GND2引脚连接。所述驱动芯片U4采用的型号为UCC27524。
本实用新型的工作原理为：通过交流电压输入端接入220V/50Hz的单相市电，经过由FPGA控制电路控制的无桥boost PFC电路得到330V的直流电压，然后经过由FPGA控制电路控制的移相全桥主电路和倍流同步整流电路进行DC-DC变换，输出16V/50A的直流电，同时，从交流电压输入端实时采集电流和直流电压输出端实时采集电压，并将采集的电流和电压输入FPGA控制电路，通过FPGA控制电路对第一驱动电路、第二驱动电路和第三驱动电路发出控制信号，再由第一驱动电路对无桥boost PFC电路进行驱动，由第二驱动电路对移相全桥主电路进行驱动，由第三驱动电路对倍流同步整流电路进行驱动，完成稳定的直流电输出。
本实用新型的FPGA控制电路能够实现采集输出电压和输入电流，并进行处理，输出具备闭环调节能力的控制信号，实现了电路的精准控制，本实用新型中通过设置谐振电感，既能实现软开关，又能将副边占空比丢失降到最低。
本实用新型采用无桥boost PFC电路、移相全桥主电路和倍流同步整流电路的电路拓扑，并且采用SiC场效应晶体管和SiC肖特基二极管，减小系统功率损耗和体积，保证了稳定输出16V/50A的大电流，实现了给超级电容充电。

Claims (8)

1.一种基于倍流同步整流移相全桥的超级电容充电装置，其特征在于，包括FPGA控制电路、第一驱动电路、第二驱动电路、第三驱动电路、无桥boost PFC电路、移相全桥主电路、倍流同步整流电路、交流电压输入端、直流电压输出端、电流采集模块和电压采集模块；
所述FPGA控制电路分别与电流采集模块、第一驱动电路、第二驱动电路、第三驱动电路和电压采集模块连接，所述交流电压输入端分别与无桥boost PFC电路和电流采集模块连接，所述直流电压输出端分别与倍流同步整流电路和电压采集模块连接，所述移相全桥主电路分别与无桥boost PFC电路、第二驱动电路和倍流同步整流电路连接，所述第一驱动电路与无桥boost PFC电路连接，所述第三驱动电路与倍流同步整流电路连接。
2.根据权利要求1所述的基于倍流同步整流移相全桥的超级电容充电装置，其特征在于，所述无桥boost PFC电路包括电感L1、电感L2、二极管D1、二极管D2、场效应晶体管Q1、场效应晶体管Q2和电容C1；
所述电感L1的一端与220V交流电压连接，所述电感L2的一端与220V交流电连接，所述电感L1的另一端分别与二极管D1的正极和场效应晶体管Q1的漏极连接，所述电感L2的另一端分别与二极管D2的正极和场效应晶体管Q2的漏极连接，所述二极管D1的负极分别与二极管D2的负极和电容C1的一端连接，所述场效应晶体管Q1的源极分别与场效应晶体管Q2的源极和电容C1的另一端连接。
3.根据权利要求2所述的基于倍流同步整流移相全桥的超级电容充电装置，其特征在于，所述移相全桥主电路包括场效应晶体管Q3、场效应晶体管Q4、场效应晶体管Q5、场效应晶体管Q6和电感Lr；
所述场效应晶体管Q3的漏极分别与电容C1的一端和场效应晶体管Q5的漏极连接，所述场效应晶体管Q3的源极分别与场效应晶体管Q4的漏极和谐振电感Lr的一端连接，所述谐振电感Lr的另一端与变压器T一次侧的一端连接，所述场效应晶体管Q5的源极分别与场效应晶体管Q6的漏极和变压器T一次侧的另一端连接，所述场效应晶体管Q4的源极分别与场效应晶体管Q6的源极和电容C1的另一端连接。
4.根据权利要求3所述的基于倍流同步整流移相全桥的超级电容充电装置，其特征在于，所述倍流同步整流电路包括场效应晶体管Q7、场效应晶体管Q8、电感L3、电感L4和电容C2；
所述场效应晶体管Q7的漏极分别与变压器T二次侧的一端和电感L3的一端连接，所述场效应晶体管Q7的源极分别与电容C2的一端和场效应晶体管Q8的源极连接，所述电感L3的另一端分别与电感L4的一端和电容C2的另一端连接，所述电感L4的另一端分别与场效应晶体管Q8的漏极和变压器T二次侧的另一端连接，所述电容C2的两端引出直流电压输出端。
5.根据权利要求4所述的基于倍流同步整流移相全桥的超级电容充电装置，其特征在于，所述场效应晶体管Q1、场效应晶体管Q2、场效应晶体管Q3、场效应晶体管Q4、场效应晶体管Q5、场效应晶体管Q6、场效应晶体管Q7和场效应晶体管Q8的源极与漏极之间均设置有二极管，且每个场效应晶体管的漏极与其对应二极管的负极连接，其源极与其对应二极管的正极连接。
6.根据权利要求4所述的基于倍流同步整流移相全桥的超级电容充电装置，其特征在于，所述场效应晶体管Q1、场效应晶体管Q2、场效应晶体管Q3、场效应晶体管Q4、场效应晶体管Q5、场效应晶体管Q6、场效应晶体管Q7和场效应晶体管Q8均为SiC场效应晶体管，所述SiC场效应晶体管的耐压值为1200V，其过电流能力为80A。
7.根据权利要求4所述的基于倍流同步整流移相全桥的超级电容充电装置，其特征在于，所述二极管D1和二极管D2为SiC肖特基二极管，所述SiC肖特基二极管的耐压值为1200V，其最大正向电流值为60A。
8.根据权利要求4所述的基于倍流同步整流移相全桥的超级电容充电装置，其特征在于，所述FPGA控制电路采用FPGA芯片作为控制芯片，所述FPGA芯片采用的型号为AX309。
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