具体实施方式

本申请实施例公开了一种高频单相安全电源装置和系统，用于解决现有的单相安全电源采用工频变压器，存在体积大和重量大的技术问题。

请参阅图1，本申请提供了一种高频单相安全电源装置的一个实施例，本申请实施例提供的高频单相安全电源装置，包括：输入开关电路、高频隔离AC/AC变换电路和输出开关电路；

输入开关电路、高频隔离AC/AC变换电路和所述输出开关电路依次连接；

输入开关电路用于输入外部单相交流电；

高频隔离AC/AC变换电路用于将输入开关电路输出的交流电进行高频变压处理，得到内部单相交流电；

输出开关用于将所述高频隔离AC/AC变换电路输出的内部单相交流电输出给负载。

需要说明的是，本申请实施例中提供的高频单相安全电源装置，输入开关电路用于将外部单相交流电接入高频单相安全电源装置中，将外部单相交流电输送到高频隔离AC/AC变换电路，使得高频隔离AC/AC变换电路对输入的单相交流电进行高频变压处理，得到内部单相交流电，然后经过输出开关电路将内部单相交流电输出给高频单相安全电源装置外部的负载，为负载进行供电。

在同等条件下，工频变压器和高频隔离变换器的重量和体积相差很大，分析如下：

变压器的AP公式为：

其中，AP为磁芯窗口面积A_W和磁芯有效截面积A_e的乘积，P_T为变压器的视在功率，B_W为工作磁通密度，f_s为开关工作频率，K₀为小于0的窗口使用系数，K_f为波形系数，为有效值与平均值之比，正弦波的波形系数为4.44，方波的波形系数为4，X为常数，由变压器所用的磁芯确定，K_j为电流密度比例系数。

在同等功率的情况下，可以认为P_T一样，同样形状的磁芯元件，K₀和X一样，在输出波形一样的情况下，可以认为K_f也是一样的，再选用一样的电流密度比例系数K_j，结合根据公式AP＝A_W×A_e，可知，AP的值反比于B_W和f_s，当选用磁芯的B_W值越高，AP越小，工频变压器的工作频率为50Hz或60Hz，高频隔离变换器工作频率高于20000Hz，工频变压器一般选用硅钢片作为磁芯材料，硅钢片的磁通密度可达0.5T～1.4T，高频隔离变换器一般采用铁氧体或合金作为磁芯材料，磁通密度一般在0.7T～1T，B_W值相差不大，但工作频率却相差很多，比如在20kHz的高频和50Hz的低频相比较，相差了400倍，因此，工频变压器的AP值会比高频隔离变换器的AP值高很多，导致工频变压器的体积和尺寸都远高于高频隔离变换器，举个例子，10kVA的单相工频变压器达到40～50KG，而10kVA的单相高频隔离变换器只有2～3KG，10kVA的单相高频隔离变换器的尺寸也远小于10kVA的单相工频变压器。因此，采用高频隔离变换器的高频单相安全电源装置相比于采用工频变压器的安全电源装置，具有设备体积更小，重量更轻，更加便于安装，占用空间小的优点。

并且，采用高频隔离变换器，根据流量波形系数Steinment方程可以得出，在同等功率下，工频变压器的铁损，是高频隔离变换器的3～6倍，工频变压器的能量转换损耗远高于高频隔离变换器。

采用高频隔离变换器的高频单相安全电源装置，由于是高频工作，工作频率高于20kHz，高频隔离变换器电感的工作频率高于人耳听到的声音频率。人耳不能听到变压器电感里的噪音，不影响用户体验。因为20kHz是声频上限，超过20kHz人耳就听不见干扰噪声。而低于20kHz工作的工频设备，工作频率低于20kHz，变压器电感里的噪音就会被人耳听到，影响用户体验。

本申请实施例中提供的高频单相安全电源装置，舍弃了现有技术中的工频变压器，改为采用体积和尺寸远小于工频变压器的高频隔离变换器，解决了现有的单相安全电源采用工频变压器，存在体积大和重量大的技术问题。

同时，本申请提供的高频单相安全电源装置，还具备以下有益效果：

工频变压器的电能转换效率只能达到80％，能量损耗较大，高频隔离变换器的电能转换效率可以达到90％以上，相比于工频变压器，效率提高了10％以上，能量损耗远小于工频变压器，节约了大量的电能；

采用高频隔离变换器使得高频单相安全电源装置工作在高频状态，工作频率高于20kHz，远高于人耳能够听到的声音频率，降低了环境噪音，改善了用户体验。

为了便于理解，请参阅图1和图2，本申请中提供了一种高频单相安全电源装置的另一个实施例，包括：输入开关电路、高频隔离AC/AC变换电路和输出开关电路；

输入开关电路、高频隔离AC/AC变换电路和输出开关电路依次连接；

输入开关电路用于输入外部单相交流电；

高频隔离AC/AC变换电路用于将输入开关电路输出的单相交流电进行高频变压处理，得到内部单相交流电；

输出开关用于将高频隔离AC/AC变换电路输出的内部单相交流电输出给负载；

高频隔离AC/AC变换电路包括第一高频隔离AC/AC变换电路；

第一高频隔离AC/AC变换电路包括：AC/AC周波变换前级电路、AC/AC高频隔离变换器隔离电路和AC/AC周波变换后级电路；

AC/AC周波变换前级电路、AC/AC高频隔离变换器隔离电路和AC/AC周波变换后级电路依次连接。

需要说明的是，在第一个实施例的基础上，作为进一步的改进，本申请实施例中的高频隔离AC/AC变换电路包括由AC/AC周波变换前级电路、AC/AC高频隔离变换器隔离电路和AC/AC周波变换后级电路组成的第一高频隔离AC/AC变换电路，如图2所示，AC/AC周波变换前级电路、AC/AC高频隔离变换器隔离电路和AC/AC周波变换后级电路依次连接。经过第一高频隔离AC/AC变换电路对输入开关电路输出的内部单相交流电进行单相周波变换，将频率和幅值固定的市电直接变换为频率和幅值可变的高频交流电，变换效率高，易于实现可逆运行，频率和幅值可控。

为了便于理解，请参阅图1和图3，本申请中提供了一种高频单相安全电源装置的另一个实施例，包括：输入开关电路、高频隔离AC/AC变换电路和输出开关电路；

输入开关电路、高频隔离AC/AC变换电路和输出开关电路依次连接；

输入开关电路用于输入外部单相交流电；

高频隔离AC/AC变换电路用于将输入开关电路输出的单相交流电进行高频变压处理，得到内部单相交流电；

输出开关电路用于将高频隔离AC/AC变换电路输出的内部单相交流电输出给负载；

高频隔离AC/AC变换电路包括第二高频隔离AC/AC变换电路；

第二高频隔离AC/AC变换电路包括：AC/AC周波变换前级电路、AC/AC高频隔离变换器隔离电路、ACDC整流电路和DCAC逆变电路；

AC/AC周波变换前级电路、AC/AC高频隔离变换器隔离电路、ACDC整流电路和DCAC逆变电路依次连接。

需要说明的是，在第一个实施例的基础上，作为进一步的改进，本申请实施例中的高频隔离AC/AC变换电路包括由AC/AC周波变换前级电路、AC/AC高频隔离变换器隔离电路、ACDC整流电路和DCAC逆变电路组成的第二高频隔离AC/AC变换电路，如图3所示，AC/AC周波变换前级电路、AC/AC高频隔离变换器隔离电路、ACDC整流电路和DCAC逆变电路依次连接。经过AC/AC周波变换前级电路对输入开关电路输出的内部单相交流电进行单相周波变换，将频率和幅值固定的市电直接变换为频率和幅值可变的交流电，AC/AC高频隔离变换器隔离电路进行高频升压隔离，然后经过ACDC整流电路进行整流，经DCAC逆变电路输出高频交流电。其中，DCAC逆变电路可以采用全桥或半桥电路，超过20kHz的频率，甚至达到150kHz或者更高的工作频率，有极高的效率和大的功率同时，减小了电感、电容等器件的体积，从而大大降低了整机的休积和重量，提高了整机的功率密度。进一步的，本申请实施例中的DCAC逆变电路如图10所示，DCAC逆变电路可以是正弦逆变电路，正弦逆变电路较非正弦逆变电路的开关损耗更小，适用于高频电路。

为了便于理解，请参阅图1和图4，本申请中提供了一种高频单相安全电源装置的另一个实施例，包括：输入开关电路、高频隔离AC/AC变换电路和输出开关电路；

输入开关电路、高频隔离AC/AC变换电路和输出开关电路依次连接；

输入开关电路用于输入外部单相交流电；

高频隔离AC/AC变换电路用于将输入开关电路输出的单相交流电进行高频变压处理，得到内部单相交流电；

输出开关电路用于将高频隔离AC/AC变换电路输出的内部单相交流电输出给负载；

高频隔离AC/AC变换电路包括第三高频隔离AC/AC变换电路；

第三高频隔离AC/AC变换电路包括：ACDC整流电路、DCAC逆变电路、AC/AC高频隔离变换器隔离电路和AC/AC周波变换后级电路；

ACDC整流电路、所述DCAC逆变电路、AC/AC高频隔离变换器隔离电路和AC/AC周波变换后级电路依次连接。

需要说明的是，本申请实施例中作为单相整流电路的ACDC整流电路可以是半波整流电路、全波整流电路、桥式整流电路或PFC电路，优选无桥PFC电路，无桥PFC电路如图6所示，包括整流滤波电感L1、整流二极管、整流滤波电容C1和IGBT，通过PWM方式可控调节IGBT的导通和关断，使得ACDC整流电路更加高效，且满足高频化安全用电设备绿色、节能、体积小，重量轻的优点。

为了便于理解，请参阅图1和图5，本申请中提供了一种高频单相安全电源装置的另一个实施例，包括：输入开关电路、高频隔离AC/AC变换电路和输出开关电路；

输入开关电路、高频隔离AC/AC变换电路和输出开关电路依次连接；

输入开关电路用于输入外部单相交流电；

高频隔离AC/AC变换电路用于将输入开关电路输出的单相交流电进行高频变压处理，得到内部单相交流电；

输出开关电路用于将高频隔离AC/AC变换电路输出的内部单相交流电输出给负载；

高频隔离AC/AC变换电路包括第四高频隔离AC/AC变换电路；

第四高频隔离AC/AC变换电路包括：ACDC整流电路、DC/DC高频隔离变换器隔离电路和DCAC逆变电路；

ACDC整流电路、DC/DC高频隔离变换器隔离电路和DCAC逆变电路依次连接。

需要说明的是，ACDC整流电路整流将外部单相交流电整流成低频脉冲电流，低频脉冲电流流经DC/DC高频隔离变换器隔离电路使得低频脉冲电流转换成高频脉冲电流，高频脉冲电流通过DC/AC逆变电路形成高频交流电。本申请实施例中的DC/DC高频隔离变换器隔离电路如图11所示，优先采用开关管用软开关技术控制，超过20kHz的频率，甚至达到150kHz或者更高的工作频率，有极高的效率和大的功率同时，减小了变压器、电感、电容等器件的体积，从而大大降低了整机的休积和重量，提高了整机的功率密度。作为单相整流电路的ACDC整流电路可以是半波整流电路、全波整流电路、桥式整流电路或PFC电路，优选无桥PFC电路，无桥PFC电路如图6所示，包括整流滤波电感L1、整流二极管、整流滤波电容C1和IGBT，通过PWM方式可控调节IGBT的导通和关断，使得ACDC整流电路更加高效，且满足高频化安全用电设备绿色、节能、体积小，重量轻的优点。

为了便于理解，请参阅图1和图7，本申请中提供了一种高频单相安全电源装置的另一个实施例，包括：输入开关电路、高频隔离AC/AC变换电路和输出开关电路；

输入开关电路、高频隔离AC/AC变换电路和输出开关电路依次连接；

输入开关电路用于输入外部单相交流电；

高频隔离AC/AC变换电路用于将输入开关电路输出的单相交流电进行高频变压处理，得到内部单相交流电；

输出开关电路用于将高频隔离AC/AC变换电路输出的内部单相交流电输出给负载；

输入开关电路包括第一EMI电路和防雷电路；

第一EMI电路与防雷电路连接；

输出开关电路包括第二EMI电路；

第二EMI滤波电路用于在输出开关电路输出内部单相交流电之前，对内部单相交流电进行EMI滤波处理。

作为进一步的改进，本申请实施例中的高频单相安全电源装置还可以包括：辅助电源电路、通信电路、市电通路切换电路和控制电路；

辅助电源电路用于为所述输入开关电路、输出开关电路、高频隔离AC/AC变换电路、通信电路和市电通路切换电路提供辅助电源；

辅助电源通过通信电路与控制电路连接；

控制电路与所述高频隔离AC/AC变换电路连接；

控制电路包括安全用电检测电路和保护电路，用于在检测到用电不安全时，进行告警、断电保护和消防保护；

控制电路还用于在检测到过载或高频隔离AC/AC变换电路工作异常时，将外部单相交流电切换至所述市电通路切换电路，通过市电通路切换电路为负载供电。

作为进一步的改进，本申请实施例中的短路保护电路包括：功率变换电路、隔离式驱动电路、VCE电压检测电路、高速光耦隔离传送电路和电平比较电路；

功率变换电路包括PFC电感或储能电感；

隔离式驱动电路、VCE电压检测电路均与功率变换电路连接；

高速光耦隔离传送电路连接隔离式驱动电路和电平比较电路；

电平比较电路连接高速光耦隔离传送电路和VCE电压检测电路。

需要说明的是，本申请实施例中提供的短路保护电路如图12所示，该短路保护电路利用PFC电感或储能电感的电流不能瞬变的特性，合理设置电感值，使电路短路时，在短时间内，电路的最大电流不超过高频隔离变换器隔离电路中的功率管能承受的最大电流，再利用分立元件检测功率管的VCE电流，设置合理的参考电平，当电路短路时，通过电平比较电路，得到截止信号，通过高速光耦隔离传送电路进行传送，让隔离式驱动电路停止工作，这一过程在微秒的时间内动作，从而得到可靠的短路保护。本申请实施例中设计的短路保护电路，优选在微秒时间内能承受1000极大电流不坏的功率管，可以进行1000次短路，而保护电路不受损坏，大大提升了高频设备的可靠性，具备低成本，高可靠性。

作为进一步的改进，本申请实施例中的高频单相安全电源装置还可以包括：显示面板和指示灯；

显示面板和指示灯均与控制电路连接。

需要说明的是，本申请实施例中的输入防雷电路是由压敏电阻、气体放电管、温度保险丝等防雷器件组成的防雷电路，第一EMI电路是由电感和电容组成的输入EMI滤波电路，防雷电路能够防止雷电的感应、侵入、反击和电网的大型设备的开关断开和闭合产生的浪涌损坏安全用电设备，第一EMI电路能够避免电网的高频干扰影响到安全用电设备，再影响到用户的人身和财产安全。

输出滤波电路是由电感和电容组成的第二EMI电路，能够防护后端的用电负载的高频杂波干扰安全用电装置，也防护安全用电的高频杂波干扰后后端的用电负载，提高了机器的电磁兼容能力，从而提高了机器工作的稳定性。

辅助电源的电路原理图如图8所示，辅助电源由功率管、隔离变压器、输入滤波、输出整流、控制芯片等组成，优先采用准谐振反激电路高频隔离变换器隔离的多路输出，具有体积小、效率高、稳定性好的优点。

控制电路包括主控制芯片，输入电压和电流、输出电压和电流、驱动控制电路、零线和火线两路分别对地阻抗检测等，还有输出短路、过流、过载、机器过温、风扇故障、烟雾报警、火花抑制等保护和告警电路。

通信电路可以是有线通信和无线路线(包括不限于WIFI、蓝牙)等通信方式，通信内容包括机器的输入输出电压电流、零火线对地阻抗性、输入输出功率、机器温度、风扇运行、安全用电和市电切换等情况信息，还包括短路、过流、过载、机器过温、风扇故障、烟雾报警、火花抑制等各种保护和故障告警信息。这些信息通过网络和云端平台和手机APP相连，用户能实时查看机器当前和历史运行情况，并能根据需要控制机器的运行和进行相关参数设置。

显示屏包括功率、电压、电流、温度、工作状态等显示，还包括状态切换、参数设置等操作设置功能，也有短路、过流、过载、机器过温、风扇故障、烟雾报警、火花抑制等各种保护和故障当前和历史告警信息。指示灯对指示机器运行状态和是否有故障。

需要指出的是，正常情况下，安全用电模式下工作，当市电正常、负载正常、机器正常时，机器工作在安全用电工作模式。市电输入经过第一EMI电路到无桥PFC电路升压到DC/DC高频隔离变换器隔离电路，然后经DCAC逆变电路到交流，最后通过第二EMI电路给负载供电，EMI滤波电路对电网的各种干扰消除能力强，给用户纯净的供电，部分精密设备也能得到保护。当控制电路检测到高频单相安全电压电路异常时，如主机内部故障，负载过荷，机器温度过高等情况，控制电路将外部单相交流电直接经过市电通路切换电路给负载供电。

本申请实施例中提供的高频单相安全电源装置在使用时，外部单相电路的工频交流电进入设备的输入开关电路，然后流经输入防雷电路和输入第一EMI电路滤除杂波和消除波动的工频交流电对设备的影响，滤波稳定后的工频交流电流经高频隔离AC/AC变换电路转换成高频交流电，然后通过输出EMI对高频交流电进行滤波稳压，使得高频交流电的电流波形更加稳定，然后通过输出开关电路向内部单相电路输出较为纯净稳定的高频交流电。在此过程中，控制电路实时监测设备的运行状态，并将监测数据通过显示面板显示出来，且用户可通过通信模块查询并调整设备运行状态，当设备出现问题或需要检修时，可通过显示面板和指示灯板发出警告提示并通过控制电路控制市电切换电路将外部单相电路与设备切断，使得外部单相电路直接与内部单相电路连接，不影响内部单相电路上的用电器的使用。

为了便于理解，请参与图8、图2至图5，本申请中还提供了一种高频单相安全电源系统的一个实施例，包括：第一开关切换电路、第二开关切换电路、和前述高频单相安全电源装置实施例中的输入开关电路、输出电路开关，和第一高频隔离AC/AC变换电路、第二高频隔离AC/AC变换电路、第三高频隔离AC/AC变换电路和第四高频隔离AC/AC变换电路中的至少两个组合；

第一开关切换电路连接高频单相安全电源装置的输入开关电路和第一高频隔离AC/AC变换电路，或第二高频隔离AC/AC变换电路，或第三高频隔离AC/AC变换电路，或第四高频隔离AC/AC变换电路；

第二开关切换电路连接高频单相安全电源装置的输出开关电路和第一高频隔离AC/AC变换电路，或第二高频隔离AC/AC变换电路，或第三高频隔离AC/AC变换电路，或第四高频隔离AC/AC变换电路。

需要说明的是，如图8所示，本申请实施例中提供的高频单相安全电源系统，第一开关切换电路作为第一高频隔离AC/AC变换电路、第二高频隔离AC/AC变换电路、第三高频隔离AC/AC变换电路、第四高频隔离AC/AC变换电路的输入切换开关，将输入开关电路输出的内部单相交流电输入到第一开关切换电路接通的第一高频隔离AC/AC变换电路或第二高频隔离AC/AC变换电路或第三高频隔离AC/AC变换电路或第四高频隔离AC/AC变换电路，第二开关切换电路作为第一高频隔离AC/AC变换电路、第二高频隔离AC/AC变换电路、第三高频隔离AC/AC变换电路、第四高频隔离AC/AC变换电路的输出切换开关，将第一高频隔离AC/AC变换电路或第二高频隔离AC/AC变换电路或第三高频隔离AC/AC变换电路或第四高频隔离AC/AC变换电路与输出跌换电路连通。因此，本申请实施例中提供的高频单相安全电源系统，集合了前述高频单相安全电源装置实施例中的高频单相安全电源装置的优点，此外，还具备选择高频隔离AC/AC变换电路的功能，在其中一路高频隔离AC/AC变换电路不能正常工作时，切换到另一路高频隔离AC/AC变换电路，具有高稳定性和可靠性，或根据用户实际应用需要，自行选择对应的高频隔离AC/AC变换电路进行工作，适应性强。

以上所述，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。