一种应用于房车电源系统的双向AC-DC变换器的制作方法

一种应用于房车电源系统的双向ac-dc变换器
技术领域
1.本实用新型涉及一种应用于房车电源系统的双向ac-dc变换器，属于电力电子技术领域。

背景技术：

2.随着经济的发展以及人们生活水平的提高，越来越多的人选择房车作为游玩的交通工具。为了追求更高的游玩质量，房车上搭载的用电设备也越来越多，将大功率用电设备(如电磁炉、冰箱、洗衣机等)连接至房车电源系统，可以提高生活的舒适性。房车与普通车辆不同，所产生的动力不仅要满足车辆日常行驶，还要满足生活所需的电能，目前，房车所使用的电能可来源以下两类：汽车自身电能(发电机、铅酸蓄电池、磷酸铁锂电池)；外来电源(市电、太阳能等)。
3.传统的房车电源系统内部同时配有车载充电机与车载逆变器，铅酸蓄电池或磷酸铁锂电池通过逆变器将12v直流电转化成220v交流电供给用交流负载使用。将车载充电机连接至充电桩，使电网接入，可以为铅酸蓄电池或磷酸铁锂电池充电。一方面，由于在逆变或充电状态下，只有一半的电力电子器件工作，不能实现电力电子器件的高效利用，另一方面，由于充电机与逆变器体积较大，极大的占据房车内部空间。

技术实现要素：

4.本实用新型的目的是设计了能够实现能量双向流动的应用于房车电源系统的双向ac-dc变换器，可以将充电和逆变功能集中在同一个电力电子变换器中，不仅可以减小房车电源系统的体积、降低成本，还可以实现电力电子器件的高效利用。
5.为了实现上述目的，本实用新型采用如下的技术方案：
6.一种应用于房车电源系统的双向ac-dc变换器，包括旁路继电器、双向ac-dc变换电路和控制器，旁路继电器直接与电网相连，双向ac-dc变换电路的交流侧与交流负载和旁路继电器相连，双向ac-dc变换电路的直流侧与房车车载电池或低压直流负载相连，双向ac-dc变换电路的直流侧连接控制器。
7.本实用新型一种应用于房车电源系统的双向ac-dc变换器，所述双向ac-dc变换电路的功率电路包括储能电感、全桥变换器、高压侧滤波电容、高压侧半桥变换器、隔离变压器、低压侧推挽变换器和低压侧滤波电容；电网的上端与储能电感的左端连接，储能电感的右端与全桥变换器的左桥臂连接，全桥变换器的右桥臂与电网的下端连接，高压侧滤波电容的左端与全桥变换器并联、高压侧滤波电容右端与高压侧半桥变换器并联，高压侧半桥变换器的右端与隔离变压器的原边连接，隔离变压器的副边与低压侧推挽变换器的左端连接，隔离变压器的副边中性点与低压侧滤波电容的上端、电池的上端连接，低压侧推挽变换器的右端与低压侧滤波电容的下端、电池的下端连接。
8.本实用新型一种应用于房车电源系统的双向ac-dc变换器，所述全桥变换器中开关管为igbt，高压侧半桥变换器与低压侧推挽变换器中开关管为mosfet，高压侧半桥变换
器中电容满足c
r1
＝c
r2
＝c
r3
＝c
r4
，低压侧推挽变换器s9、s
10
、s
11
、s
12
分别由四个相同的mosfet并联得到。
9.本实用新型一种应用于房车电源系统的双向ac-dc变换器，所述双向ac-dc变换电路的控制电路包括高压侧部分与低压侧部分，采用两个主控芯片，分别位于高压侧和低压侧，控制电路包括驱动电路模块、反激电源模块、采样调理电路模块和通信模块；驱动电路模块包括驱动模块1、驱动模块2、驱动模块3和驱动模块4，驱动模块1和驱动模块2与主控芯片1连接，驱动模块3和驱动模块4与主控芯片2连接，驱动模块1和驱动模块2为高压侧部分，分别驱动全桥变换器与高压侧半桥变换器，驱动模块3和驱动模块4为低压侧部分，分别驱动低压侧推挽变换器和反激电源模块中的mosfei；反激电源模块位于低压侧，与电池连接，为其他各模块提供所需的各种电压等级的电压；采样调理模块包括七部分，电压检测1、电压检测2、电流检测1和电流检测2位于高压侧与主控芯片1连接，电压检测1采集交流测输入/输出电压，电压检测2采集高压侧滤波电容电压，电流检测1采集交流测输入/输出电流，电流检测2采集流经隔离变压器的谐振电流，电压检测3、电压检测4和电流检测3位于低压侧与主控芯片2连接，电压检测3采集直流侧输入/输出电压，电压检测4采集反激电源模块输出电压，电流检测3采集直流侧输入/输出电流；通信模块的两端分别连接高压侧与低压侧的主控芯片。
10.本实用新型一种应用于房车电源系统的双向ac-dc变换器，所述隔离变压器为磁集成变压器，谐振电感l
r1
与l
r2
集成于隔离变压器中，原副边绕组变比满足n1:n2:n3＝17:1:1。
11.由于采用以上技术方案，本实用新型相比现有技术具有以下有益效果：
12.1)本实用新型的一种应用于房车电源系统的双向ac-dc变换器，与传统双向ac-dc变换器相比，双向运行时的能量流通路径完全相同，提高了变换器的功率密度。
13.2)本实用新型的一种应用于房车电源系统的双向ac-dc变换器，与传统逆变电源相比，采用两颗主控芯片分别位于高压侧和低压侧，采样电路可以不增设隔离措施，设计简单。
14.3)本实用新型的一种应用于房车电源系统的双向ac-dc变换器，与传统逆变电源相比，谐振电感和变压器采用磁集成的设计方案，可以减小磁性元件的体积，进而减小变换器的体积。
附图说明
15.图1为本实用新型一种应用于房车电源系统的双向ac-dc变换器的系统结构示意图；
16.图2为双向ac-dc变换器功率电路拓扑结构的示意图；
17.图3为双向ac-dc变换器辅助电路原理框图；
18.图4为磁集成隔离变压器结构图。
19.图中标号说明：图1至图4中，l为储能电感，s1、s2、s3、s4为全桥变换器的4个igbt，c1为高压侧滤波电容，s5、s6为第一组高压侧半桥变换器的两个mosfet，c
r1
、c
r2
为第一组高压侧半桥变换器的两个容值相等的薄膜电容，l
r1
为集成在第一个隔离变压器中的谐振电感，l
m1
为第一个隔离变压器等效励磁电感，s9、s
10
为第一组低压侧推挽变换器的两个mosfet，
s7、s8为第二组高压侧半桥变换器的两个mosfet，c
r3
、c
r4
为第二组高压侧半桥变换器的两个容值相等的薄膜电容，l
r2
为集成在第二个隔离变压器中的谐振电感，l
m2
为第二个隔离变压器等效励磁电感，s
11
、s
12
为第二组低压侧推挽变换器的两个mosfet，c2为低压侧滤波电容。
20.1为电网、2为储能电感、3为全桥变换器、4为高压侧滤波电容、5为高压侧半桥变换器、6为隔离变压器、7为低压侧推挽变换器、8为低压侧滤波电容、9为电池。
具体实施方式
21.为更好地了解本实用新型的技术方案，以下结合附图对本实用新型的工作原理和实施方式作进一步描述。以下实施例或者附图用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。
22.实施例一：如图1所示，本实施例所涉及的一种应用于房车电源系统的双向ac-dc变换器，包括旁路继电器、双向ac-dc变换电路和控制器。双向ac-dc变换器的交流侧可以与电网或交流负载相连，直流侧直接与电池相连，共有三种工作模式：(1)充电模式，旁路继电器闭合，市电经双向ac-dc变换电路给电池充电，同时也可旁路供给交流负载使用；(2)旁路模式，旁路继电器闭合，此时由于车载电池电量充足，双向ac-dc变换电路不工作，市电仅旁路给交流负载使用；(3)逆变模式，双向ac-dc变换器与市电断开，旁路继电器断开，双向ac-dc变换电路工作在反向逆变模式，将电池内的能量逆变成交流电供给交流负载使用。
23.实施例二：如图2所示，本实施例所涉及的一种应用于房车电源系统的双向ac-dc变换器，其功率电路包括电网、储能电感l1、全桥变换器、高压侧滤波电容c1、高压侧半桥变换器、隔离变压器、低压侧推挽变换器、低压侧滤波电容c2、电池，全桥变换器中开关管为igbt，高压侧半桥变换器与低压侧推挽变换器中开关管为mosfet，高压侧半桥变换器中电容满足c
r1
＝c
r2
＝c
r3
＝c
r4
。低压侧推挽变换器s9、s
10
、s
11
、s
12
分别由四个相同的mosfet并联得到。
24.实施例三：如图2所示，本实施例所涉及的一种应用于房车电源系统的双向ac-dc变换器，其功率电路分为前级全桥变换器(正向工作时为boost型无桥pfc变换器，反向工作时为全桥逆变器)和后级交错并联双向半桥llc谐振变换器，前级作用是输入功率因数校正，后级是进行增益调节，保证输出满足充电要求的电压以及电流，同时实现高压侧与低压侧的电气隔离，实现了能量的双向流动。
25.实施例四：如图3所示，本实施例所涉及的一种应用于房车电源系统的双向ac-dc变换器，功率电路经变压器被分成高压侧与低压侧两部分，控制电路也因此分为高压侧和低压侧两部分，电压检测1采集交流侧输入/输出电压，电压检测2采集高压侧滤波电容c1两端电压，电流检测1采集流经储能电感l1的电流，电流检测2采集流经谐振电感l
r1
的电流，电压检测3采集直流侧输入/输出电压，电压检测4采集反激电源输出电压，电流检测3采集直流侧输入/输出电流，其中电压检测1、2与电流检测1、2与高压侧主控芯片相连，电压检测3、4与电流检测3与低压侧主控芯片相连，前级全桥变换器正向工作时高压侧主控芯片通过电压检测1、2以及电流检测1进行功率因数校正，使pf值》99％，thd《5％，反向工作时仅通过电压采集1进行闭环控制，得到稳定的220v交流电，后级交错并联双向半桥llc谐振变换器正向工作时通过电压采集3进行闭环控制，反向工作时通过电压采集4进行闭环控制，通过控制开关器件开关频率进行输出电压的增益调节，同时，通过电流检测2反馈的波形可以得到
后级电路工作在准谐振、过谐振、欠谐振状态。
26.实施例五：如图4所示，本实施例所涉及的一种应用于房车电源系统的双向ac-dc变换器，隔离变压器为磁集成变压器，附加电感集成于隔离变压器中。附加电感选用的磁芯和主变压器相同，叠加在主变压器上方，和主变压器的原边经套管串联，因此，附加电感和变压器的漏感共同构成谐振电感，从而能够减少原谐振电感的半幅磁芯，减少磁性元件的数量与体积。
27.以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，这些具体实施方式都是基于本实用新型整体构思下的不同实现方式，而且本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

技术特征：

1.一种应用于房车电源系统的双向ac-dc变换器，其特征在于：所述一种应用于房车电源系统的双向ac-dc变换器包括旁路继电器、双向ac-dc变换电路和控制器，旁路继电器直接与电网相连，双向ac-dc变换电路的交流侧与交流负载和旁路继电器相连，双向ac-dc变换电路的直流侧与房车车载电池或低压直流负载相连，双向ac-dc变换电路的直流侧连接控制器。2.根据权利要求1所述一种应用于房车电源系统的双向ac-dc变换器，其特征在于：所述双向ac-dc变换电路的功率电路包括储能电感(2)、全桥变换器(3)、高压侧滤波电容(4)、高压侧半桥变换器(5)、隔离变压器(6)、低压侧推挽变换器(7)和低压侧滤波电容(8)；电网(1)的上端与储能电感(2)的左端连接，储能电感(2)的右端与全桥变换器(3)的左桥臂连接，全桥变换器(3)的右桥臂与电网(1)的下端连接，高压侧滤波电容(4)的左端与全桥变换器(3)并联、高压侧滤波电容(4)右端与高压侧半桥变换器(5)并联，高压侧半桥变换器(5)的右端与隔离变压器(6)的原边连接，隔离变压器(6)的副边与低压侧推挽变换器(7)的左端连接，隔离变压器(6)的副边中性点与低压侧滤波电容(8)的上端、电池(9)的上端连接，低压侧推挽变换器(7)的右端与低压侧滤波电容(8)的下端、电池(9)的下端连接。3.根据权利要求2所述一种应用于房车电源系统的双向ac-dc变换器，其特征在于：所述全桥变换器(3)中开关管为igbt，高压侧半桥变换器(5)与低压侧推挽变换器中开关管为mosfet，高压侧半桥变换器(5)中电容满足c
r1
＝c
r2
＝c
r3
＝c
r4
，低压侧推挽变换器(7)s9、s
10
、s
11
、s
12
分别由四个相同的mosfet并联得到。4.根据权利要求1所述一种应用于房车电源系统的双向ac-dc变换器，其特征在于，所述双向ac-dc变换电路的控制电路包括高压侧部分与低压侧部分，采用两个主控芯片，分别位于高压侧和低压侧，控制电路包括驱动电路模块、反激电源模块、采样调理电路模块和通信模块；驱动电路模块包括驱动模块1、驱动模块2、驱动模块3和驱动模块4，驱动模块1和驱动模块2与主控芯片1连接，驱动模块3和驱动模块4与主控芯片2连接，驱动模块1和驱动模块2为高压侧部分，分别驱动全桥变换器(3)与高压侧半桥变换器(5)，驱动模块3和驱动模块4为低压侧部分，分别驱动低压侧推挽变换器(7)和反激电源模块中的mosfet；反激电源模块位于低压侧，与电池连接，为其他各模块提供所需的各种电压等级的电压；采样调理模块包括七部分，电压检测1、电压检测2、电流检测1 和电流检测2位于高压侧与主控芯片1连接，电压检测1采集交流测输入/输出电压，电压检测2采集高压侧滤波电容(4)电压，电流检测1采集交流测输入/输出电流，电流检测2采集流经隔离变压器(6)的谐振电流，电压检测3、电压检测4和电流检测3位于低压侧与主控芯片2连接，电压检测3采集直流侧输入/输出电压，电压检测4采集反激电源模块输出电压，电流检测3采集直流侧输入/输出电流；通信模块的两端分别连接高压侧与低压侧的主控芯片。5.根据权利要求2所述一种应用于房车电源系统的双向ac-dc变换器，其特征在于：所述隔离变压器(6)为磁集成变压器，谐振电感l
r1
与l
r2
集成于隔离变压器中，原副边绕组变比满足n1:n2:n3＝17:1:1。

技术总结

本实用新型公开了一种应用于房车电源系统的双向AC-DC变换器，属于电力电子技术领域。本实用新型旁路继电器直接与电网相连，双向AC-DC变换电路的交流侧与交流负载和旁路继电器相连，双向AC-DC变换电路的直流侧与房车车载电池或低压直流负载相连，双向AC-DC变换电路的直流侧连接控制器。本实用新型通过在传统车载逆变器功率电路拓扑结构的基础上，将不控型二极管替换为全控型开关管，实现能量的双向流动。本实用新型所述的控制电路部分采用两个主控芯片，实现高压侧与低压侧的电气隔离，本实用新型采用磁集成变压器，能够减少半副磁芯，减少磁性元件的数量，进一步减小变换器的体积。体积。体积。