多绕组反激式DC/AC变换电路
技术领域
本发明涉及直流电源转换为交流电源的技术领域，更具体地说，是涉及一种多绕组反激式DC/AC变换电路，可应用于将太阳能电池组件、蓄电池组或其他形式的直流电源转换为交流电源的系统。
背景技术
传统的DC/AC变换电路通常需要通过DC/DC和DC/AC两个环节，工作时，电路的输入端输入恒定电压，经过DC/DC环节时通过BOOST开关电路进行升压或降压变换，然后通过全桥电路(如：H桥PWM脉宽调制)将DC转换成AC输出，其输出部分通常为恒定电压幅值。在传统的DC/AC变换电路中构成的开关器件多，结构复杂，并且两级变换影响了整个逆变电路的转化效率，导致转化效率较低。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的上述缺陷，提供一种能自动追踪输入直流功率、DC输入与AC输出隔离、简化了电路拓扑结构和提高了整体转化效率和可靠性的单级多绕组反激式DC/AC变换电路。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：一种多绕组反激式DC/AC变换电路，包括直流输入电源Vdc，开关S1、S2，多绕组反激式变压器T1，交流换向电路，二极管D1、D2和控制器，
所述交流换向电路由开关S3、S4构成，用于将多绕组反激变压器T1输出的半波直流转换为交流正弦输出；
所述多绕组反激式变压器T1的一次侧绕组包括互相连接的第一绕组N1和第二绕组N2，其二次侧绕组包括互相连接的第三绕组N3和第四绕组N4，所述直流输入电源Vdc的正极与第一绕组N1和第二绕组N2的公共端连接，所述第一绕组N1的另一端通过开关S1连接在直流输入电源Vdc的负极，所述第二绕组N2的另一端通过开关S2连接在直流输入电源Vdc的负极，所述第三绕组N3和第四绕组N4的公共端与开关S3、S4之间的连接点连接，所述二极管D1的正极与第三绕组N3的另一端连接，所述二极管D1的负极与开关S3的另一端连接，所述二极管D2的正极与第四绕组N4的另一端连接，所述二极管D2的负极与开关S4的另一端连接；
所述控制器用于检测直流输入电源Vdc的电压幅值和电流幅值，以及通过对开关S1、S2的控制使直流输入电源Vdc经过多绕组反激式变压器T1后输出正向交流半波和负向交流半波，并经开关S3、S4切换后得到完整的正弦交流输出。
作为优选的，在上述技术方案中，所述控制器还用于当多绕组反激式变压器T1的输出侧并联于交流电网时，实时检测交流电网的电压幅值和频率，并控制开关S1、S2、S3、S4的控制时序，使输出的交流电压和频率与交流电网的电压和频率一致。
作为优选的，在上述技术方案中，所述控制器还用于当DC/AC变换电路工作于离网独立运行状态时，将读取预先设定的输出电压幅值和频率参数，结合直流输入电源Vdc输出功率的检测和控制，共同对开关S1和S4或开关S2和S3发送控制信号。
作为优选的，在上述技术方案中，所述开关S3、S4轮流工作于工频频率，当D1、S4工作时，多绕组反激式变压器T1向交流电网或负载输出正向交流半波；当D2、S3工作时，多绕组反激式变压器T1向交流电网或负载输出负向交流半波。
作为优选的，在上述技术方案中，所述直流输入电源Vdc为输入直流电压及电流幅值可变的直流输入电源。
作为优选的，在上述技术方案中，所述直流输入电源Vdc包括蓄电池组、太阳能电池组或整流电源。
作为优选的，在上述技术方案中，还包括直流半波滤波电路，所述直流半波滤波电路具有电容C1和电容C2，所述电容C1并联在二极管D1的负极与第三绕组N3和第四绕组N4的公共端之间，所述电容C2并联在二极管D2的负极与第三绕组N3和第四绕组N4的公共端之间。
作为优选的，在上述技术方案中，还包括保护电路，所述保护电路具有过压保护器D3和过压保护器D4，所述过压保护器D3的正极连接在第三绕组N3和第四绕组N4的公共端，所述过压保护器D3的负极与二极管D1的负极连接，所述过压保护器D4的正极连接在第三绕组N3和第四绕组N4的公共端，所述过压保护器D4的负极与二极管D2的负极连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明由直流输入电源、开关S1、S2、S3、S4、多绕组反激式变压器、二极管D1、D2和控制器组成，多绕组反激式变压器可同时实现电气隔离、直流升压和波形调制三个功能，控制器能够检测直流输入电源的电压幅值和电流幅值，以及通过对开关S1、S2的控制使直流输入电源Vdc经过多绕组反激式变压器T1后输出正向交流半波和负向交流半波，并经开关S3、S4切换后得到完整的正弦交流输出，以单级电路形式实现DC/AC的转换，省去了通用DC/AC电路中的桥式逆变电路，简化了电路拓扑结构，提高了电路的整体转化效率和可靠性。
附图说明
图1是多绕组反激式DC/AC变换电路的电路原理图；
图2是交流正弦正半波输出时的电路示意图；
图3是交流正弦负半波输出时的电路示意图；
图4是多绕组反激式DC/AC变换电路中各个输出波形的波形图。
下面结合附图和实施例对本发明所述的多绕组反激式DC/AC变换电路作进一步说明。
具体实施方式
以下是本发明所述的多绕组反激式DC/AC变换电路的最佳实例，并不因此限定本发明的保护范围。
请参考图1，图中示出了一种多绕组反激式DC/AC变换电路，包括直流输入电源Vdc，开关S1、S2、S3、S4，多绕组反激式变压器T1，二极管D1、D2，控制器1，直流半波滤波电路2和保护电路3，其中，开关S1、S2、S3、S4为单向开关，开关S3、S4构成了用于将多绕组反激变压器T1输出的半波直流转换为交流正弦输出的交流换向电路，多绕组反激式变压器T1的输入端与直流输入电源Vdc连接，多绕组反激式变压器T1的输出端与二极管D1、D2、直流半波滤波电路2、保护电路3和交流换向电路连接。下面将对多绕组反激式DC/AC变换电路的各元器件的结构、原理及具体连接关系作详细说明。
具体而言，直流输入电源Vdc为输入直流电压及电流幅值可变的直流输入电源。在本实施中，直流输入电源Vdc可以为蓄电池组、太阳能电池组或整流电源，当然也可以为经过其他形式变换而得到的直流电源。
多绕组反激式变压器T1为功率变换主要器件之一，采用多绕组设计，其能够同时实现电气隔离、直流升压和波形调制三个功能，且转换效率高，多绕组反激式变压器T1的一次侧绕组(即初级绕组)包括互相连接的第一绕组N1和第二绕组N2，第一绕组N1和第二绕组N2之间具有一公共端，其二次侧绕组(即次级绕组)包括互相连接的第三绕组N3和第四绕组N4，第三绕组N3和第四绕组N4的公共端之间具有一公共端。通过对多绕组反激式变压器T1输入侧的开关S1、S2(主功率器件)的控制，能够使得该变压器T1工作于反激工作状态，并在变压器T1的输出侧输出幅值和频率均可调节的过零交流半波型直流。
在本实施中，直流输入电源Vdc的正极与第一绕组N1和第二绕组N2的公共端连接，第一绕组N1的另一端通过开关S1连接在直流输入电源Vdc的负极，第二绕组N2的另一端通过开关S2连接在直流输入电源Vdc的负极，第三绕组N3和第四绕组N4的公共端与开关S3、S4之间的连接点连接，二极管D1的正极与第三绕组N3的另一端连接，二极管D1的负极与开关S3的另一端连接，二极管D2的正极与第四绕组N4的另一端连接，二极管D2的负极与开关S4的另一端连接，二极管D1、D2具有单向整流作用。
直流半波滤波电路2包括电容C1和电容C2，电容C1并联在二极管D1的负极与第三绕组N3和第四绕组N4的公共端之间，电容C2并联在二极管D2的负极与第三绕组N3和第四绕组N4的公共端之间。保护电路3包括过压保护器D3和过压保护器D4，所述过压保护器D3的正极连接在第三绕组N3和第四绕组N4的公共端，所述过压保护器D3的负极与二极管D1的负极连接，所述过压保护器D4的正极连接在第三绕组N3和第四绕组N4的公共端，所述过压保护器D4的负极与二极管D2的负极连接。
进一步而言，控制器1具有控制电路和检测电路，控制器1用于检测直流输入电源Vdc的电压幅值和电流幅值，以及通过对开关S1、S2的控制使直流输入电源Vdc经过多绕组反激式变压器T1后输出正向交流半波和负向交流半波，并经开关S3、S4切换后得到完整的正弦交流输出。另外，控制器1还用于当多绕组反激式变压器T1的输出侧并联于交流电网时，实时检测交流电网的电压幅值和频率，并控制开关S1、S2、S3、S4的控制时序，使输出的交流电压和频率与交流电网的电压和频率一致。
控制器1能实时检测直流输入电源Vdc的电压幅值及功率输出能力，并及时调整开关器件的控制信号，保证多绕组反激式变压器T1输出正弦半波波形幅值及频率稳定，维持交流侧的幅值及频率，不对电网及负载造成任何冲击。
当输出交流正半波时，控制器1将检测直流输入电源Vdc的电压幅值和输出电流，逐步增大直流输入电源Vdc的输出电流给定值，增大直流输入电源Vdc的输出功率，并使直流输入电源Vdc稳定工作在DC/AC变换电路所能输出的最大功率或直流输入电源Vdc所能提供的最大功率点，为负载或所并联电网提供最大功率输出。多绕组反激式变压器T1的二次侧输出电压波形如图4Vdc_P所示。
当DC/AC变换电路并联于交流电网运行时，控制器1将检测所并联电网的电压幅值和频率，结合直流输入电源Vdc输出功率的检测和控制，共同对开关S1和S4发送控制信号。
当DC/AC变换电路工作于离网独立运行状态时，控制器1将读取预先设定的输出电压幅值和频率参数，结合直流输入电源Vdc输出功率的检测和控制，共同对开关S1和S4发送控制信号。
其中，开关S1的控制信号为占空比和频率可调的触发脉冲，通过对开关S1的驱动脉冲幅值和占空比的控制，调节多绕组反激式变压器T1输出侧的电压波形和输出功率。在调节开关S1的控制信号时接通开关S4，直到整个正半波输出全部完成才断开开关S4，开关S4的工作频率为输出交流的频率。如图2所示，输出正弦正向半波时，其电流IoP流经途径为：二极管D1、负载或电网AC、开关S4、多绕组反激式变压器T1的二次侧绕组，输出电压Uo为交流正弦正半波，其波形如图4Uo_P所示。
当输出交流负半波时，控制器1将检测直流输入电源Vdc的电压幅值和输出电流，逐步增大直流输入电源Vdc的输出电流给定值，增大直流输入电源Vdc的输出功率，并使直流输入电源Vdc稳定工作在DC/AC变换电路所能输出的最大功率或直流输入电源Vdc所能提供的最大功率点，为负载或所并联电网提供最大功率输出。多绕组反激式变压器T1的二次侧输出电压波形如图4Vdc_N所示。
当DC/AC变换电路并联于交流电网运行时，控制器1将检测所并联电网的电压幅值和频率，结合直流电源输出功率的检测和控制，共同对开关S2和S3发送控制信号。
当DC/AC变换电路工作于离网独立运行状态时，控制器将读取预先设定的输出电压幅值和频率参数，结合直流电源输出功率的检测和控制，共同对开关S2和S3发送控制信号。
开关S2的控制信号为占空比和频率可调的触发脉冲，通过对开关S2的驱动脉冲幅值和占空比的控制，调节多绕组反激式变压器T1输出侧的电压波形和输出功率。在调节开关S2的控制信号时接通开关S3，直到整个正半波输出全部完成才断开开关S3，开关S3的工作频率为输出交流的频率。如图3所示，输出正弦负向半波时，其电流IoN流经途径为：二极管D2、负载或电网AC、开关S3、多绕组反激式变压器T1的二次侧绕组，输出电压Uo为交流正弦负半波，其波形如图4Uo_N所示。
完成一个周波控制后，完整的交流输出波形如图4Uo所示。因此，通过该DC/AC变换电路，能实现简化电路拓扑结构的同时，实现整体的DC/AC变换电路的高效运行。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
