CN217282747U - 一种容性负载的自动谐振高压高频交流电源 - Google Patents
一种容性负载的自动谐振高压高频交流电源 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型公开了一种容性负载的自动谐振高压高频交流电源，包括逆变单元和谐振单元，所述逆变单元包括功放芯片和微控制器，所述功放芯片和微控制器电性连接，通过功放芯片将微控制器输出的小的正弦波信号放大后来实现交流电输出；所述谐振单元包括变压器和微控制器，所述变压器和微控制器电性连接，通过变压器次级绕组的电感和容性负载形成谐振；所述功放芯片接收来自微控制器输出的小的正弦波信号放大后驱动逆变桥来实现将直流电源转化成交流电输出，经滤波电路滤波后由谐振单元形成谐振。其通过功放芯片实现将直流电逆变为交流电，其不仅保护功能完善，而且电源输入功率更小，电源体积更小。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种高压高频交流电源，特别涉及一种容性负载的自动谐振高压高频交流电源，属于交流电源技术领域。
背景技术
目前，在电源行业，将直流电源变换为交流电一般采用单片机或DSP等控制器计算SPWM(正弦脉宽调制)驱动MOS管来实现逆变。采用这样高频的逆变，不仅驱动复杂，而且电源体积较大。采用软件计算，控制上也相较复杂。
实用新型内容
本实用新型的目的在于，提供一种容性负载的自动谐振高压高频交流电源，其通过功放芯片实现将直流电逆变为交流电，其不仅保护功能完善，而且电源输入功率更小，电源体积更小。
为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案在于，一种容性负载的自动谐振高压高频交流电源，包括逆变单元和谐振单元，
－所述逆变单元包括功放芯片和微控制器，所述功放芯片和微控制器电性连接，通过功放芯片将微控制器输出的小的正弦波信号放大后来实现交流电输出；
－所述谐振单元包括变压器和微控制器，所述变压器和微控制器电性连接，通过变压器次级绕组的电感和容性负载形成谐振；
所述功放芯片接收来自微控制器输出的小的正弦波信号放大后驱动逆变桥来实现将直流电源转化成交流电输出，经滤波电路滤波后由谐振单元形成谐振。
在本专利中，使用功放芯片来驱动逆变桥，来实现交流电源输出；使用两个MOS场效应晶体管(N沟增强型)组成逆变桥，使用LC组成低通滤波器。
作为优选，所述谐振单元还包括电压采集电路和电流采集电路，所述电流采集电路分别与微控制器、滤波电路以及电压采集电路电性连接，所述电压采集电路与微控制器电性连接。
作为优选，所述逆变桥由两个MOS场效应晶体管组成，其中第一MOS场效应晶体管的G极通过电阻R12连接至功放芯片的14脚，MOS场效应晶体管的D极通过电阻R1连接至功放芯片的1脚，功放芯片的15脚通过电阻R11连接至MOS场效应晶体管的D极，功放芯片的16脚连接至电阻R8的一端，电阻R8的另一端连接二极管的正极，二极管的负极连接至MOS场效应晶体管的D极及电源输出端，所述功放芯片的15脚连接电容C7的正极，电容C7负极连接至所述功放芯片的13脚及电感L1的一端，电感L1的另一端连接至输出端及电容C9的正极，电容C9的负极接地；所述功放芯片的13脚和16脚之间连接有电阻R9，14脚和16脚之间连接有电阻R10，所述电阻R10串联在电阻R8和电阻R12之间；
第二MOS场效应晶体管的G极通过电阻R13连接至功放芯片的11脚，其D极连接至第一MOS场效应晶体管的S极，其S极连接至电源输出端，所述功放芯片的12脚和10脚之间串联电容C8，所述电容C8的负极分别连接至电源输出端，以及通过串联的电阻R6和R5连接至功放芯片的7脚，所述功放芯片的8交连接至电阻R6和R5之间，所述功放芯片的15脚连接二极管的负极，二极管的正极串联电阻R14和电阻R15，所述电阻R15连接至电源输出端，所述功放芯片的9脚连接至电阻R14和电阻R5之间；
所述功放芯片的1脚和2脚之间连接有电容C1，所述电容C1的负极与电容C2的正极连接，电容C2的负极与电阻R2的一端连接，所述电阻R2连接至电源输出端，所述功放芯片的5脚和6脚之间连接有电容C5，所述电容C5的负极与电容C2的负极连接，所述功放芯片的3脚连接电阻R3的一端，电阻R3的另一端连接电容C3的负极，电容C3的正极接电源输入端，所述功放芯片的3脚和4脚之间串联电容C6和电容C7，所述电容C6和电容C7之间连接电阻R4的一端，电阻R4的另一端连接电源输入端，所述电阻R4的另一端连接电容C4的一端，电容C4的另一端连接至功放芯片的4脚。
在本技术方案中，谐振单元采用变压器次级绕组的电感和容性负载形成谐振，变压器采用升压变压器。
作为优选，所述第一和第二MOS场效应晶体管为N沟增强型场效应晶体管。
作为优选，所述逆变单元的输出端与谐振单元连接，所述谐振单元的变压器采用升压变压器，经过逆变单元逆变的低压交流电通过升压变压器升压后通过电压采样电路进行电压采样，其电路连接方式为：
所述逆变单元的输出端通过限流电阻R21连接变压器T1的1端进行输入电流采集，变压器T1的2端和3端连接电容C10，所述电容C10的两端串联电阻R22和电阻R23，所述变压器T1的初级另一端接地。
在本技术方案中，通过限流电阻和升压变压器来实现输入电流的采集以及电压转换。其中，输入电流采集不仅限于此种方式，还可以是电流线圈等其它方式。
在变压器输出后连接至输出端口以及电压采样电路，实现电压采样。
作为优选，所述微控制器的型号为STM32F103微控制器，在实际使用中，也可以选择其它的规格控制器，微控制器的目的在于通过采集输出电压值以及输入电流值，通过算法确定当前变压器是否和负载处于谐振的频率。控制器同时可根据用户设定电压值进行输出幅值调整，给定功放芯片模拟信号，功放根据该模拟信号驱动MOS管进行交流输出。控制器还有通讯及过流保护等其他功能。
本实用新型的有益效果：本实用新型通过变压器次级和负载达到谐振，可以使输入功率最小的情况下电压能够升到最高值。微控制器采集变压器输出电压和变压器输入电流，同时更改输出频率，此时分别计算不同频率点的阻抗来判定是否达到谐振。电源和负载达到谐振频率后，可以以最小的输入功率达到最高的输出电压。与传统电源相比，带同样的负载只需要以100-200W的输入功率就可以实现500-2000VA容量输出。
同时，不需要计算spwm输出驱动，使用功放芯片，保护功能完善，通过计算电压及电流信号，计算谐振频率点，使用变压器和负载匹配，即感性负载和容性负载谐振，使体积更小，电源输入功率更小，控制器通过采集电压和电流信号，经算法调频，实现变压器和负载谐振，达到最佳工作频率点。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本实用新型交流电源原理框图；
图2为功放芯片及外围电路原理图；
图3为谐振单元的电路原理图；
图4为谐振阻抗曲线图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合实施例对本申请中的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图1-图3所示，本实用新型公开了一种容性负载的自动谐振高压高频交流电源，包括逆变单元和谐振单元，
－所述逆变单元包括功放芯片和微控制器，所述功放芯片和微控制器电性连接，通过功放芯片将微控制器输出的小的正弦波信号放大后来实现交流电输出；
－所述谐振单元包括变压器和微控制器，所述变压器和微控制器电性连接，通过变压器次级绕组的电感和容性负载形成谐振；
所述功放芯片接收来自微控制器输出的小的正弦波信号放大后驱动逆变桥来实现将直流电源转化成交流电输出，经滤波电路滤波后由谐振单元形成谐振。
在本专利中，使用功放芯片来驱动逆变桥，来实现交流电源输出；使用两个MOS场效应晶体管(N沟增强型)组成逆变桥，使用LC组成低通滤波器。
所述谐振单元还包括电压采集电路和电流采集电路，所述电流采集电路分别与微控制器、滤波电路以及电压采集电路电性连接，所述电压采集电路与微控制器电性连接。
所述逆变桥由两个MOS场效应晶体管组成，其中第一MOS场效应晶体管的G极通过电阻R12连接至功放芯片的14脚，MOS场效应晶体管的D极通过电阻R1连接至功放芯片的1脚，功放芯片的15脚通过电阻R11连接至MOS场效应晶体管的D极，功放芯片的16脚连接至电阻R8的一端，电阻R8的另一端连接二极管的正极，二极管的负极连接至MOS场效应晶体管的D极及电源输出端，所述功放芯片的15脚连接电容C7的正极，电容C7负极连接至所述功放芯片的13脚及电感L1的一端，电感L1的另一端连接至输出端及电容C9的正极，电容C9的负极接地；所述功放芯片的13脚和16脚之间连接有电阻R9，14脚和16脚之间连接有电阻R10，所述电阻R10串联在电阻R8和电阻R12之间；
第二MOS场效应晶体管的G极通过电阻R13连接至功放芯片的11脚，其D极连接至第一MOS场效应晶体管的S极，其S极连接至电源输出端，所述功放芯片的12脚和10脚之间串联电容C8，所述电容C8的负极分别连接至电源输出端，以及通过串联的电阻R6和R5连接至功放芯片的7脚，所述功放芯片的8交连接至电阻R6和R5之间，所述功放芯片的15脚连接二极管的负极，二极管的正极串联电阻R14和电阻R15，所述电阻R15连接至电源输出端，所述功放芯片的9脚连接至电阻R14和电阻R5之间；
所述功放芯片的1脚和2脚之间连接有电容C1，所述电容C1的负极与电容C2的正极连接，电容C2的负极与电阻R2的一端连接，所述电阻R2连接至电源输出端，所述功放芯片的5脚和6脚之间连接有电容C5，所述电容C5的负极与电容C2的负极连接，所述功放芯片的3脚连接电阻R3的一端，电阻R3的另一端连接电容C3的负极，电容C3的正极接电源输入端，所述功放芯片的3脚和4脚之间串联电容C6和电容C7，所述电容C6和电容C7之间连接电阻R4的一端，电阻R4的另一端连接电源输入端，所述电阻R4的另一端连接电容C4的一端，电容C4的另一端连接至功放芯片的4脚。
在本技术方案中，谐振单元采用变压器次级绕组的电感和容性负载形成谐振，变压器采用升压变压器。
所述第一和第二MOS场效应晶体管为N沟增强型场效应晶体管。
所述逆变单元的输出端与谐振单元连接，所述谐振单元的变压器采用升压变压器，经过逆变单元逆变的低压交流电通过升压变压器升压后通过电压采样电路进行电压采样，其电路连接方式为：
所述逆变单元的输出端通过限流电阻R21连接变压器T1的1端进行输入电流采集，变压器T1的2端和3端连接电容C10，所述电容C10的两端串联电阻R22和电阻R23，所述变压器T1的初级另一端接地。
在本技术方案中，通过限流电阻和升压变压器来实现输入电流的采集以及电压转换。其中，输入电流采集不仅限于此种方式，还可以是电流线圈等其它方式。
在变压器输出后连接至输出端口以及电压采样电路，实现电压采样。
所述微控制器的型号为STM32F103微控制器，在实际使用中，也可以选择其它的规格控制器，微控制器的目的在于通过采集输出电压值以及输入电流值，通过算法确定当前变压器是否和负载处于谐振的频率。控制器同时可根据用户设定电压值进行输出幅值调整，给定功放芯片模拟信号，功放根据该模拟信号驱动MOS管进行交流输出。控制器还有通讯及过流保护等其他功能。
实施例一
在本申请中以100-200w的输入功率来计算可以实现多少输出，如：负载为1.2nF，输出电压有效值为3.5kV，输出频率20KHZ。
(1)使用普通电源，电感量非常大约1H，无法工作在谐振频率附近，
容抗：XC＝1/(2πfc)＝6631Ω；
感抗：XL＝2πfL＝125664Ω；
总阻抗：X＝125664*6631/(125664-6631)＝7000Ω；
输出功率:W＝u2/R＝3500*3500/7000＝1750VA。
(2)使用本专利的电源，将变压器电感量设定在谐振频率附近，即55mH；
容抗：XC＝1/(2πfc)＝6631Ω；
感抗：XL＝2πfL＝6911Ω；
总阻抗：X＝6911*6631/(6911-6631)＝163667Ω；
输出功率:W＝u2/R＝3500*3500/163667＝75VA。
由此，可见，通过变压器次级和负载达到谐振，可以使输入功率最小的情况下电压能够升到最高值。微控制器采集变压器输出电压和变压器输入电流，同时更改输出频率，此时分别计算不同频率点的阻抗来判定是否达到谐振。电源和负载达到谐振频率后，可以以最小的输入功率达到最高的输出电压。与传统电源相比，带同样的负载只需要以100-200W的输入功率就可以实现500-2000VA容量输出。
实施例二
如图4所示为谐振阻抗曲线图，从图中可见，当达到谐振点时，阻抗最大，分别向两侧减小。
负载为1.2nF，输出电压有效值3.5kV，输出频率20KHZ和19.9KHZ；
(1)当输出频率为20KHZ时，
容抗：XC＝1/(2πfc)＝6631Ω；
感抗：XL＝2πfL＝6911Ω；
总阻抗：X＝6911*6631/(6911-6631)＝163667Ω；
输出功率:W＝u2/R＝3500*3500/163667＝75VA；
(2)当输出频率为19.9KHZ时，
容抗：XC＝1/(2πfc)＝6665Ω；
感抗：XL＝2πfL＝6877Ω；
总阻抗：X＝6665*6877/(6877-6665)＝318248Ω；
输出功率:W＝u2/R＝3500*3500/216203＝56.6VA；
本实用新型不需要计算spwm输出驱动，使用功放芯片，保护功能完善，通过计算电压及电流信号，计算谐振频率点，使用变压器和负载匹配，即感性负载和容性负载谐振，使体积更小，电源输入功率更小，控制器通过采集电压和电流信号，经算法调频，实现变压器和负载谐振，达到最佳工作频率点。
所描述的实施例只是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
Claims (6)
1.一种容性负载的自动谐振高压高频交流电源，包括逆变单元和谐振单元，其特征在于，
－所述逆变单元包括功放芯片和微控制器，所述功放芯片和微控制器电性连接，通过功放芯片将微控制器输出的小的正弦波信号放大后来实现交流电输出；
－所述谐振单元包括变压器和微控制器，所述变压器和微控制器电性连接，通过变压器次级绕组的电感和容性负载形成谐振；
所述功放芯片接收来自微控制器输出的小的正弦波信号放大后驱动逆变桥来实现将直流电源转化成交流电输出，经滤波电路滤波后由谐振单元形成谐振。
2.根据权利要求1所述的容性负载的自动谐振高压高频交流电源，其特征在于，所述谐振单元还包括电压采集电路和电流采集电路，所述电流采集电路分别与微控制器、滤波电路以及电压采集电路电性连接，所述电压采集电路与微控制器电性连接。
3.根据权利要求1所述的容性负载的自动谐振高压高频交流电源，其特征在于，所述逆变桥由两个MOS场效应晶体管组成，其中第一MOS场效应晶体管的G极通过电阻R12连接至功放芯片的14脚，MOS场效应晶体管的D极通过电阻R1连接至功放芯片的1脚，功放芯片的15脚通过电阻R11连接至MOS场效应晶体管的D极，功放芯片的16脚连接至电阻R8的一端，电阻R8的另一端连接二极管的正极，二极管的负极连接至MOS场效应晶体管的D极及电源输出端，所述功放芯片的15脚连接电容C7的正极，电容C7负极连接至所述功放芯片的13脚及电感L1的一端，电感L1的另一端连接至输出端及电容C9的正极，电容C9的负极接地；所述功放芯片的13脚和16脚之间连接有电阻R9，14脚和16脚之间连接有电阻R10，所述电阻R10串联在电阻R8和电阻R12之间；
第二MOS场效应晶体管的G极通过电阻R13连接至功放芯片的11脚，其D极连接至第一MOS场效应晶体管的S极，其S极连接至电源输出端，所述功放芯片的12脚和10脚之间串联电容C8，所述电容C8的负极分别连接至电源输出端，以及通过串联的电阻R6和R5连接至功放芯片的7脚，所述功放芯片的8交连接至电阻R6和R5之间，所述功放芯片的15脚连接二极管的负极，二极管的正极串联电阻R14和电阻R15，所述电阻R15连接至电源输出端，所述功放芯片的9脚连接至电阻R14和电阻R5之间；
所述功放芯片的1脚和2脚之间连接有电容C1，所述电容C1的负极与电容C2的正极连接，电容C2的负极与电阻R2的一端连接，所述电阻R2连接至电源输出端，所述功放芯片的5脚和6脚之间连接有电容C5，所述电容C5的负极与电容C2的负极连接，所述功放芯片的3脚连接电阻R3的一端，电阻R3的另一端连接电容C3的负极，电容C3的正极接电源输入端，所述功放芯片的3脚和4脚之间串联电容C6和电容C7，所述电容C6和电容C7之间连接电阻R4的一端，电阻R4的另一端连接电源输入端，所述电阻R4的另一端连接电容C4的一端，电容C4的另一端连接至功放芯片的4脚。
4.根据权利要求3所述的容性负载的自动谐振高压高频交流电源，其特征在于，所述第一和第二MOS场效应晶体管为N沟增强型场效应晶体管。
5.根据权利要求3所述的容性负载的自动谐振高压高频交流电源，其特征在于，所述逆变单元的输出端与谐振单元连接，所述谐振单元的变压器采用升压变压器，经过逆变单元逆变的低压交流电通过升压变压器升压后通过电压采样电路进行电压采样，其电路连接方式为：
所述逆变单元的输出端通过限流电阻R21连接变压器T1的1端进行输入电流采集，变压器T1的2端和3端连接电容C10，所述电容C10的两端串联电阻R22和电阻R23，所述变压器T1的初级另一端接地。
6.根据权利要求1所述的容性负载的自动谐振高压高频交流电源，其特征在于，所述微控制器的型号为STM32F103微控制器。
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