一种直流电源的电压极性自动转换电路及方法

1.本发明涉及电力电子领域，具体地，涉及一种直流电源的电压极性自动转换电路及方法。


背景技术：

2.以风、光为代表的分布式发电以及直流微电网的研究与应用越来越广泛，直流用电设备的研发和应用也越来越深入。直流供电系统存在电压极性问题，不同来源的直流电源其电压极性可能相同，也可能相反，当多路直流电源接入直流公共耦合点或为直流负载供电时，需要进行电压极性校正，否则会因为极性接反而损坏直流用电设备。
3.目前，输入直流电压防反接电路已比较成熟，具体实现形式主要是二极管防反接电路，或采用功率mosfet代替二极管以降低导通损耗的防反接电路。这类防反接电路虽然简单易行，但是不能将输入的正、负不同电压极性的直流源转换为具有同一种输出电压极性的直流电源，而这是分布式发电以及直流微电网供电领域必须解决的问题之一。


技术实现要素：

4.针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种直流电源的电压极性自动转换电路及方法，实现直流电压极性的自动校正，使输出电压始终只有固定不变的一种极性。
5.为实现上述发明目的，第一方面，本发明提供一种直流电源的电压极性自动转换电路，包括功率电路，其输入端连接至直流电源，包括两对功率开关，通过分别控制两对所述功率开关一通一断将所述直流电源的电压极性转换为固定的极性；输出分压电路，其输入端连接至所述功率电路的输出端，其输出端提供输出电压信号，用于判断所述功率电路是否正常工作；输入分压电路，输入端连接至所述直流电源，其输出端向输入电压极性电路提供输入电压信号来判断输入电压的极性；输入瞬时电压电路，其输入端连接至所述输入分压电路的输出端，其输出端提供幅值上移的输入电压信号，据此实测输入电压瞬时值来辅助判断输入电压的极性，若输入电压瞬时值大于零，则输入电压为正极性；若输入电压瞬时值小于零，则输入电压为负极性；输入电压极性电路，其输入端连接至所述输入分压电路的输出端，其输出端向控制电路提供电平信号，若为高电平，则输入电压为正极性；若为低电平，则输入电压为负极性；控制电路，其三个输入端口分别连接至所述输出分压电路的输出端、所述输入瞬时电压电路的输出端和所述输入电压极性电路的输出端，其四个输出端口分别连接至所述功率电路中两对所述功率开关的控制端，用于判别所述直流电源的电压极性，并据此分别控制两对所述功率开关一通一断；所述输入电压极性电路的输出端连接至所述控制电路的外中断引脚xint1，通过所述电平信号触发用于判断输入电压极性的中断服务程序。
6.优选地，所述功率电路包括第一p-mosfet、第二p-mosfet、第一n-mosfet和第二n-mosfet，第一电容的一端与所述直流电源的第一输入端l1相连，且与所述第一p-mosfet漏极、第一n-mosfet漏极相连，第一电容的另一端与所述直流电源的第二输入端l2相连，且与
所述第二p-mosfet漏极、第二n-mosfet漏极相连，所述第一p-mosfet源极与第二p-mosfet源极相连后，形成正极dcp，第一n-mosfet源极与第二n-mosfet源极相连后，形成负极dcn；所述正极dcp与所述负极dcn之间连接有第二电容；其中，所述第一p-mosfet和第二n-mosfet构成一对所述功率开关，所述第一n-mosfet和第二p-mosfet构成另一对所述功率开关。
7.优选地，所述输出分压电路包括第一电阻，其一端与所述正极dcp相连，其另一端与第二电阻一端相连，第二电阻另一端、第三电阻一端、第四电阻一端及第三电容一端四者相连，第四电阻另一端、第四电容一端、第五电阻一端、第一二极管阳极及第二二极管阴极五者相连，第三电容另一端、第三电阻另一端、第四电容另一端、第五电阻另一端、第二二极管阳极及所述负极dcn六者相连，第一二极管阳极、第二二极管阴极及所述控制电路中的模数转换引脚adcin2三者相连。
8.优选地，所述输入分压电路包括第六电阻，第六电阻一端、第七电阻一端及第五电容一端三者相连，第七电阻另一端、第三二极管阳极及第四二极管阴极三者相连，形成节点n1；第八电阻一端、第九电阻一端及第六电容一端三者相连，第九电阻另一端、第三二极管阴极及第四二极管阳极三者相连，形成节点n2。
9.优选地，所述输入瞬时电压电路包括第十电阻，其一端与+3.3v电源相连，第十电阻另一端、所述节点n1、第11电阻一端、第七电容一端及第一运放非反相输入端+五者相连，第十一电阻另一端、第七电容另一端及地三者相连，第八电容一端、第十二电阻一端、所述节点n2及第一运放反相输入端-四者相连，第八电容另一端、第12电阻另一端、第一运放输出端及第十三电阻一端四者相连；第一运放正极与+3.3v电源相连，其负极与地相连；第十三电阻另一端、第十四电阻一端、第九电容一端、第五二极管阳极、第六二极管阴极及所述控制电路的模数转换引脚adcin1六者相连，第十四电阻另一端、第九电容另一端、第六二极管阳极及地四者相连，第五二极管阴极与电源+3.3v相连。
10.优选地，所述输入电压极性电路包括第十电容，其一端、第十五电阻一端、所述节点n2及第二运放的反相输入端-四者相连，第二运放的非反相输入端+与所述节点n1相连，第十电容另一端、第十五电阻另一端、第二运放的输出端及第十六电阻一端四者相连，第十六电阻另一端与第一光耦第一引脚1相连，第一光耦第二引脚2、第三引脚3与地三者相连，第一光耦第四引脚4、第十七电阻一端及所述控制电路中外部中断引脚xint1三者相连。
11.优选地，所述控制电路包括两路模数转换器及处理器，其中一路模数转换器的输入端adcin1连接至所述输入瞬时电压电路的输出端，另一路模数转换器的输入端adcin2连接至所述输出分压电路的输出端；所述处理器的四个输出端口分别连接至所述功率电路中一对所述功率开关的控制端。
12.优选地，所述处理器的四个输出端口分别为dp1、dp2、dp3和dp4，其中dp1连接至所述第一p-mosfet的栅极，dp2连接至所述第一n-mosfet的栅极，dp3连接至所述第二p-mosfet的栅极，dp4连接至所述第二n-mosfet的栅极。
13.第二方面，本发明提供一种直流电源的电压极性自动转换方法，包括如下步骤：
14.(1)判断输入直流电源的电压极性；(2)根据步骤(1)中获得的电压极性，分别控制两对功率开关一通一断使功率电路的直流输出电压具有固定的极性。
15.优选地，当步骤(1)中所述电压极性为正时，控制第一对功率开关导通，第二对功
率开关关断，以使所述功率电路的直流输出电压的极性为正；当步骤(1)中所述电压极性为负时，控制第一对功率开关关断，第二对功率开关导通，以使所述功率电路的直流输出电压的极性也为正。
16.与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
17.(1)相比于直流电压极性防反接电路，本发明能够实现直流电压极性的自动校正，输出只有正极性，正常工作时，mosfet代替二极管导电，mosfet导通压降低，导通损耗大大下降，因此除了极性自动校正能力外，还具有传递效率高的优点。尤其在载流量较小时，mosfet代替二极管导电能够带来更高的效率。此外，mosfet可以采取并联接线，进一步降低导通损耗和提高传递效率；
18.(2)t1与t3为高端p-mosfet，t2与t4为低端n-mosfet，整个桥臂只需要两个独立的开关电源，t1与t3为负电压导通型，t2与t4为正电压导通型，这样隔离驱动电压数量少于全n-mosfet时需要三个隔离驱动电源的情况，因而电路简化，成本降低；
19.(3)通过检测输入电压瞬时值的正负和输入电压的极性两种方式来判断输入电压极性，具有极性判断可靠的优点，同时可以通过检测输出电压来判断电路是否出现开路、欠压或过压情况。如，若功率管t1-t4中任一个出现虚接或开路情况，则会引起输出电压异常。
附图说明
20.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
21.图1为本发明电路一个实施例的原理框图；
22.图2为本发明电路一个实施例的电气原理图；
23.图3为本发明方法一个实施例中的流程图。
24.图中：功率电路1，输出分压电路2，输入分压电路3，输入瞬时电压电路4，输入电压极性电路5，控制电路6。
具体实施方式
25.下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
26.如图1所示，本发明直流电源的电压极性自动转换电路的一个实施例，包括功率电路1，其输入端连接至直流电源，包括两对功率开关，通过分别控制两对所述功率开关一通一断将所述直流电源的电压极性转换为固定的极性；输出分压电路2，其输入端连接至所述功率电路1的输出端，其输出端提供输出电压信号，用于判断所述功率电路1是否正常工作；输入分压电路3，输入端连接至所述直流电源，其输出端向输入电压极性电路5提供输入电压信号来判断输入电压的极性；输入瞬时电压电路4，其输入端连接至所述输入分压电路3的输出端，其输出端提供幅值上移的输入电压信号，据此实测输入电压瞬时值来辅助判断输入电压的极性，若输入电压瞬时值大于零，则输入电压为正极性；若输入电压瞬时值小于零，则输入电压为负极性；输入电压极性电路5，其输入端连接至所述输入分压电路3的输出
端，其输出端向控制电路6提供电平信号，若为高电平，则输入电压为正极性；若为低电平，则输入电压为负极性；控制电路6，其三个输入端口分别连接至所述输出分压电路2的输出端、所述输入瞬时电压电路4的输出端和所述输入电压极性电路5的输出端，其四个输出端口分别连接至所述功率电路1中两对所述功率开关的控制端，用于判别所述直流电源的电压极性，并据此分别控制两对所述功率开关一通一断；所述输入电压极性电路5的输出端连接至所述控制电路6的外中断引脚xint1，通过所述电平信号触发用于判断输入电压极性的中断服务程序。
27.如图2所示，在本发明电路的一个实施例中，所述功率电路1包括第一p-mosfet t1、第二p-mosfet t3、第一n-mosfet t2和第二n-mosfet t4，第一电容c1的一端与所述直流电源的第一输入端l1相连，且与所述第一p-mosfet t1漏极、第一n-mosfet t2漏极相连，第一电容c1的另一端与所述直流电源的第二输入端l2相连，且与所述第二p-mosfet t3漏极、第二n-mosfet t4漏极相连，所述第一p-mosfet t1源极与第二p-mosfet t3源极相连后，形成正极dcp，第一n-mosfet t2源极与第二n-mosfet t4源极相连后，形成负极dcn；所述正极dcp与所述负极dcn之间连接有第二电容c2；其中，所述第一p-mosfet t1和第二n-mosfet t4构成一对所述功率开关，所述第一n-mosfet t2和第二p-mosfet t3构成另一对所述功率开关。
28.如图2所示，在本发明电路的一个实施例中，所述输出分压电路2采用电阻分压、rc滤波和双二极管限幅，得到输出电压信号，送入控制电路6的adcin2端口，输出分压电路2具体包括第一电阻r1，其一端与所述正极dcp相连，其另一端与第二电阻r2一端相连，第二电阻r2另一端、第三电阻r3一端、第四电阻r4一端及第三电容c3一端四者相连，第四电阻r4另一端、第四电容c4一端、第五电阻r5一端、第一二极管d1阳极及第二二极管d2阴极五者相连，第三电容c3另一端、第三电阻r3另一端、第四电容c4另一端、第五电阻r5另一端、第二二极管d2阳极及所述负极dcn六者相连，第一二极管d1阳极、第二二极管d2阴极及所述控制电路6中的模数转换引脚adcin2三者相连。
29.如图2所示，在本发明电路的一个实施例中，所述输入分压电路3主要由电阻r6-r9和电容c5-c6构成差分分压电路，具有滤波功能，输出幅值+/-0.7v；输入分压电路3具体包括第六电阻r6，第六电阻r6一端、第七电阻r7一端及第五电容c5一端三者相连，第七电阻r7另一端、第三二极管d3阳极及第四二极管d4阴极三者相连，形成节点n1；第八电阻r8一端、第九电阻r9一端及第六电容c6一端三者相连，第九电阻r9另一端、第三二极管d3阴极及第四二极管d4阳极三者相连，形成节点n2。
30.如图2所示，在本发明电路的一个实施例中，所述输入瞬时电压电路4将输入的幅值低于+/-0.7v的电压提升至+3.3v/2，提供幅值上移的输入电压信号。当输入电压为零时，即l1与l2之间电压为零，输出电压为1.65v。当输入电压为正极性时，即l1与l2之间电压为正，输出电压明显大于1.65v。当输入电压为负极性时，即l1与l2之间电压为负，输出电压明显小于1.65v；输入瞬时电压电路4具体包括第十电阻r10，其一端与+3.3v电源相连，第十电阻r10另一端、所述节点n1、第11电阻r11一端、第七电容c7一端及第一运放op1非反相输入端+五者相连，第十一电阻r11另一端、第七电容c7另一端及地三者相连，第八电容c8一端、第十二电阻r12一端、所述节点n2及第一运放op1反相输入端-四者相连，第八电容c8另一端、第12电阻r12另一端、第一运放op1输出端及第十三电阻r13一端四者相连；第一运放op1
正极与+3.3v电源相连，其负极与地相连；第十三电阻r13另一端、第十四电阻r14一端、第九电容c9一端、第五二极管d5阳极、第六二极管d6阴极及所述控制电路6的模数转换引脚adcin1六者相连，第十四电阻r14另一端、第九电容c9另一端、第六二极管d6阳极及地四者相连，第五二极管d5阴极与电源+3.3v相连。
31.如图2所示，在本发明电路的一个实施例中，所述输入电压极性电路5的输入电压为正极性时，op2输出低电压，光耦oc1原边二极管不发光，xint1得到高电平。输入电压为负极性时，op2输出高电压，光耦oc1原边二极管发光，xint1得到低电平。输入电压极性电路5具体包括第十电容c10，其一端、第十五电阻r15一端、所述节点n2及第二运放op2的反相输入端-四者相连，第二运放op2的非反相输入端+与所述节点n1相连，第十电容c10另一端、第十五电阻r15另一端、第二运放op2的输出端及第十六电阻r16一端四者相连，第十六电阻r16另一端与第一光耦oc1第一引脚1相连，第一光耦oc1第二引脚2、第三引脚3与地三者相连，第一光耦oc1第四引脚4、第十七电阻r17一端及所述控制电路6中外部中断引脚xint1三者相连。
32.如图1和图2所示，在本发明电路的一个实施例中，所述控制电路6包括两路模数转换器及处理器，其中一路模数转换器的输入端adcin1连接至所述输入瞬时电压电路4的输出端，另一路模数转换器的输入端adcin2连接至所述输出分压电路2的输出端；所述处理器的四个输出端口分别连接至所述功率电路1中一对所述功率开关的控制端。处理器可采用dsp或mcu数字电路，负责检测模数转换输出电压信号和输入电压信号，并执行控制程序。
33.如图2所示，在本发明电路的一个实施例中，所述处理器的四个输出端口分别为dp1、dp2、dp3和dp4，其中dp1连接至所述第一p-mosfet t1的栅极，dp2连接至所述第一n-mosfet t2的栅极，dp3连接至所述第二p-mosfet t3的栅极，dp4连接至所述第二n-mosfet t4的栅极。
34.本发明直流电源的电压极性自动转换方法的一个实施例，包括如下步骤：(1)判断输入直流电源的电压极性；(2)根据步骤(1)中获得的电压极性，分别控制两对功率开关一通一断使功率电路1的直流输出电压具有固定的极性。具体地，当步骤(1)中所述电压极性为正时，控制第一对功率开关导通，第二对功率开关关断，以使所述功率电路1的直流输出电压的极性为正；当步骤(1)中所述电压极性为负时，控制第一对功率开关关断，第二对功率开关导通，以使所述功率电路1的直流输出电压的极性也为正。
35.如图3所示，该方法实际执行时，包括模数转换、中断服务、极性判断、驱动信号形成等14步，即下述的step1-step14：
36.step1，设置模数转换寄存器，包括控制寄存器1、控制寄存器2、采样时间寄存器、注入通道数据偏移寄存器、看门狗/低阈值寄存器、规则序列寄存器、注入序列寄存器、注入数据寄存器、规则数据寄存器和状态寄存器；
37.step2，启动模数转换，开始adcin1与adcin2通道的模数转换；
38.step3，读取模数转换数据，读取adcin1与adcin2各自数据寄存器中数值，保存至相应的寄存器中；
39.step4，判断转换数据》阈值，判断adcin1采样值是否大于1.65v，成立时输出信号y1，表示输入电压正极性，不成立时输出n1，表示输入电压负极性。根据adcin2通道的采样值，用于判断本直流供电极性转换电路是否正常工作；
40.step5，设置中断寄存器，确定允许屏蔽中断来源、设计中断向量表、中断向量表通过cmd文件挂载到指令内存；
41.step6，启动中断，开启总中断；
42.step7，执行中断服务程序，采用xint1引脚低电平引起中断响应；中断服务程序触发的条件是电平信号为高电平，因此中断服务程序根据该情况可以向某一寄存器中某一位置位，表示输入电压为正极性，反之向某一寄存器中某一位复位，表示输入电压为负极性，主程序会根据情况读取该位状态；
43.step8，检测是否端口电压》0，成立时输出确认信号y2，表示输入电压极性为正，反之输出n2，表示输入电压极性为负；
44.step9，求与，信号y1与y2进行与操作；
45.step10，输入电压正极性，确定输入电压为正极性；
46.step11，设置dp1＝1，dp4＝1，dp2＝0，dp3＝0，驱动t1与t4导通，t2与t3关断，输入端的正极性电压同相传输到输出端，最终输出端为正极性电压；
47.step12，求与，信号n1与n2进行与操作；
48.step13，输入电压负极性，确定输入电压为负极性；
49.step14，设置dp1＝0，dp4＝0，dp2＝1，dp3＝1，驱动t1与t4关断，t2与t3导通，输入端的负极性电压反相传输到输出端，最终输出端为正极性电压。
50.通过执行图3所示流程的控制程序，完成对输入电压极性判断和发出相应的驱动脉冲，控制功率电路中t1与t4导通，t3与t2关断，或t3与t2导通，t1与t4关断。
51.图3所示流程的控制程序中，信号y1和y2与操作、信号n1和n2的与操作可以有效增加极性判断的准确性。
52.以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。上述各优选特征在互不冲突的情况下，可以任意组合使用。