一种高可靠性便携式冰箱.pdf

本发明提供了一种高可靠性便携式冰箱，包括冰箱壳体、滑轮底板、温度控制器、压缩机、冷凝器、储液器、过滤器、膨胀阀、蒸发器、电热偶、风扇和电源插头，太阳能电池板、电源转化器和蓄电池，电源转化器包括低电压开关应力的升压电路，冰箱壳体上安装有拉杆装置。本发明提供的低电压开关应力的升压电路的电源转化器的高可靠性便携式冰箱，通过控制开关元件S1、S2的导通和关断，实现升压功能的同时可使开关元件S1、S2集电极和发射极之间的电压降大大降低，开关器件少，减小整体开关管的导通损耗和开关损耗，减小了变换器的整体损耗，结构简单，无能量损耗元件，提高了冰箱的工作效率与可靠性，结构简单、节能环保、智能便携。

权利要求书1.  一种高可靠性便携式冰箱，包括冰箱壳体、滑轮底板、温度控制器、压缩机、冷凝器、储液器、过滤器、膨胀阀、蒸发器、电热偶、风扇和电源插头，其特征在于，所述冰箱包括太阳能电池板、电源转化器和蓄电池。2.  如权利要求1所述的冰箱，其特征在于，所述电源转化器包括低电压开关应力的升压电路。3.  如权利要求2所述的冰箱，其特征在于，所述升压电路包括输入电源、开关元件S1、S2、二极管D1、D2、电感L、输入电容C1、中间电容C2和输出电容Co，输入电源产生输入电压Vin，开关元件S1、S2分别具有寄生电容CS1、CS2，开关元件S1、S2构成开关元件支路，二极管D1、D2构成二极管支路，输入电压Vin的正极连接电感L的一端以及输入电容C1的负端，电感L的另一端连接开关元件S1的集电极、二极管D1的阳级，开关元件S1的发射极连接开关元件S2的集电极，开关元件S2的发射极连接输入电压Vin的负极，所述中间电容C2的一端连接二极管D1的阴极，另一端连接开关元件S1的发射极，二极管D2的阳极连接二极管D1的阴极，二极管D2的阴极连接输入电容C1的正端，输出电容Co的一端连接二极管D2的阴极，输出电容Co的另一端连接输入电压Vin的负极，并在其两端产生输出电压Vout，开关支路和二极管支路在同一时刻不同时导通。4.  如权利要求3所述的冰箱，其特征在于，所述开关管S1、S2为IGBT或MOSFET或其他大功率开关器件。5.  如权利要求3所述的冰箱，其特征在于，所述输入电源为蓄电池、燃料电池或光伏电池或超级电容或其他新能源电源等。6.  如权利要求3所述的冰箱，其特征在于，所述二极管D1、D2为快恢复二极管或者肖特基二极管。7.  如权利要求3所述的冰箱，其特征在于，通过控制开关元件S1、S2的导通和关断，实现升压功能的同时使开关元件S1、S2集电极和发射极之间的电压降不超过输出电压的50％。8.  如权利要求1所述的冰箱，其特征在于，所述太阳能电池板覆盖于所述冰箱壳体上。9.  如权利要求1所述的冰箱，其特征在于，所述冰箱壳体上安装有拉杆装置。

说明书一种高可靠性便携式冰箱
技术领域
本发明属于光电制冷领域，特别涉及一种可在家用、或户外条件下使用的便携式太阳能冰箱。
背景技术
现用冰箱的使用需要消耗大量常规能源，间接对环境造成严重污染。现用冰箱体积大，能源单一，局限性严重，不便携。对长时间、户外跨地域(户外医疗冷冻保藏、户外冷冻需要等)等情况应用有很大的局限性。现用冰箱虽然具有多个冷藏冷冻室，但是各个藏室目标温度并不能随用户要求更改，无法满足人们对不同温度制冷的灵活需求，因此，太阳能冰箱受到广泛应用。
在太阳能发电系统或者燃料电池系统中，由于单块太阳能电池或者单个燃料电池提供的都是电压较低的直流电，不能满足现有用电设备的用电需求，也不能满足并网的要求，因此需要把低电压直流电转换为实际需要的高压直流电。因而高增益、性能稳定的升压变换器成为一个研究热点，该研究对推动光伏、燃料电池产业的发展具有很大的意义。
然而现有技术中，可应用于太阳能冰箱的电源转换器中的改进升压电路主要有以下几种：
第一种是利用变压器，在原有的直流-直流变换器中间加入一个高频的变压器，通过改变变压器变比实现高增益升压的目的。此时，电能的转化过程实际上由原来的直流-直流，变为直流-交流-交流-直流，整个系统的能量转换效率降低。
第二种是利用耦合电感，但耦合电感结构复杂，不利于工业加工，难以保证电路的一致性，并且会引起开关器件电压应力过高，带来电磁干扰等影响，导致变换器工作损耗较大。
第三种是加入级联升压单元，单元数越多，电压增益越大，但电路元件数越多，结构越复杂。
第五种是交错并联直流-直流变换器，其包括两个电感，两个续流二极管，两个功率开关管，第一功率开关管的漏极与第一二极管的阳极及第一电感的一端相连，第二功率开关管的漏极与第二二极管的阳极及第二电感的一端相连，第一电感的另一端与第二电感的另一端相连。这种升压型交错并联直流-直流变换器输出电压增益较小，功率开关管的电压应力较大，功率开关管为硬开关工作，开关损耗较大，续流二极管的反向恢复电流较大，反向恢复损耗较大。
第六种是软开关电路，因此，近年来，研究学者相继研究了一些软开关电路，主要有两类：一类是通过附加有源功率开关和无源电感、电容等器件实现功率开关管的软开关；另一类是通过附加二极管和无源电感、电容等器件实现功率开关管的软开关，如附图1所示。这两类方法的虽然可以实现功率开关管的软开关，但是外加电路复杂，而且不能降低功率开关管的电压应力。
还有一种由电容、二极管、三极管构成的直流升压矩阵电路，如附图2所示，即输出电源与矩阵的连接只在第一行电容的一端和最后一行电容的一端，输入电源与矩阵只在第一列电容的一端和最后一列电容的一端通过三极管连接，同一行相邻2列的电容由2只同向二极管并联且相邻2行的二极管为共用二极管，同一列的各个电容同向串联且在最后一行电容的一端连接有2只二极管，通过适当的控制方法是能让同一行的每只电容形成充电回路的2只三极管同时导通，且接于第一列电容的三极管和最后一列电容的三极管一一对应导通使得各行电容是轮流充电的。但这种升压电路所需的开关、电容、二极管等元件太多，导致电路结构复杂、成本太高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题，是针对前述背景技术中的缺陷和不足，提供一种低电压开关应力的升压电路的电源转化器的太阳能冰箱，其损耗低，功率密度高；克服传统冰箱的不便携、用电来源单一的局限性，不仅满足人们在家用中冷冻需求，而且能方便的在户外等特殊场合提供高可靠性的连续性冷冻，温度可操控性强、节能环保、智能便携，可更好地方便和满足人们的生活和使用要求。
本发明通过以下技术方案实现上述目的：
针对现有的冰箱存在的技术缺点，重新设计一种高可靠性便携式冰箱，包括冰箱壳体、滑轮底板、温度控制器、压缩机、冷凝器、储液器、过滤器、膨胀阀、蒸发器、电热偶、风扇和电源插头，所述冰箱包括太阳能电池板、电源转化器和蓄电池；所述电源转化器包括低电压开关应力的升压电路。
进一步的，低电压开关应力的升压电路包括输入电源，其产生输入电压Vin，开关元件S1、S2、二极管D1、D2、电感L、输入电容C1、中间电容C2和输出电容Co。由于开关器件的特性，开关元件S1、S2分别具有寄生电容CS2。具体连接关系为：输入电压Vin的正极连接电感L的一端和输入电容C1的负端，电感L的另一端连接开关元件S1的集电极、二极管D1的阳级，开关元件S1的发射极连接开关元件S2的集电极，开关元件S2的发射极连接输入电压Vin的负极，中间电容C2的一端连接二极管D1的阴极，另一端连接开关元件S1的发射极，二极管D2的阳极连接二极管D1的阴极，二极管D2的阴极连接输入电容C1的正端，输出电容Co的一端连接二极管D2的阴极，输出电容Co的另一端连接输入电压Vin的负极，并在其两端产生输出电压Vout，开关元件S1、S2构成开关元件支路，二极管D1、D2构成二极管支路，开关元件支路和二极管支路在同一时刻不同时导通。
进一步的，开关元件S可以为IGBT或者MOSFET，二极管为快恢复二极管或者肖特基二极管。
进一步的，输入电源为可充电蓄电池、燃料电池、光伏电池或超级电容或其他新能源电源等。
进一步的，所述太阳能电池板覆盖于所述冰箱壳体上。
进一步的，所述冰箱壳体上安装有拉杆装置。
与现有技术相比，本发明所述的便携式太阳能冰箱具有下列优点：
电源转化器的低电压开关应力的升压电路通过控制开关元件S1、S2的导通和关断，实现升压功能的同时可使开关元件S1、S2集电极和发射极之间的电压降不超过输出电压的50％，大大降低了其电压应力，且相对于现有技术开关器件少，减小整体开关管的导通损耗和开关损耗，进一步减小了变换器的整体损耗，结构简单，电路中无能量损耗元件，提高了变换器的工作效率。
拉杆装置安装于冰箱壳体上，使户外小冰箱的携带性增强，增加了其作为户外冰箱的可靠性。
在不同场合(家用、户外)，不同区域为人们提供连续性制冷，结构简单、节能环保、智能便携，满足人们不同需求，是便携式冰箱的使用更为可靠。
附图说明
图1：本发明的高可靠性便携式冰箱结构示意图；
图2：本发明的具有低电压开关应力的升压电路的结构示意图；
图3：本发明的具有低电压开关应力的升压电路第一阶段工作情况；
图4：本发明的具有低电压开关应力的升压电路第二阶段工作情况；
图5：本发明的具有低电压开关应力的升压电路第三阶段工作情况；
图6：本发明的具有低电压开关应力的升压电路第四阶段工作情况；
图7：本发明的具有低电压开关应力的升压电路第五阶段工作情况。
其中，1—冰箱壳体、2—滑轮底板、3—温度控制器、4—压缩机、5—冷凝器、6—储液器、7—过滤器、8—膨胀阀、9—蒸发器、10—电源插头、11—太阳能电池板、12—电源转化器、13—蓄电池、14—拉杆装置、Vin—输入电压、S1、S2—开关元件、D1、D2—二极管、L—电感、C1—输入电容、C2—中间电容、Co—输出电容、CS2—寄生电容、Vout—输出电压。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
如图1所示，本发明的高可靠性便携式冰箱包括冰箱壳体1、滑轮底板2、温度控制器3、压缩机4、冷凝器5、储液器6、过滤器7、膨胀阀8、蒸发器9、电源插头10以及未在图中显示的电热偶和风扇，所述冰箱包括太阳能电池板11、电源转化器12和蓄电池13。
冷凝器5安置与冰箱壳体1的后部面，太阳能电池板11嵌入冰箱壳体1左右上前四个表面。用管道将压缩机4、储液器5、风扇、过滤器7、膨胀阀8相连接，安装在冰箱壳体1的左下后方。连接导线将压缩机4、电源转化器12与温度控制器3之间相互连接。蓄电池13、电源插头10、太阳能电池板11通过电源转化器12相连接。温控系统与冰箱内部热电偶相连。整体放置于可拆卸滑轮底板2上。电源转化器12从左到右依次与蓄电池13、220V插头10、太阳能电池板11相连接。电源控制系统通过连接导线与压缩机4和温度控制器3相连接，可根据不同环境切换用电来源，拉杆装置14安装于冰箱壳体上，使户外小冰箱更加便于携带。
如图2所示，本发明的低电压开关应力的升压电路包括输入电压Vin、开关元件S1、S2、二极管D1、D2、电感L、输入电容C1、中间电容C2和输出电容Co。由于开关器件的特性，开关元件S1、S2分别具有寄生电容CS1、CS2。
结合附图2对本发明的结构作详细说明，具体连接关系为：输入电压Vin的正极连接电感L的一端和输入电容C1的负端，电感L的另一端连接开关元件S1的集电极、二极管D1的阳级，开关元件S1的发射极连接开关元件S2的集电极，开关元件S2的发射极连接输入电压Vin的负极，中间电容C2的一端连接二极管D1的阴极，另一端连接开关元件S1的发射极，二极管D2的阳极连接二极管D1的阴极，二极管D2的阴极连接输入电容C1的正端，输出电容Co的一端连接二极管D2的阴极，输出电容Co的另一端连接输入电压Vin的负极，并在其两端产生输出电压Vout。
下面结合附图3-7对该升压电路的工作情况进行说明：
第一阶段，如附图3所示：开关元件S1、S2均导通，开关支路处于导通状态，电感电流IL将流过开关元件S1、S2，电流从输入电压Vin的正极经过电感L流向输入电压Vin的负极；不经过二极管D1、D2，二极管支路处于断开状态；
第二阶段，如附图4所示：开关元件S1导通，开关元件S2关断，由于开关元件S2的关断，导致开关支路处于断开状态，电感电流将通过二极管D1、D2流向输入电容C1和输出电容Co，二极管支路处于导通状态，此时的电容状态为中间电容C2和寄生电容CS2串联后与输出电容Co和二极管D2串联支路并联；达到稳态后中间电容C2和寄生电容CS2各自的电压将为输出电容Co上的输出电压的50％。
第三阶段，如附图5所示：开关元件S1关断、开关元件S2关断，由于开关元件S1、S2的关断，导致开关支路仍处于断开状态，电感电流将继续通过二极管D1、D2流向输入电容C1和输出电容Co，二极管支路仍处于导通状态，此时的电容状态为(1)中间电容C2和寄生电容CS2串联后与输出电容Co和二极管D2串联支路并联；(2)寄生电容CS1与中间电容C2和二极管D1串联支路并联，达到稳态后中间电容C2和寄生电容CS2各自的电压将为输出电容Co上的输出电压的50％，寄生电容CS1的电压为中间电容C2的电压，也为输出电容Co上的输出电压的50％。
第四阶段，如附图6所示：开关元件S1导通、开关元件S2关断，由于开关元件S2 的关断，导致开关支路仍处于断开状态，假设该电路电流处于连续模式，电感电流将继续通过二极管D1、D2流向输入电容C1和输出电容Co，二极管支路仍处于导通状态，此时的电容状态为：(1)中间电容C2和寄生电容CS2串联后与输出电容Co和二极管D2串联支路并联，(2)寄生电容CS1两端由于开关管S1的导通处于短接状态；达到稳态后中间电容C2和寄生电容CS2各自的电压将为输出电容Co上的输出电压的50％，寄生电容CS1的电压将被泄放降至0；
第五阶段，如附图7所示：开关元件S1导通、开关元件S2导通，由于开关元件S1.S2的导通，导致开关支路回到导通状态，电感电流IL将流过开关元件S1、S2，电流从输入电压Vin的正极经过电感L流向输入电压Vin的负极；由于二极管D1、D2承受反向压降，二极管支路将变为处于关断状态，此时的电容状态为：(1)中间电容C2暂时处于悬浮状态(2)寄生电容CS2两端由于开关管S2的导通处于短接状态；达到稳态后中间电容C2由于电压不能突变暂时仍将为输出电容Co上的输出电压的50％，寄生电容CS1、CS2的电压将被泄放降至0；
将上述阶段重复循环即为该升压电路的工作过程，在整个过程中，将开关元件S1、S2集电极和发射极之间的电压不超过输出电压的50％，大大降低了其电压应力，且相对于现有技术开关器件少，减小整体开关管的导通损耗和开关损耗，进一步减小了变换器的整体损耗，结构简单，电路中无能量损耗元件，提高了变换器的工作效率。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所述领域的普通技术人员应当理解:依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者同等替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。