一种多功能交直流电源系统的制作方法

本发明涉及电源系统领域，具体涉及一种多功能交直流电源系统。

背景技术：

电源系统是用电设备正常工作的重要部件，电源系统功能的多样性直接影响到了其适用范围，功能多样化的电源系统可为用户提供更多类型的电源输出。目前电源系统多以单一功能电源居多。实验室开发测试时，通常需要不同类型的电源功能，因此设计一种一体化多功能交直流电源系统具有重要意义。

目前，对于多功能交直流电源系统的设计主要采用多模块的组合，将三相交流模块、单相交流模块、直流boost模块、直流buck模块组合，用户使用时需要进行功能选择，从而实现电源功能的多元化。但该种组合方式造成了系统装置较大、成本较高的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种多功能交直流电源系统，将不同功能电路简化为一个单元，通过继电器开关构成所需电源电路，从而减小了电源系统的体积，降低了电源成本。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种多功能交直流电源系统，包括依次与交流电源相连的变压器、整流器、逆变电路及滤波电路，滤波电路连接四个外接端口，整流器连接一个外接端口，所述逆变电路包括逆变器和继电器投切电路，继电器投切电路与微处理器相连，微处理器的输出端还经光电隔离模块与逆变器相连；电源系统接入单向交流电后，输入端的交流电经变压器升压，经整流电路将交流电变为直流电，再经逆变电路使直流电逆变为交流电，最后经滤波器滤波得到稳定的直流电压，逆变电路中接有继电器投切电路，通过微处理器控制继电器的投切，通过光电隔离模块驱动逆变器中的功率开关管，来配合相应的电路实现不同的功能，使电源系统构成ac三相逆变输出模式、ac单相逆变输出模式、直流boost输出模式和直流buck输出模式。

优选的，所述逆变器包括六个功率开关管，分别为第一功率开关管、第二功率开关管、第三功率开关管、第四功率开关管、第五功率开关管及第六功率开关管，其中第一开关管和第二开关管串联，第三开关管与第四开关管串联，第五开关管与第六开关串联，这样六个功率开关管组成了三相桥，三相桥的两端分别与整流器的正输出端和负输出端相连，三相桥输出u、v、w三相，每个桥臂的导通电角度为180°，同一相上下两个桥臂交替导通，各相开始导电的角度依次相差120°。

优选的，所述滤波电路包括分别设置于逆变器的三相输出线路上的电感，三相输出线与公共端之间均设有电容。

优选的，所述继电器投切电路包括十个继电器，整流器的正输出端经第一继电器开关与逆变器相连，整流器的正输出端还经第二继电器开关与滤波电路的u相电感和电容的公共端相连，逆变器的输入端经第三继电器开关与滤波电路的u相输出端相连，滤波电路的u相电感与电容之间设有第四继电器开关，第三功率开关管与第四功率开关管的公共端经第五继电器开关与滤波电路的v相相连，第五功率开关管与第六功率开关管的公共端经第六继电器开关与滤波电路的w相相连，第五功率开关管与第六功率开关管的公共端还依次经第七继电器开关和第八继电器开关与滤波电路的公共端相连，滤波电路的公共端经第九继电器开关与滤波电路的输出端相连，整流器的负输出端n经第十继电器开关与滤波电路的公共端相连，其中，第一继电器开关、第四继电器开关、第五继电器开关、第六继电器开关和第八继电器开关为继电器常闭开关，第二继电器开关、第三继电器开关、第七继电器开关、第九继电器开关和第十继电器开关为继电器常开开关。

优选的，当各个继电器开关均为初始状态时，电源为ac三相逆变输出模式；当第五继电器开关、第六继电器开关、第七继电器开关和第九继电器开关动作时，即第五继电器开关和第六继电器开关断开，第七继电器开关和第九继电器开关闭合，其余继电器开关不动作时，电源为ac单相逆变输出模式；当第五继电器开关、第六继电器开关、第七继电器开关、第八继电器开关、第九继电器开关和第十继电器开关动作时，即第五继电器开关和第六继电器开关断开，第七继电器开关和第九继电器开关闭合，第八继电器开关断开，第十继电器开关闭合，其余继电器开关不动作时，电源为dcbuck输出模式；当所有继电器开关都动作时，即第一继电器开关断开，第二继电器开关和第三继电器开关闭合，第四继电器开关、第五继电器开关和第六继电器开关断开，第七继电器开关闭合，第八继电器开关断开，第九继电器开关和第十继电器开关闭合时，电源为dcboost输出模式。

优选的，所述电源系统的输出端连接有检测调理电路，检测调理电路经微处理器连接逆变电路，通过检测调理电路可将电源输出信号输入微处理器形成闭合回路，进而控制功率开关管导通频率，使电源输出所需精确电压信号。

优选的，所述微处理器还连接有上位机。

优选的，还包括辅助电源，辅助电源分别为微处理器、光电隔离模块、检测调理电路和上位机供电。

本发明将不同功能的电路简化为一个单元，通过继电器投切电路中相应继电器的投切，来构成不同的电源电路，使电源系统构成三相交流输出模式、单向交流输出模式、直流boost输出模式和直流buck输出模式。本发明使电源系统的结构小型化轻量化，从而降低了电源成本。

附图说明

图1为本发明的系统结构图；

图2为本发明的拓扑图；

图3为本发明所述ac三相逆变模式的结构图；

图4为本发明所述ac单相逆变模式的结构图；

图5为本发明所述dcbuck模式的结构图；

图6为本发明所述dcboost模式的结构图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其他所有实施例，都属于本发明的保护范围。

如图1及图2所示，本发明公开了一种多功能交直流电源系统，包括依次与交流电源相连的变压器、整流器、逆变电路、滤波电路及检测调理电路，滤波电路连接四个外接端口，分别为u、v、w和n，整流器连接一个外接端口，逆变电路包括逆变器和继电器投切电路，继电器投切电路与微处理器相连，微处理器还连接有上位机，微处理器的输出端还经光电隔离模块与逆变器相连；电源系统接入单向交流电后，输入端的交流电经变压器升压，经整流电路将交流电变为直流电，再经逆变器使直流电逆变为交流电，最后经滤波器滤波得到稳定的直流电压，逆变电路中接有继电器投切电路，通过上位机输出指令到微处理器，使微处理器控制继电器开关的投切，通过光电隔离模块驱动逆变器中的功率开关管，来配合相应的电路实现不同的功能，改变继电器开关的投切，使电源系统构成ac三相逆变输出模式、ac单相逆变输出模式、直流boost输出模式和直流buck输出模式。电源的输出端经检测调理电路与微处理器相连，通过检测调理电路可将电源输出信号输入微处理器形成闭合回路，进而控制功率开关管的导通频率，使电源输出所需精确电压信号；上位机、微处理器、光电隔离模块和检测调理电路均连接有辅助电源。微处理器控制继电器开关的投切，及驱动功率开关管工作的过程均为现有技术，不再赘述。

逆变器包括六个功率开关管，分别为第一功率开关管vt1、第二功率开关管vt2、第三功率开关管vt3、第四功率开关管vt4、第五功率开关管vt5及第六功率开关管vt6，其中第一开关管vt1和第二开关管vt2串联，第三开关管vt3与第四开关管vt4串联，第五开关管vt5与第六开关管vt6串联，这样六个功率开关管组成三相桥，三相桥的两端分别与整流器的正输出端p和负输出端n相连，三相桥输出u、v、w三相，每个桥臂的导通角度为180°，同一相上下两个桥臂交替导通，各相开始导电的角度依次相差120°。

滤波电路包括分别设置于逆变器的三相输出线路上的电感l，三相输出线与公共端之间均设有电容c。

继电器投切电路包括十个继电器，整流器的正输出端p经第一继电器开关k1与逆变器相连，整流器的正输出端还经第二继电器开关k2与滤波电路的u相电感l和电容c的公共端相连，逆变器的输入端经第三继电器开关k3与滤波电路的u相输出端相连，滤波电路的u相电感l与电容c之间设有第四继电器开关k4，第三功率开关管vt3与第四功率开关管vt4的公共端经第五继电器开关k5与滤波电路的v相相连，第五功率开关管vt5与第六功率开关管vt6的公共端经第六继电器开关k6与滤波电路的w相相连，第五功率开关管vt5与第六功率开关管vt6的公共端还依次经第七继电器开关k7和第八继电器开关k8与滤波电路的公共端相连，滤波电路的公共端经第九继电器开关k9与滤波电路的输出端相连，整流器的负输出端n经第十继电器开关k10与滤波电路的公共端相连，其中，第一继电器开关k1、第四继电器开关k4、第五继电器开关k5、第六继电器开关k6和第八继电器开关k8为常闭开关，第二继电器开关k2、第三继电器开关k3、第七继电器开关k7、第九继电器开关k9和第十继电器开关k10为常开开关。

如图3所示，当各个继电器开关均为初始状态时，电源为ac三相逆变输出模式，通过光电隔离模块驱动功率开关管，每个桥臂的导通角度为180°，同一相上下两个桥臂交替导通，各相开始导电的角度依次相差120°，在一瞬间将有三个桥臂同时导通，可为上桥臂也可为下桥臂，通过改变功率开关管的导通顺序实现三相交流输出，输出得到的三相交流电通过检测调理电路，将电源输出信号输入微控制器中形成闭合回路，调节功率开关的通断频率，实现精确电压的输出，此时系统结构支持三相交流输出，可实现三次谐波模拟、输出频率和输出电压可调的功能。

如图4所示，当第五继电器开关k5、第六继电器开关k6、第七继电器开关k7和第九继电器开关k9动作时，即第五继电器开关k5和第六继电器开关k6断开，第七继电器开关k7和第九继电器开关k9闭合，其余继电器开关不动作时，电源为ac单相逆变输出模式，第一功率开关管vt1、第二功率开关管vt2、第五功率开关管vt5和第六功率开关管vt6可作用于电路，微处理器先使第一功率开关管vt1和第六功率开关管vt6导通时，后使第五功率开关管vt5和第二功率开关管vt2导通，通过改变功率开关管的导通顺序实现单向交流输出，输出得到的单相交流电通过检测调理电路，将电源输出信号输入微控制器中形成闭合回路，通过调节功率开关的通断频率，实现精确电压的输出。

如图5所示，当第五继电器开关k5、第六继电器开关k6、第七继电器开关k7、第八继电器开关k8、第九继电器开关k9和第十继电器开关k10动作时，即第五继电器开关k5和第六继电器开关k6断开，第七继电器开关k7和第九继电器开关k9闭合，第八继电器开关k8断开，第十继电器开关k10闭合，其余继电器开关不动作时，电源为dcbuck输出模式，微处理器输出高电平时第一功率开关管vt1导通，电感l被充磁，流经电感l的电流线性增加，同时给电容c充电，给负载r提供能量。微处理器输出低电平时第一功率开关管vt1断开，电感l通过与第二功率开关管vt2并联的续流二极管放电，电感l的电流线性减少，输出电压靠电容c放电以及减小的电感电流维持，输出的电压小于输入电压，此时能够实现直流buck输出。输出得到的直流电通过检测调理电路，将电源输出信号输入微控制器形成闭合回路，控制功率开关管实现所需电压的精准调节。

如图6所示，当所有继电器开关都动作时，即第一继电器开关k1断开，第二继电器开关k2和第三继电器开关k3闭合，第四继电器开关k4、第五继电器开关k5和第六继电器开关k6断开，第七继电器开关k7闭合，第八继电器开关k8断开，第九继电器开关k9和第十继电器开关k10闭合时，电源为dcboost输出模式，微处理输出相应的pwm波信号，通过光电隔离模块驱动开关管，当第二功率开关管vt2导通时，电路中只有电感l接入电路，输入电压流过电感l，由于输入是直流电，所以电感l上的电流以一定的比率线性增加，随着电感电流增加，电感l里储存了一些能量；第二功率开关管当vt2断开，第一功率开关管vt1接通，由于电感l的电流保持特性，流经电感l的电流不会马上变为0，而是缓慢的由充电完毕时的值变为0，原来的电路已断开，于是电感l只能通过新电路放电，即电感l开始给电容c充电，电容c两端电压升高，此时输出电压已经高于输入电压了，此时系统为直流升压斩波电路，从而实现了直流升压（boost）输出。输出得到的直流电通过检测调理电路，将电源输出信号输入微控制器形成闭合回路，控制功率开关管实现所需电压的精准调节。

本发明在工作时，首先将单相交流电接入系统，输入端的交流电经变压器升压，经整流电路将交流电变为直流电，再经逆变器使直流电逆变为交流电，最后经滤波器滤波得到稳定的直流电压，逆变电路中接有继电器投切电路，通过微处理器控制继电器的投切，通过光电隔离模块驱动逆变器中的功率开关管，来配合相应的电路实现不同的功能，改变继电器开关的投切，使电源系统构成ac三相逆变输出电路、ac单相逆变输出电路、直流boost输出电路和直流buck输出电路。