CN100409555C - 一种集成开关电源及其工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种集成开关电源和工作方法，该集成开关电源至少包括交流整流输入单元(301)；直流输出整流单元(303)；还包括转换开关单元(302)。所述转换开关单元包括：一储能电感、一换能变压器、一电容、第1单向电子装置、第2单向电子装置、第1可控开关装置和第2可控开关装置。通过正交磁集成，本发明显著地缩减了磁性元件的体积，减少了电路元件数量，化简了控制原理和电路，提高了开关电源功率转换的有效性，可靠性和实用性。

Description

一种集成开关电源及其工作方法
技本领域
本发明涉及一种开关电源及工作方法，特别涉及一种同时带有交流整流单元、功率因素校正单元、功率开关转换单元和磁路集成的开关电源，具体的讲，涉及一种集成开关电源及其工作方法。
背景技术
如图1所示为现有包括交流整流单元、功率因素校正单元、功率开关转
换单元和直流整流单元工作原理框图。如图2所示为现有的包括交流整流单元、功率因素校正单元、功率开关转换单元和直流整流单元的电路图。
如图所示，现有的带功率因素校正的开关电源为至少为三级：
第一级为交流整流输入单元：将交流转变为单极性直流；
第二级为功率因素校正单元：将单极性直流转变为稳定的高压直流；该级使用了功率磁性元件作为储能电感；
另一级为功率开关转换单元：将高压直流隔离传递给直流输出级，该级再次使用了功率磁性元件作为换能变压器。
采用上述的带功率因素校正开关电源，存在以下缺点：控制原理和电路复杂、总的元件数量较多、独立的控制因素较多、难以进一步提高电源转换的效率。
目前，极少有实用的将功率因素校正单元和开关功率转换单元两级合一的产品或将上述三级合一的产品，也极少有上述两个磁性元件合一的产品出品，原因为：第一，两级或三级的实现指标难以综合实现；第二，整合后的辅助控制复杂。
发明内容
为达到单级集成上述两级或三级的目的以及合并磁性元件的目的，并在完全保证并优于各级独自工作指标的情况下，显著地缩减元件数量，并简化控制原理和电路，进一步提高开关电源功率转换的有效性、可靠性和实用性，本发明提出了一种简洁、高效率、集成开关电源及其工作方法。
本发明提供一种集成开关电源，包括：交流整流输入单元301，用于将交流电转变为单极性直流电；直流输出整流单元303，用于将直流电整流后输出；其中，该电源还包括转换开关单元302，用于将单极性直流电转变为稳定的高压直流电，并将高压直流电隔离传递给直流输出级。
所述转换开关单元包括：一储能电感、一换能变压器、一电容、第1单向电子装置、第2单向电子装置、第1可控开关装置、第2可控开关装置和电阻；其中，
所述第1可控开关装置、第1单向电子装置、电容和电阻串联，在所述第1可控开关装置和第1单向电子装置的连接点接入所述储能电感，组成一升压开关型电路，从而获得高压直流电；
所述换能变压器，第1可控开关装置、第2可控开关装置、第1单向电子装置、第2单向电子装置组成正激型开关电路，以实现高压直流电的隔离传递。
所述的储能电感与所述换能变压器合并在同一个磁体上，从而形成正交磁集成。
所述的单向电子装置为二极管。
所述的可控开关装置为开关管。
所述的开关管为场效应晶体管或双极晶体管或绝缘栅双极晶体管。
本发明提供一种集成开关电源，包括直流输出整流单元402，用于将直流电整流后输出，还包括转换开关单元401，用于将交流电转换为单极性直流电，将单极性直流电转变为稳定的高压直流电，将高压直流电隔离传递给直流输出级。
所述转换开关单元401包括：一储能电感、第1换能变压器、第2换能变压器、一电容C、第1可控开关装置、第2可控开关装置、第3可控开关装置、第4可控开关装置、第1单向电子装置、第2单向电子装置、第3单向电子装置和第4单向电子装置、电阻；其中，
由一对可控开关装置和一对单向电子装置组成全桥电路，将供电电源由交流向单极性直流转换，其中所述一对可控开关装置为第1可控开关装置和第2可控开关装置，所述的一对单向电子装置为第1单向电子装置和第2单向电子装置；
由所述第1和第2可控开关装置、第1和第2单向电子装置组成一个全桥，该全桥的两个对角分别并联所述储能电感、并联所述电容和电阻的串联，构成升压开关型电路，从而获得高压直流电；
由所述第1和第2换能变压器、第3和第4可控开关装置、第1和第2可控开关装置、第3和第4单向电子装置、第1和第2单向电子装置组成正激型开关桥电路，以实现高压直流电隔离传递。
所述的储能电感与所述换能变压器合并在同一个磁体上，从而形成正交磁集成。
所述的单向电子装置为二极管。
所述的可控开关装置为开关管。
所述的开关管为场效应晶体管、双极晶体管、绝缘栅双极晶体管。
本发明提供一种集成开关电源的工作方法，其中，所述集成开关电源包括：交流整流输入单元301、直流输出整流单元303、转换开关单元302；
所述交流整流输入单元301，将交流电转变为单极性直流电；
所述转换开关单元302中，由第1可控开关装置、第1单向电子装置、电容和电阻串联，在所述第1可控开关装置和第1单向电子装置的连接点接入储能电感，组成一升压开关型电路，将单极性直流电变为高压直流电；
由变压器，第1可控开关装置、第2可控开关装置、第1单向电子装置、第2单向电子装置组成正激型开关电路，将高压直流电的隔离传递给直流输出级；
直流输出整流单元303，将直流电整流后输出。
本发明还提供一种集成开关电源的工作方法，其中，该集成开关电源包括转换开关单元401和直流输出整流单元402；
由一对可控开关装置和一对单向电子装置组成全桥电路，将供电电源由交流向单极性直流转换，其中所述一对可控开关装置为第1可控开关装置和第2可控开关装置，所述的一对单向电子装置为第1单向电子装置和第2单向电子装置；
由所述第1和第2可控开关装置、第1和第2单向电子装置组成一个全桥，该全桥的两个对角分别并联储能电感、并联电容和电阻的串联，构成升压开关型电路，从而将单极性直流转换为高压直流电；
由第1和第2换能变压器、第3和第4可控开关装置、第1和第2可控开关装置、第3和第4单向电子装置、第1和第2单向电子装置组成正激型开关桥电路，将高压直流电隔离传递给直流输出级；
所述直流输出直流单元402将直流电整流后输出。
将所述储能电感和换能变压器合并在了同一个磁体上，使得两者的磁通在磁体的每一点上，在任何时刻，方向上都是垂直的，实现了正交磁集成。
所述的单向电子装置为二极管。
所述的可控开关装置为开关管。
本发明的有益效果在于：
功率因素校正单元和开关电源转换单元虽然为传统的两级，但有效地合并它们之间共享的部分，则原有的两级化减为单级双功能电路，使得总的元件数量少了，独立的控制因素减少了，转换效率提高了，而原各单元电路的工作原理和效果分时地，全部保留下来；
另外，交流整流单元、功率因素校正单元和开关功率转换单元虽然为传统的三级，但有效地合并它们之间共享的部分，则原有的三级单功能电路化减为单级三功能电路，从而，总的元件数量少了，独立的控制因素减少了，转换效率进一步提高了，而原各单元的工作原理和效果分时交替地，全部保留下来；
交流电的极性变化驱动不同的电路部分工作来适应其变化；
三级之间的互补工作有效地利用了其共享元件的拓朴安排，实现了各自功能的分时，互补地完成，不但无多余的补充元件，反而减少了原有三者总体的工作元件，实现了本发明的集成目的。
在电路集成的同时，本发明充分利用了功率因素校正功能的储能电感，与功率开关转换功能的换能变压器在磁路上的无关性，磁通方向上的双向性，时间上的交替性，将两者按如图11所示的结构合并在了同一个磁体上，使得两者的磁通在磁体的每一点上，在任何时刻，任何方向上都是垂直的，实现了本发明正交磁集成的目的。
附图说明
图1是现有包括交流整流单元、功率因素校正单元、功率开关转换单元和直流整流单元原理框图；
图2是现有包括交流整流单元、功率因素校正单元、功率开关转换单元和直流整流单元的电路图；
图3是本发明实施例1的集成开关电源的半桥工作原理框图；
图4是本发明实施例2的集成开关电源的工作原理框图；
图5是本发明实施例1的集成开关电源半桥拓朴原理图之一；
图6是本发明实施例1的集成开关电源半桥拓朴原理图之二；
图7是本发明实施例1半桥工作电路图；
图8是本发明实施例2的集成开关电源全桥拓朴原理图之一；
图9是本发明实施例2的集成开关电源全桥拓朴原理图之二；
图10是本发明实施例2的集成开关电源全桥拓朴原理图之三；
图11是本发明的正交磁集成实现的示意图；
图12是本发明的正交磁路实现的示意图；
图13是本发明实施例2全桥工作电路图。
具体实施方式
参照附图说明本发明的优选实施例。
实施例1
如图3所示，本实施例中的一种集成开关电源，包括：交流整流输入单元301，用于将交流电转变为单极性直流电；直流输出整流单元303，用于将直流电整流后输出；
还包括转换开关单元302，用于将单极性直流电转变为稳定的高压直流电，并将高压直流电隔离传递给直流输出级。
如图5和图6为转换开关单元半桥拓朴原理图，图7为本实施例的电路图。其中所述转换开关单元302包括：一储能电感Lpfc、一换能变压器T1、一电容C、一电阻Rsns、第1二极管CD1、第2二极管D1、第1开关管PFC1和第2开关管SW1；
所述的转换开关单元由直流电驱动；
如图所示，由第1开关管PFC1、第1二极管CD1、电容C、电阻Rsns串联，再接入电感Lpfc，组成升压开关型(BOOST)电路，将单极性直流电转变为稳定的高压直流电。该电路的功率来源为直流电源。而开关电路的控制由一功率因素校正控制器来完成，该控制器依靠Rsns提供的电流环协助实现功率因素校正；
由第1二极管CD1、第2二极管D1、第1开关管PFC1、第2开关管SW1和换能变压器T1组成的电路为一双管正激开关型(FORWARD)电路，将高压直流电隔离传递，该电路的功率来源为所述电容C上的贮能。正激型开关的控制可来自于功率因素校正控制器的输出。
本实施例的转换开关单元有两个交替的工作态：驱动态和非驱动态。
所述转换开关单元在驱动态下，第1开关管PFC1、第2开关管SW1处于开通，储能电感Lpfc贮集来自直流电源的电能，而换能变压器T1则释放电容C上贮存的电能给连上所述换能变压器T 1的负载，此时正向流过电阻Rsns中的电流，等于电容放能电流，这一电流间接地反应了流过负载的电流，利用这一电流作为功率开关反馈用的电流环的电流；
集成转换开关单元在非驱动态时，第1开关管PFC1，第2开关管SW1处于关断，储能电感Lpfc上贮集的电能转而释放到电容C中，而换能变压器T1上尚未释放完给其负载的能量，由电路回收到电容C中。此时反向流过电阻Rsns中的电流，等于电容储能电流，这一电流间接地反应了电源负载的电流，利用这一电流恢复出作为功率因素校正用的电流环的电流。这种电流环的方法免除了现有功率因素校正电路在功率因素电感回路中串联功率电阻的方法测量电流环的电流，显著地消除了由此而带来的能量损耗。
为实现功率因素的校正功能，上述两个工作态可受控于一个现有常见的一款功率因素校正电源控制器或/和功率因素校正集成电路。
实施例2
如图4所示，本实施例提供一种集成开关电源，包括直流输出整流单元402，用于将直流电整流后输出，还包括转换开关单元401，用于将交流电转换为单极性直流电，将单极性直流电转变为稳定的高压直流电，将高压直流电隔离传递给直流输出级。
如图8、图9、图10所示，为本实施例的全桥拓朴原理图。如图13所示为本实施例全桥拓朴的工作电路图。
其中，所述的开关单元401包括：一储能电感Lpfc、第1换能变压器T1、第2换能变压器T2、一电容C、第1可控开关装置PFC1、第2可控开关装置PFC2、第3可控开关装置SW1、第4可控开关装置SW2、第1单向电子装置CD1、第2单向电子装置CD2、第3单向电子装置D1和第4单向电子装置D2、电阻Rsns；
由一对开关管PFC1，PFC2和一对二极管CD1，CD2实现现有交流整流电路中的整流全桥功能，将供电电源由交流转变为直流；
由所述第1开关管PFC1、第2开关管PFC2、第1二极管CD1、第2二极管CD2组成了一个全桥，全桥的两个对角分别并联储能电感Lpfc和电容C、电阻Rsns的串联组成升压开关型(BOOST)电路，将单极性直流电转变为高压直流电；而开关电路的控制由一功率因素校正控制器来完成，该控制器依靠Rsns提供的电流环得以实现功率因素校正；
由换能变压器T1，第3开关管SW1、第4开关管SW2、第1开关管PFC1、第2开关管PFC2、第3二极管D1、第4二极管D2、第1二极管CD1、第2二极管CD2组成一双管正激型(FORWARD)开关桥电路，实现将高压直流电隔离传递。正激开关的控制可同步于或异步于功率因素校正控制器的输出。
本实施例的全桥拓朴是实施例1的半桥拓朴的全对称超集合，对半桥拓朴电路和磁路的分析亦完全适合对全桥拓朴电路和磁路的工作状态分析。
在本发明的两个实施例中，充分利用了功率因素校正功能的储能电感，与功率开关转换功能的换能变压器在磁路上的无关性，磁通方向上的双向性，时间上的交替性，将两者按如图11所示的结构合并在了同一个磁体上，使得两者的磁通在磁体的每一点上，在任何时刻，方向上都是垂直的，如图11，实现了本发明正交磁集成的目的。
本实施例的全桥拓朴的集成开关电路可直接由交流电来驱动，或由直流电来驱动。
全桥拓朴的电路相对于半桥拓朴的电路具有更高的工作效率和更多的开关工作模式，有利于复杂负载、大功率开关电源的使用。
如图11，图12所示为本发明实施例正交磁路实现的示意图，全桥拓朴的磁路相对于半桥拓朴的电路具有更高的磁路利用率，既充分利用了全部八象限磁体；而随同全桥拓朴开关的工作模式，磁路亦有更多的使用模式，进一步有利于大功率开关电源的使用场合。
实施例3
本实施例提供一种集成开关电源的工作方法，如图3所示，所述集成开关电源包括：交流整流输入单元301、直流输出整流单元303、转换开关单元302；
所述交流整流输入单元301，将交流电转变为单极性直流电；
由所述第1可控开关装置、第1单向电子装置、电容和电阻串联，在所述第1可控开关装置和第1单向电子装置的连接点接入所述储能电感，组成一升压型开关电路，将单极性直流电变为高压直流电；
由所述变压器，第1可控开关装置、第2可控开关装置、第1单向电子装置、第2单向电子装置组成正激开关电路，将高压直流电的隔离传递给直流输出级；
直流输出整流单元303，将直流电整流后输出。
在本实施例中，可控开关装置采用开关管，单向电子装置采用二极管。
实施例4
本实施例提供一种集成开关电源的工作方法，如图4所示，该集成开关电源包括转换开关单元401和直流输出整流单元402；
所述转换开关单元401中，由一对可控开关装置和一对单向电子装置组成全桥电路，将供电电源由交流向单极性直流转换，其中所述一对可控开关装置为第1可控开关装置和第2可控开关装置，所述的一对单向电子装置为第1单向电子装置和第2单向电子装置；
由所述第1和第2可控开关装置、第1和第2单向电子装置组成一个全桥，该全桥的两个对角分别并联所述储能电感、并联所述电容和电阻的串联，构成升压开关型电路，从而获得将单极性直流转换为高压直流电；
由所述第1和第2换能变压器、第3和第4可控开关装置、第1和第2可控开关装置、第3和第4单向电子装置、第1和第2单向电子装置组成正激型开关桥电路，将高压直流电隔离传递给直流输出级；
所述直流输出直流单元402将直流电整流后输出。
在本实施例中，可控开关装置采用开关管，单向电子装置采用二极管。在实施例3和4中，将所述储能电感和换能变压器合并在了同一个磁体上，如图11、12所示，使得两者的磁通在磁体的每一点上，在任何时刻，方向上都是垂直的，实现了正交磁集成。
以上具体实施方式仅用于说明本发明，而非用于限定本发明。

Claims (14)

1. 一种集成开关电源，包括：交流整流输入单元(301)，用于将交流电转变为单极性直流电；直流输出整流单元(303)，用于将直流电整流后输出；其特征在于，还包括转换开关单元(302)，用于将单极性直流电转变为稳定的高压直流电，并将高压直流电隔离传递给直流输出级；
所述转换开关单元包括：一储能电感、一换能变压器、一电容、第1单向电子装置、第2单向电子装置、第1可控开关装置、第2可控开关装置和电阻；其中，
所述第1可控开关装置、第1单向电子装置、电容和电阻串联，在所述第1可控开关装置和第1单向电子装置的连接点接入所述储能电感，组成一升压型开关型电路，从而获得高压直流电；
所述换能变压器，第1可控开关装置、第2可控开关装置、第1单向电子装置、第2单向电子装置组成正激型开关电路，以实现高压直流电的隔离传递。
2. 根据权利要求1所述的集成开关电源，其特征在于，所述的储能电感与所述换能变压器合并在同一个磁体上，从而形成正交磁集成。
3. 根据权利要求1所述的集成开关电源，其特征在于，所述的第1、第2单向电子装置为二极管。
4. 根据权利要求1所述的集成开关电源，其特征在于，所述的第1、第2可控开关装置为开关管。
5. 根据权利要求4所述的集成开关电源，其特征在于，所述的开关管为场效应晶体管或双极晶体管或绝缘栅双极晶体管。
6. 一种集成开关电源，包括直流输出整流单元(402)，用于将直流电整流后输出，其特征在于，还包括转换开关单元(401)，用于将交流电转换为单极性直流电，将单极性直流电转变为稳定的高压直流电，将高压直流电隔离传递给直流输出级；
所述转换开关单元(401)包括：一储能电感、第1换能变压器、第2换能变压器、一电容C、第1可控开关装置、第2可控开关装置、第3可控开关装置、第4可控开关装置、第1单向电子装置、第2单向电子装置、第3单向电子装置和第4单向电子装置、电阻；其中，
由一对可控开关装置和一对单向电子装置组成电路，将供电电源由交流向单极性直流转换，其中所述一对可控开关装置为第1可控开关装置和第2可控开关装置，所述的一对单向电子装置为第1单向电子装置和第2单向电子装置；
由所述第1和第2可控开关装置、第1和第2单向电子装置组成一个全桥，该全桥的两个对角分别并联所述储能电感、并联所述电容和电阻的串联，构成升压型开关型电路，从而获得高压直流电；
由所述第1和第2换能变压器、第3和第4可控开关装置、第1和第2可控开关装置、第3和第4单向电子装置、第1和第2单向电子装置组成正激型开关桥电路，以实现高压直流电隔离传递。
7. 根据权利要求6所述的集成开关电源，其特征在于，所述的储能电感与所述第1、第2换能变压器合并在同一个磁体上，从而形成正交磁集成。
8. 根据权利要求6所述的集成开关电源，其特征在于，所述的第1、第2、第3和第4单向电子装置为二极管。
9. 根据权利要求6所述的集成开关电源，其特征在于，所述的第1、第2、第3和第4可控开关装置为开关管。
10. 根据权利要求9所述的集成开关电源，其特征在于，所述的开关管为场效应晶体管、双极晶体管或绝缘栅双极晶体管。
11. 一种集成开关电源的工作方法，其特征在于，所述集成开关电源包括：交流整流输入单元(301)、直流输出整流单元(303)、转换开关单元(302)；
所述交流整流输入单元(301)，将交流电转变为单极性直流电；
由第1可控开关装置、第1单向电子装置、电容和电阻串联，在所述第1可控开关装置和第1单向电子装置的连接点接入储能电感，组成一升压型开关型电路，将单极性直流电变为高压直流电；
由换能变压器，第1可控开关装置、第2可控开关装置、第1单向电子装置、第2单向电子装置组成正激型开关电路，将高压直流电的隔离传递给直流输出级；
直流输出整流单元(303)，将直流电整流后输出。
12. 根据权利要求11所述的集成开关电源的工作方法，其特征在于，将所述储能电感和换能变压器合并在了同一个磁体上，使得两者的磁通在磁体的每一点上，在任何时刻，方向上都是垂直的，实现了正交磁集成。
13. 一种集成开关电源的工作方法，其特征在于，该集成开关电源包括转换开关单元(401)和直流输出整流单元(402)；
由一对可控开关装置和一对单向电子装置组成全桥电路，将供电电源由交流向单极性直流转换，其中所述一对可控开关装置为第1可控开关装置和第2可控开关装置，所述的一对单向电子装置为第1单向电子装置和第2单向电子装置；
由所述第1和第2可控开关装置、第1和第2单向电子装置组成一个全桥，该全桥的两个对角分别并联储能电感、并联电容和电阻的串联，构成升压开关型电路，从而获得将单极性直流转换为高压直流电；
由第1和第2换能变压器、第3和第4可控开关装置、第1和第2可控开关装置、第3和第4单向电子装置、第1和第2单向电子装置组成正激型开关桥电路，将高压直流电隔离传递给直流输出级；
直流输出直流单元(402)将直流电整流后输出。
14. 根据权利要求13所述的集成开关电源的工作方法，其特征在于，将所述储能电感和第1、第2换能变压器合并在了同一个磁体上，使得两者的磁通在磁体的每一点上，在任何时刻，方向上都是垂直的，实现了正交磁集成。
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