專利名稱：通用開關電源的制作方法
技術領域：
本發明涉及電カ電子的技術領域，具體地，涉及ー種通用開關電源，其可實現12V直流-120V直流雙向直流功率傳輸，或120V直流-12V直流雙向直流功率傳輸。
背景技術：
通用開關電源是微電網重要組成部分。隨著我國微電網的迅猛發展，對于通用開關電源的需求越來越旺盛，對通用開關電源功率傳輸的靈活性要求也越來越高。穩定性好、實現雙向直流功率傳輸的通用開關電源符合微電網的發展要求，具有良好的應用前景。為了完成雙向直流功率傳輸，通用開關電源可以采用帶隔離型的開關電源和非隔離型的開關電源。與帶隔離型的開關電源相比，非隔離型的開關電源具有結構簡單、成本低廉、電源利用率高和穩定可靠的優點。
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經過對現有適合雙向直流功率傳輸技術的檢索發現，文章《電動客車直流電機驅動雙向升降壓變換器的研究》(《佳木斯大學學報》，2005第3期)中描述的開關電源的結構缺少boost升壓結構，其升壓能力低，且會產生電流震蕩，増加了控制的復雜度，無法應用于微電網中。為此需要采用新的通用開關電源，提高升壓比，提高電源利用率，簡化控制，保證供電質量。
發明內容
有鑒于現有技術的上述缺陷，本發明所要解決的技術問題是提供ー種通用開關電源，其能夠實現雙向直流功率傳輸，具有高升壓比、結構簡単、控制簡便、成本低廉等優點。為實現上述目的，本發明提供了ー種通用開關電源，其包括第一濾波電路、變換電路和第二濾波電路，所述第一濾波電路的輸出端與所述變換電路的輸入端相連，所述變換電路的輸出端與所述第二濾波電路的輸入端相連，所述第二濾波電路的兩個端子為通用開關電源的輸出端；其中，所述第一濾波電路為電容電路，包括第一電阻和第一電解電容，其中，所述第一電阻為穩定電阻，其兩端與直流電源的輸入正極和輸入負極相連；所述第一電解電容與所述第一電阻并聯，其正極與所述輸入正極相連，其負極與所述輸入負極相連；所述變換電路為帶兩個H橋的變換電路，包括第一電感、第二電感和八個IGBT，其中，所述第一電感兩端分別與第一節點和第三節點相連；所述第二電感兩端分別與第二節點和第四節點相連；第一 IGBT集電極與所述輸入正極相連，其發射極與所述第一節點相連；第二 IGBT集電極與所述第一節點相連，其發射極與所述輸入負極相連；第三IGBT集電極與所述輸入正極相連，其發射極與所述第二節點相連；第四IGBT集電極與所述第二節點相連，其發射極與所述輸入負極相連第五IGBT集電極與直流電源的輸出正極相連，其發射極與所述第三節點相連；第六IGBT集電極與所述第三節點相連，其發射極與直流電源的輸出負極相連；第七IGBT集電極與所述輸出正極相連，其發射極與所述第四節點相連；第八IGBT集電極與所述第四節點相連，其發射極與所述輸出負極相連；其中，所述第一節點為所述第一 IGBT與所述第二 IGBT構成的橋臂中點，所述第二節點為所述第三IGBT與所述第四IGBT構成的橋臂中點，所述第三節點為所述第五IGBT與所述第六IGBT構成的橋臂中點，所述第四節點為所述第七IGBT與所述第八IGBT構成的橋臂中點；所述第二濾波電路為電容電路，包括第二電阻和第二電解電容，其中，所述第二電解電容正極與所述輸出正極相連，其負極與所述輸出負極相連，所述第二電阻為穩定電阻，其兩端與所述第二電解電容兩端并聯。根據上述的通用開關電源，其中，所述的八個IGBT的門極接收PWM脈沖控制信號，并且當正向功率傳輸時，所述第一 IGBT、第二 IGBT、第三IGBT和第四IGBT構成逆變器，將左側輸入直流變換為交流，通過所述第一電感和第二電感傳輸至由所述第五IGBT、第六IGBT、第七IGBT和第八IGBT構成的整流器并輸出直流；反向功率傳輸時，所述第五IGBT、第六IGBT、第七IGBT和第八IGBT構成的逆變器，將右側輸入變換為交流，通過所述第一電感和第二電感傳輸至由第一 IGBT、第二 IGBT、第三IGBT和第四IGBT構成的整流器并輸出·直流。根據上述的通用開關電源，其中，所述第二 IGBT和第四IGBT的發射極與所述第六IGBT和第八IGBT的發射極相連。進ー步地，根據上述的通用開關電源，其中，所述的八個IGBT的門極接收PWM脈沖控制信號，當所述第一 IGBT和第三IGBT以一定占空比開通關斷，其余IGBT始終開通時，所述變換電路正向降壓；當第二 IGBT和第四IGBT以一定占空比開通關斷，其余IGBT始終開通時，所述變換電路正向升壓；當第五IGBT和第七IGBT以一定占空比開通關斷，其余IGBT始終開通時，所述變換電路反向降壓；當第六IGBT和第八IGBT以一定占空比開通關斷，其余IGBT始終開通時，所述變換電路正向降壓。根據上述的通用開關電源，其中，所述變換電路還包括第九IGBT、第十IGBT、第i^一 IGBT、第十二 IGBT和第三電感；第五節點為所述第九IGBT與所述第十IGBT構成的橋臂中點，第六節點為所述第十一 IGBT與所述第十二 IGBT構成的橋臂中點；其中，所述第九IGBT集電極與所述輸入正極相連，其發射極與所述第五節點相連；第十IGBT集電極與第五節點相連，其發射極與所述輸入負極相連；第十一 IGBT集電極與所述輸出正極相連，其發射極與所述第六節點相連；第十二 IGBT集電極與所述第六節點相連，其發射極與所述輸出負極相連，所述第三電感兩端分別與所述第五節點和所述第六節點相連。進ー步地，根據上述的通用開關電源，其中，所述十二個IGBT的門極接收PWM脈沖控制信號，正向功率傳輸時，所述第一 IGBT、第二 IGBT、第三IGBT、第四IGBT、第九IGBT和第十IGBT構成三相逆變器，將左側輸入直流變換為三相交流，通過所述第一電感、第二電感和第三電感傳輸至由第五IGBT、第六IGBT、第七IGBT、第八IGBT、第i^一 IGBT和第十二IGBT構成的三相整流器，并輸出直流；反向功率傳輸時，第五IGBT、第六IGBT、第七IGBT、第八IGBT、第i^一 IGBT和第十二 IGBT構成的三相逆變器，將右側輸入變換為三相交流，通過所述第一電感、第二電感和第三電感傳輸至由第一 IGBT、第二 IGBT、第三IGBT、第四IGBT、第九IGBT和第十IGBT構成的整流器，并輸出直流。進ー步地，根據上述的通用開關電源，其中，所述第二 IGBT、第四IGBT和第十IGBT的發射極與所述第六IGBT、第八IGBT和第十二 IGBT的發射極相連。
更進一歩地，根據上述的通用開關電源，其中，所述十二個IGBT的門極接收PWM脈沖控制信號，當所述第一 IGBT、第三IGBT和第九IGBT以一定占空比開通關斷，其余IGBT始終開通時，所述變換電路正向降壓；當第二 IGBT、第四IGBT和第十IGBT以一定占空比開通關斷，其余IGBT始終開通時，所述變換電路正向升壓；當第五IGBT、第七IGBT和第i^ 一IGBT以一定占空比開通關斷，其余IGBT始終開通時，所述變換電路反向降壓；當第六IGBT、第八IGBT和第十二 IGBT以一定占空比開通關斷，其余IGBT始終開通時，所述變換電路正向降壓。因此，本發明的通用開關電源利用帶兩個H橋的變換電路將直流電壓轉換為的交流電壓再進行整流的處理，從而實現雙向直流功率傳輸，其升壓比高、電路結構簡單、控制簡便、輸出電壓穩定性好，符合微電網的發展要求，且具有設計結構新穎、通用性強、成本低廉等優點。
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圖I為本發明的通用開關電源的電路原理圖；圖2為由圖I的通用開關電源衍生出的雙向DC-DC升降壓變換器的電路原理圖；圖3為圖I的通用開關電源的三相形式的電路原理圖；圖4為圖2的通用開關電源的三相形式的電路原理圖。
具體實施例方式以下將結合附圖對本發明的構思、具體結構及產生的技術效果作進ー步說明，以充分地了解本發明的目的、特征和效果。如圖I所示，本發明是一種可將12V直流從輸入端升壓至120V直流送至輸出端，將120V直流從輸入端降壓至12V直流送至輸出端；或將12V直流從輸出端升壓至120V直流送至輸入端、將120V直流從輸出端降壓至12V直流送至輸入端的通用開關電源，其功率等級為2. Okff0包括依次級聯的第一濾波電路I、變換電路2和第二濾波電路3，第一濾波電路I的輸出端與變換電路2輸入端相連，變換電路2的輸出端與第二濾波電路3的輸入端相連。第二濾波電路2的兩個端子為通用開關電源的輸出端。第一濾波電路I為電容電路，其包括第一電阻Rl和第一電解電容E1。其中，第一電阻Rl為穩定電阻，其兩端與直流電源的輸入正極Pl和輸入負極NI相連；第一電解電容El與第一電阻Rl并聯，其正極與直流電源的輸入正極Pl相連，其負極與直流電源的輸入負極P2相連。具體地，第一電解電容El為鋁電解電容，電容值為2200ii F，額定電壓為200V ；第一電阻Rl阻值為200k Q，額定功率為2W。變換電路2為帶兩個H橋的變換電路，其包括第一電感LI、第二電感L2和八個絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)。其中，第一電感LI兩端分別與第一節點A和第三節點C相連；第二電感L2兩端分別與第二節點B和第四節點D相連；第一 IGBTSl集電極與輸入正極Pl相連，其發射極與第一節點A相連；第二 IGBT S2集電極與第一節點A相連，其發射極與輸入負極NI相連；第三IGBT S3集電極與輸入正極Pl相連，其發射極與第二節點B相連；第四IGBT S4集電極與第二節點B相連，其發射極與輸入負極NI相連；第五IGBT S5集電極與輸出正極P2相連，其發射極與第三節點C連；第六IGBT S6集電極與第三節點C相連，其發射極與輸出負極N2相連；第七IGBT集電極與輸出正極P2相連，其發射極與第四節點D連；第八IGBT集電極與第四節點D相連，其發射極與輸出負極N2相連。其中，第一節點A為第一 IGBT SI與第二 IGBT S2構成的橋臂中點，第二節點B為第三IGBT S3與第四IGBTS4構成的橋臂中點，第三節點C為第五IGBT S5與第六IGBTS6構成的橋臂中點，第四節點D為第七IGBT S7與第八IGBT S8構成的橋臂中點。具體地，第一電感LI和第二電感L2的電感值為ImH ；IGBT SI S8為功率IGBT35A/200V/100C，開關頻率為20kHz。在具體工作送，本發明的八個IGBT的門極接收PWM脈沖控制信號，并且八個IGBT的工作方式如下正向功率傳輸時，第一 IGBT SI 第四IGBT S4構成逆變器，將左側輸入直流變換為交流，通過第一電感LI和第二電感L2傳輸至由第五IGBT S5 第八IGBT S8構成的整流器，并輸出直流；反向功率傳輸時，第五IGBTS5 第八IGBTS8構成的逆變器，將右側輸入變換為交流，通過第一電感LI和第二電感L2傳輸至由第一 IGBT 第四IGBT構成的整流器，并輸出直流。通過控制左右橋臂的開關占空比，使節點AB兩端電壓和節點CD兩端電壓形成正或負的壓差，從而實現直流變換和雙向直流功率傳輸。其中，從輸入端至輸出端定義為正向，從輸出端至輸入端定義為反向。·濾波電路3為電容電路，其包括第二電阻R2和第二電解電容E2。其中第二電解電容E2正極與輸出正極P2相連，負極與輸出負極N2相連；第ニ電阻R2為穩定電阻，其兩端與第二解電容E2端并聯。具體地，第二電解電容E2為鋁電解電容，電容值為2200 ii F，額定電壓為200V ;第ニ電阻R2阻值為200k Q，額定功率為2W。具體地，正向升壓時，可將12V直流從輸入端升壓至120V直流送至輸出端；正向降壓時，可將120V直流從輸入端降壓至12V直流送至輸出端；反向升壓時，可將12V直流從輸出端升壓至120V直流送至輸入端，反向降壓時，可將120V直流從輸出端降壓至12V直流送至輸入端。由此實現通用開關電源的雙向直流功率傳輸。圖2中僅將圖I中左邊兩個橋臂和右邊兩個橋臂間負極連接,就構成了 DC-DC變換器。具體的工作方式如下八個IGBT的門極接收PWM脈沖控制信號，當第一、三IGBT SI、S3以一定占空比開通關斷，其余IGBT始終開通時，變換電路2正向降壓；當第二、四IGBTS2、S4以一定占空比開通關斷，其余IGBT始終開通時，變換電路2正向升壓；當第五、七IGBT S5、S7以一定占空比開通關斷，其余IGBT始終開通時，變換電路2反向降壓；當第六、八IGBT S6、S8以一定占空比開通關斷，其余IGBT始終開通時，變換電路2正向降壓。通過上述方式，其可實現雙向DC-DC升降壓。圖3中僅在圖I的基礎上在變換電路左邊兩個橋臂右側增加ー個橋臂，在變換電路右邊兩個橋臂右側増加一個橋臂，其中第九IGBT S9集電極與輸入正極Pl相連，其發射極與第五節點E相連；第十IGBT SlO集電極與第五節點E相連，其發射極與輸入負極NI相連；第^^一 IGBT Sll集電極與輸出正極P2相連，其發射極與第六節點F相連；第十二 IGBTS12集電極與第六節點F相連，其發射極與輸出負極N2相連。第三電感L3的兩端分別與第五節點E和第六節點F相連。其中，第五節點E為第九IGBT S9與第十IGBT SlO構成的橋臂中點，第六節點F為第i^一 IGBT Sll與第十二 IGBT S12構成的橋臂中點。圖3中的三相通用開關電源的工作方式如下十二個IGBT的門極接收PWM脈沖控制信號，正向功率傳輸時，第一 IGBT SI 第四IGBT S4、第九IGBT S9和第十IGBT SlO構成三相逆變器，將左側輸入直流變換為三相交流，通過第一電感LI 第三電感L3傳輸至由第五IGBT S5 第八IGBT S8、第4^一 IGBT Sll和第十二 IGBT S12構成的三相整流器，并輸出直流；反向功率傳輸時，第五IGBT S5 第八IGBTS8、第i^ 一IGBT Sll和第十二 IGBTS12構成的三相逆變器，將右側輸入變換為三相交流，通過第一電感LI 第三電感L3傳輸至由第一 IGBT SI 第四IGBT S4、第九IGBT S9和第十IGBT SlO構成的整流器，并輸出直流。通過控制左右橋臂的開關占空比，使AB兩端電壓、EF兩端電壓和⑶兩端電壓形成正或負的壓差，從而實現直流變換和雙向直流功率傳輸。圖4中僅將圖3中左邊三個橋臂和右邊三個橋臂間負極連接，從而構成了 DC-DC變換器，其工作方式如下十二個IGBT的門極接收PWM脈沖控制信號，當第一、三、九IGBTSI、S3、S9以一定占空比開通關斷，其余IGBT始終開通時，變換電路2正向降壓；當第二、四、十IGBT S2、S4、SlO以一定占空比開通關斷，其余IGBT始終開通時，變換電路2正向升壓；當第五、七、i^一 IGBT S5、S7、S11以一定占空比開通關斷，其余IGBT始終開通時，變換電路2反向降壓；當第六、八、十二 IGBT S6、S8、S12以一定占空比開通關斷，其余IGBT始終開通吋，變換電路2正向降壓。通過上述方式，本發明可實現雙向DC-DC升降壓。
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本發明采用通用開關電源，將輸入端(或輸出端)交流電壓變換為升高或降低的直流電壓送至輸出端(或輸入端)，同時能夠實現電路的雙向直流功率傳輸，其結構簡単、控制簡便、設計新穎、不會產生電流震蕩；同時在升壓時，升壓比高于以往的雙向可升降壓變換器。以上詳細描述了本發明的較佳具體實施例。應當理解，本領域的普通技術無需創造性勞動就可以根據本發明的構思作出諸多修改和變化。因此，凡本技術領域中技術人員依本發明的構思在現有技術的基礎上通過邏輯分析、推理或者有限的實驗可以得到的技術方案，皆應在由權利要求書所確定的保護范圍內。
權利要求
1.一種通用開關電源，其特征在于，包括第一濾波電路、變換電路和第二濾波電路，所述第一濾波電路的輸出端與所述變換電路的輸入端相連，所述變換電路的輸出端與所述第二濾波電路的輸入端相連，所述第二濾波電路的兩個端子為通用開關電源的輸出端； 其中，所述第一濾波電路為電容電路，包括第一電阻和第一電解電容，其中，所述第一電阻為穩定電阻，其兩端與直流電源的輸入正極和輸入負極相連；所述第一電解電容與所述第一電阻并聯，其正極與所述輸入正極相連，其負極與所述輸入負極相連； 所述變換電路為帶兩個H橋的變換電路，包括第一電感、第二電感和八個IGBT，其中，所述第一電感兩端分別與第一節點和第三節點相連；所述第二電感兩端分別與第二節點和第四節點相連；第一 IGBT集電極與所述輸入正極相連，其發射極與所述第一節點相連；第二 IGBT集電極與所述第一節點相連，其發射極與所述輸入負極相連；第三IGBT集電極與所述輸入正極相連，其發射極與所述第二節點相連；第四IGBT集電極與所述第二節點相連，其發射極與所述輸入負極相連第五IGBT集電極與直流電源的輸出正極相連，其發射極與所述第三節點相連；第六IGBT集電極與所述第三節點相連，其發射極與直流電源的輸出負極相連；第七IGBT集電極與所述輸出正極相連，其發射極與所述第四節點相連；第八IGBT集電極與所述第四節點相連，其發射極與所述輸出負極相連；其中，所述第一節點為所述第一IGBT與所述第二 IGBT構成的橋臂中點，所述第二節點為所述第三IGBT與所述第四IGBT構成的橋臂中點，所述第三節點為所述第五IGBT與所述第六IGBT構成的橋臂中點，所述第四節點為所述第七IGBT與所述第八IGBT構成的橋臂中點； 所述第二濾波電路為電容電路，包括第二電阻和第二電解電容，其中，所述第二電解電容正極與所述輸出正極相連，其負極與所述輸出負極相連，所述第二電阻為穩定電阻，其兩端與所述第二電解電容兩端并聯。
2.根據權利要求I所述的通用開關電源，其特征在于，所述的八個IGBT的門極接收PWM脈沖控制信號，并且當正向功率傳輸時，所述第一 IGBT、第二 IGBT、第三IGBT和第四IGBT構成逆變器，將左側輸入直流變換為交流，通過所述第一電感和第二電感傳輸至由所述第五IGBT、第六IGBT、第七IGBT和第八IGBT構成的整流器并輸出直流；反向功率傳輸時，所述第五IGBT、第六IGBT、第七IGBT和第八IGBT構成的逆變器，將右側輸入變換為交流，通過所述第一電感和第二電感傳輸至由第一 IGBT、第二 IGBT、第三IGBT和第四IGBT構成的整流器并輸出直流。
3.根據權利要求I所述的通用開關電源，其特征在于，所述第二IGBT和第四IGBT的發射極與所述第六IGBT和第八IGBT的發射極相連。
4.根據權利要求3所述的通用開關電源，其特征在于，所述的八個IGBT的門極接收PWM脈沖控制信號，當所述第一 IGBT和第三IGBT以一定占空比開通關斷，其余IGBT始終開通時，所述變換電路正向降壓；當第二 IGBT和第四IGBT以一定占空比開通關斷，其余IGBT始終開通時，所述變換電路正向升壓；當第五IGBT和第七IGBT以一定占空比開通關斷，其余IGBT始終開通時，所述變換電路反向降壓；當第六IGBT和第八IGBT以一定占空比開通關斷，其余IGBT始終開通時，所述變換電路正向降壓。
5.根據權利要求I所述的通用開關電源，其特征在于，所述變換電路還包括第九IGBT、第十IGBT、第i^一 IGBT、第十二 IGBT和第三電感；第五節點為所述第九IGBT與所述第十IGBT構成的橋臂中點，第六節點為所述第i^一 IGBT與所述第十二 IGBT構成的橋臂中點；其中，所述第九IGBT集電極與所述輸入正極相連，其發射極與所述第五節點相連；第十IGBT集電極與第五節點相連，其發射極與所述輸入負極相連；第十一 IGBT集電極與所述輸出正極相連，其發射極與所述第六節點相連；第十二 IGBT集電極與所述第六節點相連，其發射極與所述輸出負極相連，所述第三電感兩端分別與所述第五節點和所述第六節點相連。
6.根據權利要求5所述的通用開關電源，其特征在于，所述十二個IGBT的門極接收PWM脈沖控制信號，正向功率傳輸時，所述第一 IGBT、第二 IGBT、第三IGBT、第四IGBT、第九IGBT和第十IGBT構成三相逆變器，將左側輸入直流變換為三相交流，通過所述第一電感、第二電感和第三電感傳輸至由第五IGBT、第六IGBT、第七IGBT、第八IGBT、第i^一 IGBT和第十二 IGBT構成的三相整流器，并輸出直流；反向功率傳輸時，第五IGBT、第六IGBT、第七IGBT、第八IGBT、第i^一 IGBT和第十二 IGBT構成的三相逆變器，將右側輸入變換為三相交流，通過所述第一電感、第二電感和第三電感傳輸至由第一 IGBT、第二 IGBT、第三IGBT、第四IGBT、第九IGBT和第十IGBT構成的整流器，并輸出直流。
7.根據權利要求5所述的通用開關電源，其特征在于，所述第二IGBT、第四IGBT和第十 p>IGBT的發射極與所述第六IGBT、第八IGBT和第十二 IGBT的發射極相連。
8.根據權利要求7所述的通用開關電源，其特征在于，所述十二個IGBT的門極接收PWM脈沖控制信號，當所述第一 IGBT、第三IGBT和第九IGBT以一定占空比開通關斷，其余IGBT始終開通時，所述變換電路正向降壓；當第二 IGBT、第四IGBT和第十IGBT以一定占空比開通關斷，其余IGBT始終開通時，所述變換電路正向升壓；當第五IGBT、第七IGBT和第十一 IGBT以一定占空比開通關斷，其余IGBT始終開通時，所述變換電路反向降壓；當第六IGBT、第八IGBT和第十二 IGBT以一定占空比開通關斷，其余IGBT始終開通時，所述變換電路正向降壓。
全文摘要
本發明公開一種通用開關電源，其包括第一濾波電路、變換電路和第二濾波電路，所述第一濾波電路的輸出端與所述變換電路的輸入端相連，所述變換電路的輸出端與所述第二濾波電路的輸入端相連，所述第二濾波電路的兩個端子為通用開關電源的輸出端。本發明的通用開關電源利用帶兩個H橋的變換電路將直流電壓轉換為的交流電壓再進行整流的處理，從而實現雙向直流功率傳輸，其升壓比高、電路結構簡單、控制簡便、輸出電壓穩定性好，符合微電網的發展要求，且具有設計結構新穎、通用性強、成本低廉等優點。
文檔編號H02M3/335GK102790532SQ201210260740
公開日2012年11月21日 申請日期2012年7月25日 優先權日2012年7月25日
發明者楊喜軍, 王男, 郜登科, 陸飛 申請人:上海交通大學