一种线性交流电源变换装置及其控制方法与流程

本发明涉及逆变器供电技术领域，特别涉及一种线性交流电源变换装置及其控制方法。

背景技术：

在供电应用领域，dc/ac供电变换技术主要实现将直流电转换为一定频率的交流电，用于给设备供电。dc/ac主要有两种转换方式，一种是基于早期的低频半导体器件的线性变换技术，通常采用谐振等控制方式产生正弦波信号，经功率放大后转换为交流电压信号。一种是基于高频半导体器件的spwm(正弦波脉宽调制)开关类变换技术，具有响应速度快，体积小，功率密度高的特点。但其缺点则是电磁兼容较差，无法满足对电磁环境要求较高的应用场合。相比而言，基于低频半导体器件的线性变换交流电源的应用范围更为广泛。

但基于谐振控制方式的线性交流电源大都没有闭环控制，不具备良好一致性。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种线性交流电源变换装置及其控制方法，以解决上述技术问题。

本发明的目的是通过一下技术方案实现的：

第一方面，本发明公开一种线性交流电源变换装置，包括顺次连接的ac/dc反馈信号整流单元、信号调理单元、方波变换单元、信号滤波单元、信号放大单元和功率隔离放大单元；还包括参考直流信号发出单元和频率信号单元，参考直流信号发出单元输出一参考直流信号到信号调理单元；频率信号单元输出第一方波信号到方波变换单元的第二输入端；功率隔离放大单元接入供电输入电压，功率隔离放大单元的第一输出端输出供电输出电压，功率隔离放大单元的第二输出端输出交流反馈信号给ac/dc反馈信号整流单元；

所述的信号放大单元包括第一变压器，所述的功率隔离放大单元包括第一mos管、第二mos管和第二变压器；第一变压器的原边绕组的一端作为信号放大单元的输入端，第一变压器的原边绕组的另一端接地；第一mos管的栅极连接变压器t1的第一副边绕组的一端，第二mos管的栅极连接第一变压器的第二副边绕组的一端；第一mos管的源极连接第二变压器的第一原边绕组的一端，第二mos管的源极连接第二变压器的第二原边绕组的一端；第二变压器的第一副边绕组的两端作为功率隔离放大单元的第二输出端，第二变压器的第二副边绕组的两端作为功率隔离放大单元的第一输出端。

进一步地，所述的信号调理单元包括第一运算放大器、第一电阻、第二电阻和第一电容；第一电阻的一端作为信号调理单元的输入端，第一电阻的另一端连接第一运算放大器的反向输入端，参考直流信号输入到第一运算放大器的同相输入端，第二电阻与第一电容串联后连接在第一运算放大器的反向输入端和输出端之间，第一运算放大器的输出端作为信号调理单元的输出端。

进一步地，所述的方波变换单元包括第二运算放大器、第三电阻和第三mos管；所述第二运算放大器的同相输入端作为方波变换单元的输入端，所述第二运算放大器的输出端与反向输入端相连接；所述第三mos管的栅极接收第一方波信号，所述第三mos管的源极接地，所述第二运算放大器的输出端与第三电阻和第三mos管的漏极顺序连接后作为方波变换单元的输出端。

进一步地，所述的参考直流信号发出单元包括第四电阻和稳压二极管，第四电阻的一端输入一参考电压，第四电阻与稳压二极管的阴极连接，稳压二极管的阳极接地；稳压二极管的取样端和阴极相连接并作为参考直流信号发出单元的输出端。

进一步地，所述的ac/dc反馈信号整流单元包括全桥整流电路、lc滤波电路和放大电路；所述交流反馈信号经过全桥整流电路整流后，再经lc滤波电路滤波，最后经放大电路进行放大后输出至信号调理单元。

进一步地，所述的频率信号单元是方波发生器或数字处理器。

进一步地，所述的信号滤波单元是带通滤波器或低通滤波器。

第二方面，本发明提供一种线性交流电源变换装置的控制方法，包括以下步骤：

步骤s1、ac/dc反馈信号整流单元采集功率隔离放大单元输出的交流反馈信号，进行整流放大后输出直流反馈信号；

步骤s2、信号调理单元接收直流反馈信号，调整直流反馈信号的幅值，输出幅值可调的直流电平；

步骤s3、方波变换单元将幅值可调的直流电平转换为幅值可控的第二方波信号；

步骤s4、信号滤波单元对第二方波信号进行滤波后输出正弦波信号；

步骤s5、信号放大单元将正弦波信号进行放大并转换为共地推挽的交流信号；

步骤s6、功率隔离放大单元将交流信号转换为两路输出，第一路输出供电输出电压为后级电路或模块供电，第二路输出交流反馈信号至ac/dc反馈信号整流单元。

进一步地，所述的步骤s1具体为：交流反馈信号经过全桥整流电路整流后，再经lc滤波电路滤波，最后经放大电路进行放大后输出直流反馈信号。

进一步地，所述的步骤s4中滤波的方式采用带通滤波或低通滤波。

本发明的有益效果在于：信号放大单元通过变压器t1对信号滤波单元输出的信号进行放大并传入至功率隔离放大单元中，所述功率隔离放大单元通过mos管v1和mos管v2对输入功率进行放大，并通过变压器t2转换为输出交流电和反馈信号。反馈信号输出给ac/dc反馈信号整流单元，输出交流电用于给后级电路供电。一方面实现了输出电压的闭环控制，一方面由于功率隔离变压器t2的原因，使得线性交流电源变换装置具有良好的电磁兼容性能。

附图说明

图1为本发明的线性交流电源变换装置的电路框图；

图2为本发明的ac/dc反馈信号整流单元的电路图；

图3为本发明的信号调理单元和方波变换单元的电路图；

图4为本发明的信号滤波单元采用带通滤波器的电路图；

图5为本发明的信号滤波单元采用低通滤波器的电路图；

图6为本发明的信号放大单元和功率隔离放大单元的电路图；

图7为本发明的参考直流信号发出单元的电路图。

具体实施例

下面结合附图对本公开实施例进行详细描述。

以下通过特定的具体实例说明本公开的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本公开的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。本公开还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本公开的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

实施例一

本发明的一种线性交流电源变换装置的电路框图如图1所示，包括参考直流信号发出单元、ac/dc反馈信号整流单元、信号调理单元、方波变换单元、频率信号单元、信号滤波单元、信号放大单元和功率隔离放大单元。ac/dc反馈信号整流单元具有输入端和输出端。信号调理单元具有第一输入端、第二输入端和输出端。方波变换单元具有第一输入端、第二输入端和输出端。信号滤波单元具有输入端和输出端。信号放大单元具有输入端和输出端。功率隔离放大单元具有第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端。

参考直流信号发出单元输出一参考直流信号到信号调理单元的第一输入端。ac/dc反馈信号整流单元的输入端连接功率隔离放大单元的第二输出端，采样功率隔离放大单元的第二输出端输出的交流反馈信号；ac/dc反馈信号整流单元的输出端连接信号调理单元的第二输入端。信号调理单元的输出端连接方波变换单元的第一输入端。频率信号单元输出一个方波信号到方波变换单元的第二输入端。方波变换单元的输出端依次经信号滤波单元的输入端和输出端、信号放大单元的输入端和输出端后，连接到功率隔离放大单元的第二输入端。功率隔离放大单元的第一输入端接入供电输入电压。功率隔离放大单元的第一输出端输出供电输出电压，为后级电路或设备供电。

进一步的，在本申请提供的一种实施例中，参考直流信号发出单元的作用是发出一个参考直流信号vref给信号调理单元。所述参考直流信号作为本发明的电源变换装置的闭环控制的参考给定值，其具体电路如图7所示，包括电阻r4、稳压二极管u6和参考电压，本实施例中参考电压为+5v电压。参考电压输入到电阻r4的一端，电阻r4和稳压二极管u6的阴极连接，稳压二极管u6的阳极接地。所述稳压二极管u6的取样端与稳压二极管u6阴极相连接并作为参考直流信号发出单元的输出端输出参考直流信号vref。

进一步的，在本申请提供的一种实施例中，ac/dc反馈信号整流单元的作用是将输入的交流反馈信号整流为直流反馈信号并输出给信号调理单元。其具体电路如图2所示，包括由二极管d1、二极管d2、二极管d3和二极管d4组成的全桥整流电路，由电感l2和电容c2组成的lc滤波电路，由电阻r5、电阻r6、电阻r7、电阻r8和运算放大器u2a组成的放大电路。所述交流反馈信号经过全桥整流电路整流后，再经lc滤波电路滤波，最后经放大电路进行放大后输出直流反馈信号vs给信号调理单元。全桥整流电路、lc滤波电路和放大电路均为现有技术中常见的电路，在此不赘述各自的连接关系和工作原理。

进一步的，在本申请提供的一种实施例中，信号调理单元的作用是接收参考直流信号和直流反馈信号，并对参考直流信号和直流反馈信号进行线性控制，输出幅值可调的直流电平。其具体电路如图3所示，包括运算放大器u1a、电阻r1、电阻r2和电容c1。直流反馈信号vs经通过电阻r1传送至运算放大器u1a的反向输入端，参考直流信号vref输入到运算放大器u1a的同相输入端，电阻r2与电容c1串联后连接在运算放大器u1a的反向输入端和输出端之间。运算放大器u1a的输出端输出幅值可调的直流电平给方波变换单元。信号调理单元采用典型的pi调节方式，实现直流反馈信号跟随参考直流信号的目的。

进一步的，在本申请提供的一种实施例中，频率信号单元的作用是发出第一方波信号方波变换单元。频率信号单元作为方波信号发生装置，输出频率和脉宽可调的方波信号。可以采用方波发生器，产生固定频率和固定脉宽的方波信号。也可以采用数字处理器，产生固定频率和变化脉宽的spwm方波信号。

进一步的，在本申请提供的一种实施例中，方波变换单元的作用是将幅值可调的直流电平和第一方波信号转换为幅值可控的第二方波信号。其具体电路如图3所示，包括运算放大器u1b、电阻r3和mos管v3。所述运算放大器u1b的同相输入端接收信号调理单元输出的幅值可调的直流电平，所述运算放大器u1b的输出端与其反向输入端相连接。所述mos管v3的栅极接收频率信号单元发出的方波信号pwm1，所述mos管v3的源极接地，所述运算放大器u1b的输出端与电阻r3和mos管v3的漏极顺序连接，作为方波变换单元的输出端输出幅值可控的第二方波信号。

进一步的，在本申请提供的一种实施例中，信号滤波单元的作用是对第二方波信号进行滤波后输出正弦波信号。信号滤波单元可以采用带通滤波器，为二阶有源带通滤波，其具体电路如图4所示。也可以采用低通滤波器，为二阶无源滤波，其具体电路如图5所示。

采用带通滤波器的信号滤波单元包括电阻r9、电阻r10、电阻r11、运算放大器u9a、电容c3和电容c4。所述电阻r9的一端作为信号滤波单元的输入端，电阻r9与电容c4串联后与放大器u9a的反向输入端相连接，所述电阻r9与电容c4之间的节点通过电阻r11接地。所述电容c3的一端与电阻r9和电容c4的串联节点连接，电容c3的另一端连接运算放大器u9a的输出端。电阻r10连接在运算放大器u9a的反向输入端和输出端之间，所述放大器u9a的同相输入端接地，所述放大器u9a的输出端输出正弦波信号。

采用低通滤波器的信号滤波单元包括电感l3和电容c5，所述电感l3的一端作为信号滤波单元的输入端，电感l3的另一端与电容c5的一端连接并作为信号滤波单元的输出端输出正弦波信号。电容c5的另一端接地。

进一步的，在本申请提供的一种实施例中，信号放大单元的作用是：通过变压器t1将信号滤波单元输出的正弦波信号进行放大，转换为共地推挽的交流信号，以推动后级功率隔离放大单元。其具体电路图如图6所示，包括变压器t1。变压器t1的原边绕组的一端作为信号放大单元的输入端。变压器t1的原边绕组的另一端接地。变压器t1的第一副边绕组的一端和第二副边绕组的一端作为信号放大单元的输出端。

进一步的，在本申请提供的一种实施例中，功率隔离放大单元的作用是将信号放大单元输出的交流信号根据变比转换为两路输出，第一路输出供电输出电压为后级电路或模块供电，第二路输出交流反馈信号至ac/dc反馈信号整流单元。其具体电路图如图6所示，包括mos管v1、mos管v2和变压器t2。mos管v1的漏极和mos管v2的漏极连接供电输入电压的两端。mos管v1的栅极和mos管v2的栅极分别连接变压器t1的第一副边绕组的一端和第二副边绕组的一端。mos管v1的源极连接变压器t2的第一原边绕组的一端，mos管v2的源极连接变压器t2的第二原边绕组的一端。变压器t1的副边绕组中心抽头和变压器t2的原边绕组中心抽头接地。变压器t2的第一副边绕组的两端输出交流反馈信号给ac/dc反馈信号整流单元。变压器t2的第二副边绕组的两端输出供电输出电压为后级电路或模块供电。

本发明的有益效果是通过信号放大单元和功率隔离放大单元来实现的。信号放大单元通过变压器t1对信号滤波单元输出的正弦波信号进行放大并传入至功率隔离放大单元中，所述功率隔离放大单元通过mos管v1和mos管v2对供电输入的输入功率进行放大，并通过变压器t2转换为供电输出电压和交流反馈信号。交流反馈信号实现了输出电压的闭环控制。由于供电输出电压和交流反馈信号相互隔离，使得线性交流电源变换装置具有良好的电磁兼容性能。

一种线性交流电源变换装置的控制方法，包括以下步骤：

步骤s1、ac/dc反馈信号整流单元采集功率隔离放大单元输出的交流反馈信号，进行整流放大后输出直流反馈信号。

ac/dc反馈信号整流单元包括全桥整流电路、lc滤波电路和放大电路，交流反馈信号经过全桥整流电路整流后，再经lc滤波电路滤波，最后经放大电路进行放大后输出直流反馈信号。

步骤s2、信号调理单元接收直流反馈信号，调整直流反馈信号的幅值，输出幅值可调的直流电平。

信号调理单元是根据一个参考直流信号来调整直流反馈信号的幅值的。参考直流信号由参考直流信号发出单元产生。

步骤s3、方波变换单元将幅值可调的直流电平转换为幅值可控的第二方波信号。

如图3所示，方波变换单元利用一个固定频率和固定脉宽的方波信号，或利用一个固定频率和变化脉宽的spwm方波信号对幅值可调的直流电平进行转换处理，形成一个跟随的幅值可控的方波信号。为了区分描述，固定频率固定脉宽的方波信号或固定频率变化脉宽的spwm方波信号为第一方波信号pwm1，由一个频率信号单元产生。方波信号pwm1控制v3周期性的开通和关断，

步骤s4、信号滤波单元对第二方波信号进行滤波后输出正弦波信号。

滤波方式可采用带通滤波或低通滤波。带通滤波的方式是保留固定频率固定脉宽的方波信号中特定频段的方波，屏蔽其他频段的方波。低通滤波的方式是滤除掉固定频率变化脉宽的spwm方波信号中截止频率以上的谐波，只保留截止频率一下的方波。

步骤s5、信号放大单元通过变压器t1将正弦波信号进行放大并转换为共地推挽的交流信号。

如图6所示，信号放大单元采用变压器t1实现推挽变换和功率放大，作为推挽拓扑结构的功率放大单元的驱动单元。

步骤s6、功率隔离放大单元将交流信号转换为两路输出，第一路输出供电输出电压为后级电路或模块供电，第二路输出交流反馈信号至ac/dc反馈信号整流单元。

如图6所示，所述功率隔离放大单元通过mos管v1和mos管v2对输入功率进行放大，并通过变压器t2实现隔离转换。分别输出交流反馈信号，实现闭环控制；输出供电输出电压为后级电路供电。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解。例如，可以是直接电相连，也可以通过中间媒介间接电相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以上仅为说明本发明的实施方式，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，不经过创造性劳动所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。