一种AC/DC双向逆变电路的制作方法

一种ac/dc双向逆变电路
技术领域
1.本发明涉及逆变电路，尤其涉及一种ac/dc双向逆变电路。


背景技术：

2.在逆变电源中，逆变电感扮演着重要的角色。逆变电感的电流检测成为逆变器电源可靠运行的必要保证。用分流电阻进行电流测量将会出现强耦合噪声，特别是在峰值电流处更甚，这使得电感饱和的检测非常困难。逆变电源中也有通过采样电阻来测量电感电流，但这方法的缺点是，在电源中产生的开关噪声很容易通过分流电阻耦合到电压测量中，当电感电流改变方向时，测量结果并不能真正代表电感电流的大小。空载状态下工作时，电感中只有轻微的电流，电流只有100μa左右，电流非常小，如果使用分流电阻采样会非常困难，采样值不准确，无法根据电感电流对ac/dc双向逆变电路进行精准地控制。
3.霍尔传感器检测电流广泛地应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等方面，也适用于逆变电源及太阳能电源管理系统、电流监控及电池应用，ups等系统电流信号采集和反馈控制。多数大功率设备由于电感电流过大，使用霍尔电流传感器进行电感全电流检测非常困难，无法实现及时的动态保护，导致霍尔电流传感器损坏不在少数，且由于电流过大，对霍尔电流传感器的要求高，成本高。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是提供一种能够电感电流进行精准控制的ac/dc双向逆变电路。
5.为了解决上述技术问题，本发明采用的技术电路是，一种ac/dc双向逆变电路，包括主电路和控制电路，主电路包括交流端、直流端、直流母线、电感和两个由开关管组成的半桥，电感包括主绕组和分流绕组；直流端的正负极分别接直流正母线和直流负母线，两个半桥并接在直流正母线与直流负母线之间；第一半桥的中点通过电感的主绕组接交流端的第一端，第二半桥的中点接交流端的第二端；控制电路包括微控制器和霍尔电流传感器，半桥由微控制器通过驱动电路驱动；霍尔电流传感器的第一电流检测引脚接电感分流绕组的输出端，霍尔电流传感器的第二电流检测引脚接电感的主绕组与第一半桥连接点；霍尔电流传感器的电流检测信号输出端接微控制器的电流检测信号输入端。
6.以上所述的ac/dc双向逆变电路，电感为双线并绕，主绕组的第一端与分流绕组的第一端连接，主绕组的第一端接交流端的第一端，第一半桥的中点接主绕组的第二端和霍尔电流传感器的第二电流检测引脚，分流绕组的第二端作为分流绕组的输出端接霍尔电流传感器的第一电流检测引脚。
7.以上所述的ac/dc双向逆变电路，主电路包括交流输入端、母线电容、整流桥和继电器，控制电路包括母线电压检测电路；半桥的上管和下管为igbt，母线电容接在直流端的正负极之间；整流桥的输入端接交流输入端，整流桥的直流输出端接直流母线；继电器的第一触点串接在交流输入端的第一端与交流端的第一端之间，继电器的第二触点串接在交流
输入端的第二端与交流端的第二端之间；继电器驱动电路的控制端接微控制器的继电器控制信号输出端；母线电压检测电路的输入端接直流母线，母线电压检测电路的输出端接微控制器。
8.以上所述的ac/dc双向逆变电路，主电路按正向ac-dc模式工作时，包括以下步骤：401)在继电器触点断开的状态下，交流输入端通过整流桥向母线电容充电；402)当母线电容的电压达到设定值时，微控制器将继电器触点接合，交流输入端与交流端连接；403)在交流输入的正半周期，电流从交流输入端的火线依次经由电感、第一半桥的上管、母线电容、第二半桥下管的体二极管回到交流输入端的零线；此时，第一半桥的上管为高频管，第二半桥下管的体二极管为续流二极管；404)在交流输入的负半周期，电流从交流输入端的火线依次经由电感、第二半桥的上管的体二极管、母线电容、第一半桥下管回到交流输入端的零线；此时，第一半桥的下管为高频管，第二半桥上管的体二极管为续流二极管。
9.以上所述的ac/dc双向逆变电路，主电路按逆向dc-dc模式工作时，包括以下步骤：501)继电器工作在触点断开的状态下；502)在逆向交流输出的正半周期，电流从直流端的正极依次经第一半桥的上管、电感、交流端和第二半桥的下管回到直流端的负极；503)在逆向交流输出的负半周期，电流从直流端的正极依次经第二半桥的上管、交流端、电感和第一半桥的下管回到直流端的负极。
10.以上所述的ac/dc双向逆变电路，第一半桥的上管和下管作为高频管，第二半桥的上管和下管作为工频管, 第一半桥的上管与下管驱动互补；在交流正弦输出的过零点第一半桥的上管与下管进行驱动换向，第一半桥的上管和下管驱动的开通的占空比先小后大，到达正弦交流电波形的顶点时占空比为最大，然后占空比逐渐变小，直至正弦交流电过零点换向。
11.本发明采用霍尔电流传感器对电感电流进行分流检测，能够准确地实现小电流的检测及采样，以对ac/dc双向逆变电路进行精准地控制。
附图说明
12.图1是本发明实施例ac/dc双向逆变电路的电路图。
13.图2是本发明实施例主电路按正向ac-dc模式工作时的等效电路框图。
14.图3是本发明实施例主电路按逆向dc-ac模式工作时的等效电路框图。
15.图4是本发明实施例霍尔电流传感器芯片mca1101-50-3的引脚图。
具体实施方式
16.本发明实施例ac/dc双向逆变电路的结构和原理如图1至图4所示，包括主电路和控制电路。
17.主电路包括交流输入端ac-in、交流端ac-out、直流端bus、直流母线、电感l1、交流端电容c1、母线电容c2、整流桥bd1、继电器和两个由开关管组成的半桥，第一半桥包括上管q1和下管q2，第二半桥包括上管q4和下管q3，q1、q2、q3和q4为igbt。
18.控制电路包括微控制器（主控mcu）、霍尔电流传感器mca1101-50-3和母线电压检测电路。
19.整流桥bd1的输入端接交流输入端ac-in，整流桥bd1的直流输出端的正负极分别接直流正母线和直流负母线。继电器的第一触点rly1串接在交流输入端ac-in的火线端l与交流端ac-out火线端inv-l之间，继电器的第二触点rly2串接在交流输入端ac-in的零线端n与交流端ac-out的零线端inv-n之间。继电器驱动电路的控制端接微控制器的继电器控制信号输出端。母线电压检测电路的输入端接直流母线，母线电压检测电路的输出端接微控制器。交流端电容c1接在交流端ac-out的火线端inv-l与交流端ac-out的零线端inv-n之间。
20.电感l1包括主绕组和分流绕组。电感l1为双线并绕，主绕组的第一端与分流绕组的第一端连接。
21.直流端bus的正负极+vdc和gnd分别接直流正母线和直流负母线。母线电容c2接在直流端bus的正负极+vdc和gnd之间。两个半桥并接在直流正母线与直流负母线之间。第一半桥的中点通过电感l1的主绕组接交流端ac-out的火线端inv-l，即电感l1主绕组的第一端接交流端ac-out的火线端inv-l，第一半桥的中点接主绕组的第二端和霍尔电流传感器的第二电流检测引脚ip+，分流绕组的第二端作为分流绕组的输出端接霍尔电流传感器的第一电流检测引脚ip-。
22.第二半桥的中点接交流端ac-out的零线端inv-n。两个半桥的开关管由微控制器通过驱动电路驱动。
23.霍尔电流传感器的第一电流检测引脚ip-接电感l1分流绕组的输出端，霍尔电流传感器的第二电流检测引脚ip+接电感l1的主绕组与第一半桥连接点。霍尔电流传感器的电流检测信号输出引脚vout接微控制器的电流检测信号输入端。
24.如图1所示，本发明实施例ac/dc双向逆变电路采用霍尔电流传感器芯片mca1101-50-3对电感电流进行分流检测，对电感上流过的电流以分流的形式进行电流的采样，再将电流采样值反馈到主控mcu中。
25.一、主电路按正向ac-dc模式工作时，包括以下步骤：401)在继电器rly触点断开的状态下，交流输入端ac-in通过整流桥bd1向母线电容c2预充电。
26.402)当母线电容c2的电压达到设定值时，微控制器（主控mcu()下发继电器驱动信号，继电器的两个触点rly1,rly2吸合，使交流输入端ac-in与交流端ac-out连接，正向等效电路如图2所示。
27.403)主控mcu(tms30f280023pmsr)下发驱动，电路中的rac1为假想负载。在交流输入的正半周期，电流从交流输入端ac-in的火线依次经由电感l1、第一半桥的上管q1、母线电容c2、第二半桥下管q3的体二极管回到交流输入端ac-in的零线。此时，第一半桥的上管q1为高频管，第二半桥下管q3的体二极管为续流二极管。
28.404)在交流输入的负半周期，电流从交流输入端ac-in的火线依次经由电感l1、第二半桥上管q4的体二极管、母线电容c2、第一半桥下管回到交流输入端ac-in的零线。此时，第一半桥的下管q2为高频管，第二半桥上管q4的体二极管为续流二极管。
29.在每一个开关周期内，q1,q2（工作频率25khz）交替开关，将输入的交流电整流成
overcurrent detection)的阈值水平，由于mca1101-50-3固有的低输出噪声，外部不需要额外的滤波电路来降低噪声，从而降低了动态负载轮廓系统中低电平电流的精度，让整个电感回路的电流更加稳定。mca1101-50-3采样的电流值与ip+/ip-（正电流或负电流）电感电流回路中产生的磁场呈线性，电流采样值被传递到差分放大器中，作差分运算。然后通过仪表放大器输出级提供的电压值（vref），控制通过ip+/ip-引脚的电流。vout引脚的信号被引用到vref引脚。vref上的电压通常是vout电流感应输出信号的全尺度范围的1/2。当ip+/ip-回路中没有电流流动时，vout = vref，正电流会导致vout上的电压相对于vref增加，而负电流会导致其降低。
37.在本实施例中，霍尔电流传感器mca1101-50-3对电感分流过来电流进行检测后，经过mca1101-50-3进行隔离和运算后， vout引脚输出稳定的ad信号（ipfc：转换输出的电流ad值）。如图1中显示， vout引脚和vref引脚分别与主控mcu连接，两路信号分别接到主控mcu（tms320f280023pmsr）的adc功能引脚（pin15和pin12）上，此时的主控mcu会根据所写的软件算法对ipfc与ipfc-vref（ipfc-vref：转换输出的基准电流ad值）在主控mcu里作差分运算，若电流采样值超过阈值，即oc时，信号翻转，主控mcu发指令保护，切端后续输出。
38.本发明以上实施例以双向3500w逆变器为平台，提出了一种基于霍尔电流传感器mca1101-50-3的电感电流分流检测方法。经实验验证，该电路能够通过霍尔电流传感器准确地实现将电感电流分流过来的小电流进行检测及采样，并对ac/dc双向逆变电路进行精准的控制。同时，该电路具有良好的通用性、可移植性、稳定性与可靠性，能够为同类双向逆变器的设计提供参考。

技术特征：
1.一种ac/dc双向逆变电路，包括主电路和控制电路，其特征在于，主电路包括交流端、直流端、直流母线、电感和两个由开关管组成的半桥，电感包括主绕组和分流绕组；直流端的正负极分别接直流正母线和直流负母线，两个半桥并接在直流正母线与直流负母线之间；第一半桥的中点通过电感的主绕组接交流端的第一端，第二半桥的中点接交流端的第二端；控制电路包括微控制器和霍尔电流传感器，半桥由微控制器通过驱动电路驱动；霍尔电流传感器的第一电流检测引脚接电感分流绕组的输出端，霍尔电流传感器的第二电流检测引脚接电感的主绕组与第一半桥连接点；霍尔电流传感器的电流检测信号输出端接微控制器的电流检测信号输入端。2.根据权利要求1所述的ac/dc双向逆变电路，其特征在于，电感为双线并绕，主绕组的第一端与分流绕组的第一端连接，主绕组的第一端接交流端的第一端，第一半桥的中点接主绕组的第二端和霍尔电流传感器的第二电流检测引脚，分流绕组的第二端作为分流绕组的输出端接霍尔电流传感器的第一电流检测引脚。3.根据权利要求1所述的ac/dc双向逆变电路，其特征在于，主电路包括交流输入端、母线电容、整流桥和继电器，控制电路包括母线电压检测电路；半桥的上管和下管为igbt，母线电容接在直流端的正负极之间；整流桥的输入端接交流输入端，整流桥的直流输出端接直流母线；继电器的第一触点串接在交流输入端的第一端与交流端的第一端之间，继电器的第二触点串接在交流输入端的第二端与交流端的第二端之间；继电器驱动电路的控制端接微控制器的继电器控制信号输出端；母线电压检测电路的输入端接直流母线，母线电压检测电路的输出端接微控制器。4.根据权利要求3所述的ac/dc双向逆变电路，其特征在于，主电路按正向ac-dc模式工作时，包括以下步骤：401)在继电器触点断开的状态下，交流输入端通过整流桥向母线电容充电；402)当母线电容的电压达到设定值时，微控制器将继电器触点接合，交流输入端与交流端连接；403)在交流输入的正半周期，电流从交流输入端的火线依次经由电感、第一半桥的上管、母线电容、第二半桥下管的体二极管回到交流输入端的零线；此时，第一半桥的上管为高频管，第二半桥下管的体二极管为续流二极管；404)在交流输入的负半周期，电流从交流输入端的火线依次经由电感、第二半桥的上管的体二极管、母线电容、第一半桥下管回到交流输入端的零线；此时，第一半桥的下管为高频管，第二半桥上管的体二极管为续流二极管。5.根据权利要求1所述的ac/dc双向逆变电路，其特征在于，主电路按逆向dc-dc模式工作时，包括以下步骤：501)继电器工作在触点断开的状态下；502)在逆向交流输出的正半周期，电流从直流端的正极依次经第一半桥的上管、电感、交流端和第二半桥的下管回到直流端的负极；503)在逆向交流输出的负半周期，电流从直流端的正极依次经第二半桥的上管、交流端、电感和第一半桥的下管回到直流端的负极。6.根据权利要求5所述的ac/dc双向逆变电路，其特征在于，第一半桥的上管和下管作为高频管，第二半桥的上管和下管作为工频管, 第一半桥的上管与下管驱动互补；在交流
正弦输出的过零点第一半桥的上管与下管进行驱动换向，第一半桥的上管和下管驱动的开通的占空比先小后大，到达正弦交流电波形的顶点时占空比为最大，然后占空比逐渐变小，直至正弦交流电过零点换向。

技术总结
本发明公开了一种AC/DC双向逆变电路，主电路包括交流端、直流端、直流母线、电感和两个由开关管组成的半桥，电感包括主绕组和分流绕组；直流端接直流母线，两个半桥并接在直流正母线与直流负母线之间；第一半桥的中点通过电感的主绕组接交流端的第一端，第二半桥的中点接交流端的第二端；控制电路包括微控制器和霍尔电流传感器，半桥由微控制器通过驱动电路驱动；霍尔电流传感器的第一电流检测引脚接电感分流绕组的输出端，霍尔电流传感器的第二电流检测引脚接电感的主绕组与第一半桥连接点；霍尔电流传感器的电流检测信号输出端接微控制器的电流检测信号输入端。本发明能够准确地实现小电流的检测，以对主电路实现精准地控制。以对主电路实现精准地控制。以对主电路实现精准地控制。


技术研发人员：叶呈伟
受保护的技术使用者：广东高斯宝电气技术有限公司
技术研发日：2023.07.14
技术公布日：2023/8/13