CN111224549B - 双运行模式dc-dc变换器及自适应控制输出电压的直流插座 - Google Patents

双运行模式dc-dc变换器及自适应控制输出电压的直流插座 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双运行模式DC‑DC变换器及自适应控制输出电压的直流插座，包括：并联连接的低电压直流变换电路和高电压直流变换电路；输出电容CO分别并联在低电压直流变换电路和高电压直流变换电路的输出端；通过比较所需输出电压与设定阈值的大小，能够控制双运行模式DC‑DC变换器工作在低电压运行模式或者高电压运行模式。本发明插座能够自适应的控制电压输出，避免了家用直流供电***装设多级电压输出的插座，整体上降低了直流家用电器和家用直流供电***的设计成本。

Description

双运行模式DC-DC变换器及自适应控制输出电压的直流插座
技术领域
本发明涉及直流电器和电力电子技术领域，特别涉及一种双运行模式DC-DC变换器及自适应控制输出电压的直流插座。
背景技术
随着分布式能源的发展，低压直流供电***将逐步应用于家庭供电，低压直流供电***提供直流电源，需要对应的家用直流插座作为连接直流电源和家用电器的中间接口。家用低压直流供电***为了高效供电，存在多个直流电源电压等级，如380V和48V。发明人发现，已有的直流插座只能输出固定的单一电压，多电压等级直流供电***意味着需要安装不同电压等级输出的直流插座，容易造成家用电器误插，引发电器故障和用电危险。输出电压在48V以上的直流插座，还存在触电风险。
此外，虽然在家用直流供电环境下，直流家用电器省去了AC-DC整流的成本。但是，直流家用电器依然需要配置DC-DC变换器以实现直流电源电压到电器额定工作电压的转换，增大了家用电器的体积，增加了生产成本。
因此，需要开发一种具备多电压等级输出的家用直流插座，具备自动测量并输出家用电器的额定工作电压的功能。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种双运行模式DC-DC变换器及自适应控制输出电压的直流插座，具备自动测量并输出家用电器的额定工作电压的功能，能够解决家用直流供电环境下多电压等级安全高效供电的问题。
为了实现上述目的，在一些实施方式中，本发明采用如下技术方案：
一种双运行模式DC-DC变换器，包括：并联连接的低电压直流变换电路和高电压直流变换电路；输出电容CO分别并联在低电压直流变换电路和高电压直流变换电路的输出端；通过比较所需输出电压与设定阈值的大小，能够控制双运行模式DC-DC变换器工作在低电压运行模式或者高电压运行模式。
本发明方案双运行模式DC-DC变换器，扩展了变换器的电压输出范围，提高了变换器的电压承受能力和功率输出能力。
在另一些实施方式中，本发明采用如下技术方案：
一种自适应控制输出电压的直流插座，包括上述的双运行模式DC-DC变换器，所述双运行模式DC-DC变换器能够自适应估计用电设备的额定工作电压，并输出所述额定工作电压的近似值。
当家用电器***所述插座后，插座能根据家用电器额定工作电压自适应地控制电压输出，省去了直流家用电器内部的DC-DC变换模块；无需在家用直流供电***装设多级电压输出的插座。
在另一些实施方式中，本发明采用如下技术方案：
一种自适应控制输出电压的直流插座的工作方法，包括：
直流插座***家用电器后，双运行模式DC-DC变换器启动，对输出电容CO充电，输出电压上升；
当输出电压上升至高于家用电器欠电压保护阈值时，DC-DC变换器输出电流突升；
DC-DC变换器检测到突升电流，捕捉此时刻的输出电压，乘以设定的比例系数，得到所述家用电器额定工作电压估计值；
DC-DC变换器将所述估计值作为参考电压，确定运行模式，输出家用电器额定工作电压的估计值。
本发明有益效果：
本发明的自适应控制输出电压的家用插座，通过设计机械弹簧开关，当没有家用电器***时，插座输出电压为0，避免了触碰插座造成触电事故；当家用电器***所述插座后，插座能根据家用电器额定工作电压自适应地控制电压输出，省去了直流家用电器内部的DC-DC变换模块；
本发明插座能够自适应的控制电压输出，避免了家用直流供电***装设多级电压输出的插座，整体上降低了直流家用电器和家用直流供电***的设计成本。
本发明双运行模式DC-DC变换器，扩展了变换器的电压输出范围，提高了变换器的电压承受能力和功率输出能力。
附图说明
图1为本发明实施例提供的自适应控制输出电压的家用直流插座的内部结构示意图；
图2为本发明实施例提供的双运行模式DC-DC变换器的低压直流变换电路的内部结构示意图；
图3为本发明实施例提供的双运行模式DC-DC变换器的高压直流变换电路的内部结构示意图；
图4为本发明实施例提供的机械弹簧继电开关的内部结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在一个或多个实施方式中，公开了一种双运行模式DC-DC变换器，包括：并联连接的低电压直流变换电路和高电压直流变换电路；输出电容CO分别并联在低电压直流变换电路和高电压直流变换电路的输出端。
其中，低电压直流变换电路与高电压直流变换电路的输入侧并联连接，共用直流电源正极导线和直流电源负极导线；低电压直流变换电路与所述高电压直流变换电路的输出侧为并联连接。
具体地，参照图2，低电压直流变换电路包括：一个buck型小功率直流变换电路和一个谐振直流变换电路。buck型小功率直流变换电路输入接口连接着家用直流电源，由一个IGBT开关，一个小功率电感L1，小功率电容C1和一个二极管D1构成，小功率电容C1并联一泄放电阻R1，泄放电阻阻值为10kΩ左右，供电损耗可以忽略不计。LLC谐振变换电路由一半桥MOSFET电路，LLC谐振电路和一高频变压器，一半桥二极管整流电流依次串联构成。高频变压器匝数比Np:Ns＝8:1，两个MOSFET开关的额定工作频率为50kHz，IGBT开关的额定工作频率在20kHz。该低电压直流变换电路用于为工作电压在5V至48V间的家用电器设备供电。当低电压直流变换电路工作时，双运行模式DC-DC变换器处于低电压运行模式。
参见图3，高电压直流变换电路包括：一个buck型大功率变换电路。该buck型大功率直流变换电路与buck型小功率直流变换电路共用一个IGBT开关，大功率电感L2与IGBT开关串接。该高电压支路变换电路用于为工作电压在48V至400V之间的家用电器设备供电。当高电压直流变换电路工作时，双运行模式DC-DC变换器处于高电压运行模式。
双刀双掷开关S2串联于上述两种直流变换电路的输入侧；双刀双掷开关S3串联于上述两种变换电路的输出侧。双刀双掷开关S2、S3同步动作，S2控制变换器输入侧电路的切换，S3控制变换器输出侧电路的切换。通过控制S2、S3的动作，双运行模式DC-DC变换器可以在高电压运行模式和低电压运行模式之间切换。
本实施例双运行模式DC-DC变换器具有两种运行模式：1)当输出电压低于设定阈值时，控制S2、S3动作，开通低电压直流变换电路，断开高电压直流变换电路，进入低电压运行模式；2)当输出电压高于设定阈值时，控制S2、S3动作，开通高电压直流变换电路，断开低电压直流变换电路进入高电压运行模式。
实施例二
在一个或多个实施方式中，公开了一种自适应控制输出电压的直流插座，其包括了实施例一中所述的双运行模式DC-DC变换器。
在具体的实施例中，所述插座应用场景为中低压直流供用电***下的家庭供电，接入家庭的电源与普遍的单相交流电源不同，而是幅值为400V的直流电源，分为正负两极进线，由于直流供用电***的接地方式是浮地连接，所以不提供地线。
参照图1，自适应控制输出电压的家用直流插座包括：正极插槽、负极插槽、机械弹簧继电开关、双运行模式DC-DC变换器、正极电流导体和负极电流导体。
正极插槽和负极插槽位于插座与电器的连接处；机械弹簧继电开关位于正极插槽底部的后侧；双运行模式DC-DC变换器，位于机械弹簧继电开关后侧，具有正极输出口、负极输出口、正极输入口与负极输入口，其中，正极进线口与家用直流电源正极导线相连，负极进线口与家用直流电源负极导线相连；
正极电流导体，设于正极插槽侧面，用于连接所述正极插槽与双运行模式DC-DC变换器正极输出口；负极电流导体，设于负极插槽侧面，用于连接负极插槽与双运行模式DC-DC变换器负极输出口。
参照图4，正极插槽内有移动滑片，可以沿插槽槽壁水平移动。当没有插头***插槽时，移动滑片处于插槽中部位置。当然，移动滑片也可以根据需要设置在负极插槽内。
机械弹簧继电开关具体包括：单刀双掷开关S1、泄放电阻、机械弹簧和继电信号发生器。
其中，单刀双掷开关S1包括：开关电路及开关刀片，开关电路一端与正极电流导体相连；开关电路另一端具有两个触点：第一触点和第二触点；第一触点与泄放电阻一端相连，泄放电阻另一端与负极电流导体相连；泄放电阻用于在家电拔出所述插座后归零插座输出电压。第二触点构成断路。
需要说明的是，若移动滑片设置在负极插槽内，则泄放电阻与正极电流导体连接。
机械弹簧一端与移动滑片相连，移动滑片向插槽底部移动时，机械弹簧压缩，移动滑片向插槽槽口移动时，机械弹簧伸展。机械弹簧另一端与单刀双掷开关S1的开关刀片相连。
开关刀片根据机械弹簧压缩情况具有三种状态：
1)当没有插头***插槽时，移动滑片使机械弹簧伸展，开关刀片与第一触点接触，泄放电阻与双运行模式DC-DC变换器相连；
2)当插头***插槽后，移动滑片移动使机械弹簧压缩，开关刀片离开第一触点，泄放电阻与双运行模式DC-DC变换器断开；
3)当插头***插槽底部时，机械弹簧压缩使开关刀片接触第二触点。
继电信号发生器根据第一触点和第二触点与开关刀片的接触情况发送对应信号至双运行模式DC-DC变换器控制模块。当第二触点与S1刀片接触时，继电信号发生器发送启动信号，双运行模式DC-DC变换器输出工作电压；当第一触点与S1刀片接触时，继电信号发生器发送停止信号，双运行模式DC-DC变换器停止输出工作电压。
当家用电器的插头未***插座时，插座输出电压为0V。当插座***插座后，经过移动滑片的移动，泄放电阻RB与输出电容CO断开，直到插头接触插槽底部开关刀片接触第二触点，启动双运行模式DC-DC变换器输出电压。
当家用电器不需要工作，将插头拔出插头时，移动滑片移动使开关刀片离开第二触点并最终接触第一触点，泄放电阻RB与输出电容CO并联连接，迅速放出电容存储电能使电容电压降至0V。RB阻值为10Ω。若家用电器拔出插座的过程中仍然带电工作，其工作电压将在刀片接触第一触点后迅速下降，避免家用电器拔离插座后产生电弧。
若双运行模式DC-DC变换器处于高电压运行模式时，当家用电器拔出插头后，S1开关刀片接触第一触点，第一触点通过继电信号发生器发送信号给双刀双掷开关S2、S3，S2、S3动作控制DC-DC变换器切换至低电压直流变换电路。
本发明实施例的自适应控制输出电压的家用插座，通过设计机械弹簧开关，当没有家用电器***时，插座输出电压为0，避免了触碰插座造成触电事故。
本实施例中，双运行模式DC-DC变换器具有自适应估计电器额定工作电压并改变输出电压的能力。自适应改变输出电压的功能利用了家用电器中的欠电压保护***。在家用电器额定工作电压的估计过程中，双运行模式DC-DC变换器选择低电压运行模式输出或高电压运行模式输出。
当***家电额定工作电压低于运行模式阈值Us时，控制低电压直流变换电路开通，高电压直流变换电路断开，进入低电压运行模式。
当***家电额定工作电压高于运行模式阈值Us时，控制高电压直流变换电路开通，低电压直流变换电路断开，进入高电压运行模式。
本实施例中，选取运行模式阈值Us为48V。当然，本领域技术人员可以根据实际需要选择其他值。
在另一些实施方式中，公开了一种自适应控制输出电压的直流插座的工作方法，包括：
1)当家用电器被***直流插座后，双运行模式DC-DC变换器启动，初始运行模式是低电压运行模式，对输出电容Co快速充电，输出电压迅速上升；
2)当输出电压低于家用电器欠电压保护阈值时，家用电器受欠电压保护，DC-DC变换器输出电流近似于零；
3)若输出电压上升至低于低电压直流变换电路的最大输出电压48V，且高于家用电器欠电压保护阈值时，家用电器不受欠电压保护，双运行模式DC-DC变换器输出电流突升，保持低电压运行模式，转至步骤(5)；若输出电压升至48V且变换器输出电流没有明显突升时，控制双刀双掷开关S2、S3切换至高电压运行模式，转至步骤(4)；
4)若输出电压上升至低于高电压直流变换电路的最大输出电压400V，且高于家用电器欠电压保护阈值时，家用电器不受欠电压保护，双运行模式DC-DC变换器输出电流突升，保持高电压运行模式，转至步骤(5)；
5)双运行模式DC-DC变换器检测到突升电流，并捕捉此时刻输出电压UO，乘以某一比例系数得到家用电器额定工作电压估计值UR*；
6)双运行模式DC-DC变换器将UR*作为参考电压，输出家用电器额定工作电压的近似值。
DC-DC变换器比较参考电压与运行模式阈值Us切换运行模式，并控制IGBT开关的开通和关断以输出参考电压。
当家用电器***所述插座后，插座能根据家用电器额定工作电压自适应地控制电压输出，省去了直流家用电器内部的DC-DC变换模块。
本发明实施例的插座能够自适应的控制电压输出，避免了家用直流供电***装设多级电压输出的插座，整体上降低了直流家用电器和家用直流供电***的设计成本。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (7)

1.一种自适应控制输出电压的直流插座的工作方法，其特征在于，包括：
直流插座***家用电器后，双运行模式DC-DC变换器启动，对输出电容CO充电，输出电压上升；
当输出电压上升至高于家用电器欠电压保护阈值时，DC-DC变换器输出电流突升；
DC-DC变换器检测到突升电流，捕捉此时刻的输出电压，乘以设定的比例系数，得到所述家用电器额定工作电压估计值；
DC-DC变换器将所述估计值作为参考电压，确定运行模式，输出家用电器额定工作电压的估计值；
所述双运行模式DC-DC变换器的正极输入端与家用直流电源的正极连接，负极输入端与家用直流电源的负极连接，正极输出端与正极电流导体连接，负极输出端与负极电流导体连接；
所需输出电压低于设定阈值时，控制低电压直流变换电路导通，高电压直流变换电路断开，进入低电压运行模式；
所需输出电压高于设定阈值时，控制高电压直流变换电路导通，低电压直流变换电路断开，进入高电压运行模式；
所述直流插座包括：正极插槽和负极插槽；其中一插槽内设有移动滑片，所述移动滑片连接机械弹簧开关；所述机械弹簧开关包括第一触点和第二触点；移动滑片处于靠近正极插槽槽口的第一位置时，开关与第一触点接触；移动滑片处于远离正极插槽槽口的第二位置时，开关与第二触点接触；
开关与第二触点接触时，通过继电信号发生器发送启动信号，DC-DC变换器输出工作电压；开关与第一触点接触时，通过继电信号发生器发送停止信号，DC-DC变换器停止输出工作电压。
2.一种自适应控制输出电压的直流插座，其特征在于，采用权利要求1所述的工作方法进行工作。
3.如权利要求2所述的一种自适应控制输出电压的直流插座，其特征在于，包括：并联连接的低电压直流变换电路和高电压直流变换电路；输出电容CO分别并联在低电压直流变换电路和高电压直流变换电路的输出端；通过比较所需输出电压与设定阈值的大小，能够控制双运行模式DC-DC变换器工作在低电压运行模式或者高电压运行模式。
4.如权利要求2所述的一种自适应控制输出电压的直流插座，其特征在于，所述低电压直流变换电路包括：串联连接的buck型小功率直流变换电路和LLC谐振变换电路；
所述buck型小功率直流变换电路包括IGBT开关与电感L1的串联支路与电容C1并联；所述电容C1两端并联泄放电阻R1；
所述LLC谐振变换电路包括依次串联连接的半桥MOSFET电路、LLC谐振电路、高频变压器和半桥二极管整流电路。
5.如权利要求2所述的一种自适应控制输出电压的直流插座，其特征在于，所述高电压直流变换电路包括：串联连接的IGBT开关和电感L2。
6.如权利要求2所述的一种自适应控制输出电压的直流插座，其特征在于，所述低电压直流变换电路和高电压直流变换电路共用一个IGBT开关，在所述IGBT开关之后，以及输出电容CO之前，分别连接双刀双掷开关S2和S3；通过控制双刀双掷开关S2和S3的刀闸通断，实现低电压直流变换电路和高电压直流变换电路的接通或者关断。
7.如权利要求2所述的一种自适应控制输出电压的直流插座，其特征在于，包括权利要求3-6任一项所述的一种自适应控制输出电压的直流插座，所述双运行模式DC-DC变换器能够自适应估计用电设备的额定工作电压，并输出所述额定工作电压的近似值。
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