专利名称：通用开关电源的制作方法
技术领域：
本发明涉及电カ电子的技术领域，具体地，涉及ー种通用开关电源，其可实现12V直流-120V直流双向直流功率传输，或120V直流-12V直流双向直流功率传输。
背景技术：
通用开关电源是微电网重要组成部分。随着我国微电网的迅猛发展，对于通用开关电源的需求越来越旺盛，对通用开关电源功率传输的灵活性要求也越来越高。稳定性好、实现双向直流功率传输的通用开关电源符合微电网的发展要求，具有良好的应用前景。为了完成双向直流功率传输，通用开关电源可以采用带隔离型的开关电源和非隔离型的开关电源。与带隔离型的开关电源相比，非隔离型的开关电源具有结构简单、成本低廉、电源利用率高和稳定可靠的优点。
·
经过对现有适合双向直流功率传输技术的检索发现，文章《电动客车直流电机驱动双向升降压变换器的研究》(《佳木斯大学学报》，2005第3期)中描述的开关电源的结构缺少boost升压结构，其升压能力低，且会产生电流震荡，増加了控制的复杂度，无法应用于微电网中。为此需要采用新的通用开关电源，提高升压比，提高电源利用率，简化控制，保证供电质量。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供ー种通用开关电源，其能够实现双向直流功率传输，具有高升压比、结构简単、控制简便、成本低廉等优点。为实现上述目的，本发明提供了ー种通用开关电源，其包括第一滤波电路、变换电路和第二滤波电路，所述第一滤波电路的输出端与所述变换电路的输入端相连，所述变换电路的输出端与所述第二滤波电路的输入端相连，所述第二滤波电路的两个端子为通用开关电源的输出端；其中，所述第一滤波电路为电容电路，包括第一电阻和第一电解电容，其中，所述第一电阻为稳定电阻，其两端与直流电源的输入正极和输入负极相连；所述第一电解电容与所述第一电阻并联，其正极与所述输入正极相连，其负极与所述输入负极相连；所述变换电路为带两个H桥的变换电路，包括第一电感、第二电感和八个IGBT，其中，所述第一电感两端分别与第一节点和第三节点相连；所述第二电感两端分别与第二节点和第四节点相连；第一 IGBT集电极与所述输入正极相连，其发射极与所述第一节点相连；第二 IGBT集电极与所述第一节点相连，其发射极与所述输入负极相连；第三IGBT集电极与所述输入正极相连，其发射极与所述第二节点相连；第四IGBT集电极与所述第二节点相连，其发射极与所述输入负极相连第五IGBT集电极与直流电源的输出正极相连，其发射极与所述第三节点相连；第六IGBT集电极与所述第三节点相连，其发射极与直流电源的输出负极相连；第七IGBT集电极与所述输出正极相连，其发射极与所述第四节点相连；第八IGBT集电极与所述第四节点相连，其发射极与所述输出负极相连；其中，所述第一节点为所述第一 IGBT与所述第二 IGBT构成的桥臂中点，所述第二节点为所述第三IGBT与所述第四IGBT构成的桥臂中点，所述第三节点为所述第五IGBT与所述第六IGBT构成的桥臂中点，所述第四节点为所述第七IGBT与所述第八IGBT构成的桥臂中点；所述第二滤波电路为电容电路，包括第二电阻和第二电解电容，其中，所述第二电解电容正极与所述输出正极相连，其负极与所述输出负极相连，所述第二电阻为稳定电阻，其两端与所述第二电解电容两端并联。根据上述的通用开关电源，其中，所述的八个IGBT的门极接收PWM脉冲控制信号，并且当正向功率传输时，所述第一 IGBT、第二 IGBT、第三IGBT和第四IGBT构成逆变器，将左侧输入直流变换为交流，通过所述第一电感和第二电感传输至由所述第五IGBT、第六IGBT、第七IGBT和第八IGBT构成的整流器并输出直流；反向功率传输时，所述第五IGBT、第六IGBT、第七IGBT和第八IGBT构成的逆变器，将右侧输入变换为交流，通过所述第一电感和第二电感传输至由第一 IGBT、第二 IGBT、第三IGBT和第四IGBT构成的整流器并输出·直流。根据上述的通用开关电源，其中，所述第二 IGBT和第四IGBT的发射极与所述第六IGBT和第八IGBT的发射极相连。进ー步地，根据上述的通用开关电源，其中，所述的八个IGBT的门极接收PWM脉冲控制信号，当所述第一 IGBT和第三IGBT以一定占空比开通关断，其余IGBT始终开通时，所述变换电路正向降压；当第二 IGBT和第四IGBT以一定占空比开通关断，其余IGBT始终开通时，所述变换电路正向升压；当第五IGBT和第七IGBT以一定占空比开通关断，其余IGBT始終开通时，所述变换电路反向降压；当第六IGBT和第八IGBT以一定占空比开通关断，其余IGBT始终开通时，所述变换电路正向降压。根据上述的通用开关电源，其中，所述变换电路还包括第九IGBT、第十IGBT、第i^一 IGBT、第十二 IGBT和第三电感；第五节点为所述第九IGBT与所述第十IGBT构成的桥臂中点，第六节点为所述第十一 IGBT与所述第十二 IGBT构成的桥臂中点；其中，所述第九IGBT集电极与所述输入正极相连，其发射极与所述第五节点相连；第十IGBT集电极与第五节点相连，其发射极与所述输入负极相连；第十一 IGBT集电极与所述输出正极相连，其发射极与所述第六节点相连；第十二 IGBT集电极与所述第六节点相连，其发射极与所述输出负极相连，所述第三电感两端分别与所述第五节点和所述第六节点相连。进ー步地，根据上述的通用开关电源，其中，所述十二个IGBT的门极接收PWM脉冲控制信号，正向功率传输时，所述第一 IGBT、第二 IGBT、第三IGBT、第四IGBT、第九IGBT和第十IGBT构成三相逆变器，将左侧输入直流变换为三相交流，通过所述第一电感、第二电感和第三电感传输至由第五IGBT、第六IGBT、第七IGBT、第八IGBT、第i^一 IGBT和第十二IGBT构成的三相整流器，并输出直流；反向功率传输时，第五IGBT、第六IGBT、第七IGBT、第八IGBT、第i^一 IGBT和第十二 IGBT构成的三相逆变器，将右侧输入变换为三相交流，通过所述第一电感、第二电感和第三电感传输至由第一 IGBT、第二 IGBT、第三IGBT、第四IGBT、第九IGBT和第十IGBT构成的整流器，并输出直流。进ー步地，根据上述的通用开关电源，其中，所述第二 IGBT、第四IGBT和第十IGBT的发射极与所述第六IGBT、第八IGBT和第十二 IGBT的发射极相连。
更进一歩地，根据上述的通用开关电源，其中，所述十二个IGBT的门极接收PWM脉冲控制信号，当所述第一 IGBT、第三IGBT和第九IGBT以一定占空比开通关断，其余IGBT始终开通时，所述变换电路正向降压；当第二 IGBT、第四IGBT和第十IGBT以一定占空比开通关断，其余IGBT始终开通时，所述变换电路正向升压；当第五IGBT、第七IGBT和第i^ 一IGBT以一定占空比开通关断，其余IGBT始终开通时，所述变换电路反向降压；当第六IGBT、第八IGBT和第十二 IGBT以一定占空比开通关断，其余IGBT始终开通时，所述变换电路正向降压。因此，本发明的通用开关电源利用带两个H桥的变换电路将直流电压转换为的交流电压再进行整流的处理，从而实现双向直流功率传输，其升压比高、电路结构简单、控制简便、输出电压稳定性好，符合微电网的发展要求，且具有设计结构新颖、通用性强、成本低廉等优点。
·
图I为本发明的通用开关电源的电路原理图；图2为由图I的通用开关电源衍生出的双向DC-DC升降压变换器的电路原理图；图3为图I的通用开关电源的三相形式的电路原理图；图4为图2的通用开关电源的三相形式的电路原理图。
具体实施例方式以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进ー步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。如图I所示，本发明是一种可将12V直流从输入端升压至120V直流送至输出端，将120V直流从输入端降压至12V直流送至输出端；或将12V直流从输出端升压至120V直流送至输入端、将120V直流从输出端降压至12V直流送至输入端的通用开关电源，其功率等级为2. Okff0包括依次级联的第一滤波电路I、变换电路2和第二滤波电路3，第一滤波电路I的输出端与变换电路2输入端相连，变换电路2的输出端与第二滤波电路3的输入端相连。第二滤波电路2的两个端子为通用开关电源的输出端。第一滤波电路I为电容电路，其包括第一电阻Rl和第一电解电容E1。其中，第一电阻Rl为稳定电阻，其两端与直流电源的输入正极Pl和输入负极NI相连；第一电解电容El与第一电阻Rl并联，其正极与直流电源的输入正极Pl相连，其负极与直流电源的输入负极P2相连。具体地，第一电解电容El为铝电解电容，电容值为2200ii F，额定电压为200V ；第一电阻Rl阻值为200k Q，额定功率为2W。变换电路2为带两个H桥的变换电路，其包括第一电感LI、第二电感L2和八个绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。其中，第一电感LI两端分别与第一节点A和第三节点C相连；第二电感L2两端分别与第二节点B和第四节点D相连；第一 IGBTSl集电极与输入正极Pl相连，其发射极与第一节点A相连；第二 IGBT S2集电极与第一节点A相连，其发射极与输入负极NI相连；第三IGBT S3集电极与输入正极Pl相连，其发射极与第二节点B相连；第四IGBT S4集电极与第二节点B相连，其发射极与输入负极NI相连；第五IGBT S5集电极与输出正极P2相连，其发射极与第三节点C连；第六IGBT S6集电极与第三节点C相连，其发射极与输出负极N2相连；第七IGBT集电极与输出正极P2相连，其发射极与第四节点D连；第八IGBT集电极与第四节点D相连，其发射极与输出负极N2相连。其中，第一节点A为第一 IGBT SI与第二 IGBT S2构成的桥臂中点，第二节点B为第三IGBT S3与第四IGBTS4构成的桥臂中点，第三节点C为第五IGBT S5与第六IGBTS6构成的桥臂中点，第四节点D为第七IGBT S7与第八IGBT S8构成的桥臂中点。具体地，第一电感LI和第二电感L2的电感值为ImH ；IGBT SI S8为功率IGBT35A/200V/100C，开关频率为20kHz。在具体工作送，本发明的八个IGBT的门极接收PWM脉冲控制信号，并且八个IGBT的工作方式如下正向功率传输时，第一 IGBT SI 第四IGBT S4构成逆变器，将左侧输入直流变换为交流，通过第一电感LI和第二电感L2传输至由第五IGBT S5 第八IGBT S8构成的整流器，并输出直流；反向功率传输时，第五IGBTS5 第八IGBTS8构成的逆变器，将右侧输入变换为交流，通过第一电感LI和第二电感L2传输至由第一 IGBT 第四IGBT构成的整流器，并输出直流。通过控制左右桥臂的开关占空比，使节点AB两端电压和节点CD两端电压形成正或负的压差，从而实现直流变换和双向直流功率传输。其中，从输入端至输出端定义为正向，从输出端至输入端定义为反向。·滤波电路3为电容电路，其包括第二电阻R2和第二电解电容E2。其中第二电解电容E2正极与输出正极P2相连，负极与输出负极N2相连；第ニ电阻R2为稳定电阻，其两端与第二解电容E2端并联。具体地，第二电解电容E2为铝电解电容，电容值为2200 ii F，额定电压为200V ;第ニ电阻R2阻值为200k Q，额定功率为2W。具体地，正向升压时，可将12V直流从输入端升压至120V直流送至输出端；正向降压时，可将120V直流从输入端降压至12V直流送至输出端；反向升压时，可将12V直流从输出端升压至120V直流送至输入端，反向降压时，可将120V直流从输出端降压至12V直流送至输入端。由此实现通用开关电源的双向直流功率传输。图2中仅将图I中左边两个桥臂和右边两个桥臂间负极连接,就构成了 DC-DC变换器。具体的工作方式如下八个IGBT的门极接收PWM脉冲控制信号，当第一、三IGBT SI、S3以一定占空比开通关断，其余IGBT始终开通时，变换电路2正向降压；当第二、四IGBTS2、S4以一定占空比开通关断，其余IGBT始终开通时，变换电路2正向升压；当第五、七IGBT S5、S7以一定占空比开通关断，其余IGBT始终开通时，变换电路2反向降压；当第六、八IGBT S6、S8以一定占空比开通关断，其余IGBT始终开通时，变换电路2正向降压。通过上述方式，其可实现双向DC-DC升降压。图3中仅在图I的基础上在变换电路左边两个桥臂右侧增加ー个桥臂，在变换电路右边两个桥臂右侧増加一个桥臂，其中第九IGBT S9集电极与输入正极Pl相连，其发射极与第五节点E相连；第十IGBT SlO集电极与第五节点E相连，其发射极与输入负极NI相连；第^^一 IGBT Sll集电极与输出正极P2相连，其发射极与第六节点F相连；第十二 IGBTS12集电极与第六节点F相连，其发射极与输出负极N2相连。第三电感L3的两端分别与第五节点E和第六节点F相连。其中，第五节点E为第九IGBT S9与第十IGBT SlO构成的桥臂中点，第六节点F为第i^一 IGBT Sll与第十二 IGBT S12构成的桥臂中点。图3中的三相通用开关电源的工作方式如下十二个IGBT的门极接收PWM脉冲控制信号，正向功率传输时，第一 IGBT SI 第四IGBT S4、第九IGBT S9和第十IGBT SlO构成三相逆变器，将左侧输入直流变换为三相交流，通过第一电感LI 第三电感L3传输至由第五IGBT S5 第八IGBT S8、第4^一 IGBT Sll和第十二 IGBT S12构成的三相整流器，并输出直流；反向功率传输时，第五IGBT S5 第八IGBTS8、第i^ 一IGBT Sll和第十二 IGBTS12构成的三相逆变器，将右侧输入变换为三相交流，通过第一电感LI 第三电感L3传输至由第一 IGBT SI 第四IGBT S4、第九IGBT S9和第十IGBT SlO构成的整流器，并输出直流。通过控制左右桥臂的开关占空比，使AB两端电压、EF两端电压和⑶两端电压形成正或负的压差，从而实现直流变换和双向直流功率传输。图4中仅将图3中左边三个桥臂和右边三个桥臂间负极连接，从而构成了 DC-DC变换器，其工作方式如下十二个IGBT的门极接收PWM脉冲控制信号，当第一、三、九IGBTSI、S3、S9以一定占空比开通关断，其余IGBT始终开通时，变换电路2正向降压；当第二、四、十IGBT S2、S4、SlO以一定占空比开通关断，其余IGBT始终开通时，变换电路2正向升压；当第五、七、i^一 IGBT S5、S7、S11以一定占空比开通关断，其余IGBT始终开通时，变换电路2反向降压；当第六、八、十二 IGBT S6、S8、S12以一定占空比开通关断，其余IGBT始终开通吋，变换电路2正向降压。通过上述方式，本发明可实现双向DC-DC升降压。
·
本发明采用通用开关电源，将输入端(或输出端)交流电压变换为升高或降低的直流电压送至输出端(或输入端)，同时能够实现电路的双向直流功率传输，其结构简単、控制简便、设计新颖、不会产生电流震荡；同时在升压时，升压比高于以往的双向可升降压变换器。以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
权利要求
1.一种通用开关电源，其特征在于，包括第一滤波电路、变换电路和第二滤波电路，所述第一滤波电路的输出端与所述变换电路的输入端相连，所述变换电路的输出端与所述第二滤波电路的输入端相连，所述第二滤波电路的两个端子为通用开关电源的输出端； 其中，所述第一滤波电路为电容电路，包括第一电阻和第一电解电容，其中，所述第一电阻为稳定电阻，其两端与直流电源的输入正极和输入负极相连；所述第一电解电容与所述第一电阻并联，其正极与所述输入正极相连，其负极与所述输入负极相连； 所述变换电路为带两个H桥的变换电路，包括第一电感、第二电感和八个IGBT，其中，所述第一电感两端分别与第一节点和第三节点相连；所述第二电感两端分别与第二节点和第四节点相连；第一 IGBT集电极与所述输入正极相连，其发射极与所述第一节点相连；第二 IGBT集电极与所述第一节点相连，其发射极与所述输入负极相连；第三IGBT集电极与所述输入正极相连，其发射极与所述第二节点相连；第四IGBT集电极与所述第二节点相连，其发射极与所述输入负极相连第五IGBT集电极与直流电源的输出正极相连，其发射极与所述第三节点相连；第六IGBT集电极与所述第三节点相连，其发射极与直流电源的输出负极相连；第七IGBT集电极与所述输出正极相连，其发射极与所述第四节点相连；第八IGBT集电极与所述第四节点相连，其发射极与所述输出负极相连；其中，所述第一节点为所述第一IGBT与所述第二 IGBT构成的桥臂中点，所述第二节点为所述第三IGBT与所述第四IGBT构成的桥臂中点，所述第三节点为所述第五IGBT与所述第六IGBT构成的桥臂中点，所述第四节点为所述第七IGBT与所述第八IGBT构成的桥臂中点； 所述第二滤波电路为电容电路，包括第二电阻和第二电解电容，其中，所述第二电解电容正极与所述输出正极相连，其负极与所述输出负极相连，所述第二电阻为稳定电阻，其两端与所述第二电解电容两端并联。
2.根据权利要求I所述的通用开关电源，其特征在于，所述的八个IGBT的门极接收PWM脉冲控制信号，并且当正向功率传输时，所述第一 IGBT、第二 IGBT、第三IGBT和第四IGBT构成逆变器，将左侧输入直流变换为交流，通过所述第一电感和第二电感传输至由所述第五IGBT、第六IGBT、第七IGBT和第八IGBT构成的整流器并输出直流；反向功率传输时，所述第五IGBT、第六IGBT、第七IGBT和第八IGBT构成的逆变器，将右侧输入变换为交流，通过所述第一电感和第二电感传输至由第一 IGBT、第二 IGBT、第三IGBT和第四IGBT构成的整流器并输出直流。
3.根据权利要求I所述的通用开关电源，其特征在于，所述第二IGBT和第四IGBT的发射极与所述第六IGBT和第八IGBT的发射极相连。
4.根据权利要求3所述的通用开关电源，其特征在于，所述的八个IGBT的门极接收PWM脉冲控制信号，当所述第一 IGBT和第三IGBT以一定占空比开通关断，其余IGBT始终开通时，所述变换电路正向降压；当第二 IGBT和第四IGBT以一定占空比开通关断，其余IGBT始终开通时，所述变换电路正向升压；当第五IGBT和第七IGBT以一定占空比开通关断，其余IGBT始终开通时，所述变换电路反向降压；当第六IGBT和第八IGBT以一定占空比开通关断，其余IGBT始终开通时，所述变换电路正向降压。
5.根据权利要求I所述的通用开关电源，其特征在于，所述变换电路还包括第九IGBT、第十IGBT、第i^一 IGBT、第十二 IGBT和第三电感；第五节点为所述第九IGBT与所述第十IGBT构成的桥臂中点，第六节点为所述第i^一 IGBT与所述第十二 IGBT构成的桥臂中点；其中，所述第九IGBT集电极与所述输入正极相连，其发射极与所述第五节点相连；第十IGBT集电极与第五节点相连，其发射极与所述输入负极相连；第十一 IGBT集电极与所述输出正极相连，其发射极与所述第六节点相连；第十二 IGBT集电极与所述第六节点相连，其发射极与所述输出负极相连，所述第三电感两端分别与所述第五节点和所述第六节点相连。
6.根据权利要求5所述的通用开关电源，其特征在于，所述十二个IGBT的门极接收PWM脉冲控制信号，正向功率传输时，所述第一 IGBT、第二 IGBT、第三IGBT、第四IGBT、第九IGBT和第十IGBT构成三相逆变器，将左侧输入直流变换为三相交流，通过所述第一电感、第二电感和第三电感传输至由第五IGBT、第六IGBT、第七IGBT、第八IGBT、第i^一 IGBT和第十二 IGBT构成的三相整流器，并输出直流；反向功率传输时，第五IGBT、第六IGBT、第七IGBT、第八IGBT、第i^一 IGBT和第十二 IGBT构成的三相逆变器，将右侧输入变换为三相交流，通过所述第一电感、第二电感和第三电感传输至由第一 IGBT、第二 IGBT、第三IGBT、第四IGBT、第九IGBT和第十IGBT构成的整流器，并输出直流。
7.根据权利要求5所述的通用开关电源，其特征在于，所述第二IGBT、第四IGBT和第十 p>IGBT的发射极与所述第六IGBT、第八IGBT和第十二 IGBT的发射极相连。
8.根据权利要求7所述的通用开关电源，其特征在于，所述十二个IGBT的门极接收PWM脉冲控制信号，当所述第一 IGBT、第三IGBT和第九IGBT以一定占空比开通关断，其余IGBT始终开通时，所述变换电路正向降压；当第二 IGBT、第四IGBT和第十IGBT以一定占空比开通关断，其余IGBT始终开通时，所述变换电路正向升压；当第五IGBT、第七IGBT和第十一 IGBT以一定占空比开通关断，其余IGBT始终开通时，所述变换电路反向降压；当第六IGBT、第八IGBT和第十二 IGBT以一定占空比开通关断，其余IGBT始终开通时，所述变换电路正向降压。
全文摘要
本发明公开一种通用开关电源，其包括第一滤波电路、变换电路和第二滤波电路，所述第一滤波电路的输出端与所述变换电路的输入端相连，所述变换电路的输出端与所述第二滤波电路的输入端相连，所述第二滤波电路的两个端子为通用开关电源的输出端。本发明的通用开关电源利用带两个H桥的变换电路将直流电压转换为的交流电压再进行整流的处理，从而实现双向直流功率传输，其升压比高、电路结构简单、控制简便、输出电压稳定性好，符合微电网的发展要求，且具有设计结构新颖、通用性强、成本低廉等优点。
文档编号H02M3/335GK102790532SQ201210260740
公开日2012年11月21日 申请日期2012年7月25日 优先权日2012年7月25日
发明者杨喜军, 王男, 郜登科, 陆飞 申请人:上海交通大学