CN100495889C - 有pfc电路的在线隔离式ac/dc电源 - Google Patents

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Abstract

一种有PFC电路的在线隔离式AC/DC电源，包括整流桥、第一充电电容(C6)、第一开关管(Q1)、输出二极管(D5)、输出电感(L4)、输出电容(C8)、PWM控制器(U1)、储能电感(L3)、第一隔离二极管(D1)、第二开关管(Q2)、输出回路电流采样电阻(R8)和PFC控制器(U2)。PFC控制器(U2)的一个控制信号输出端与PWM控制器(U1)的脉宽控制输入端相连，PWM控制器输出的调制脉冲落在PFC控制器输出的脉冲内，控制第一开关管与第二开关管同步导通和截止，从而在进行输出电压的调控和功率因数校准的同时，实现了电源的输入端与输出端的在线隔离。

Description

有PFC电路的在线隔离式AC/DC电源
技术领域
本发明涉及一种AC/DC电源电路的结构，一种有PFC电路的在线隔离式AC/DC电源。
背景技术
开关电源是利用开关管以一定时间间隔重复地接通和断开，在开关管接通时输入电源通过滤波电路对负载供电并使电感储能，在开关管断开时，储存在电感中的能量通过输出二极管释放给负载，从而使负载得到连续而稳定的能量。开关管的开关时间由脉冲宽度调制控制器(即PWM控制器)控制。已有的开关电源中，唯有并联型开关电源能实现输出与输入的隔离，这种结构形式能有效地防止输入端的强电流、高电压对输出端人身设备的危害，但应用于大功率电源时，这种线路比较复杂，成本也较高。
发明内容
本发明旨在提出一种具有在线隔离性能的串联型开关电源电路，一种有PFC电路的在线隔离式AC/DC电源。
这种有PFC电路的在线隔离式AC/DC电源，包括整流桥、第一充电电容、第一开关管，输出二极管、输出电感、输出电容和PWM控制器。第一充电电容的负极与整流桥的负输出端相接，第一开关管接在第一充电电容的正极和输出二极管的负极之间，输出二极管的正极接电源的负输出端；输出电感的一端接在输出二极管的负极，输出电感的另一端接电源的正输出端；输出电容的两端与电源的正输出端和负输出端相接；第一开关管的控制极与PWM控制器的控制信号输出端相接。此电源还包括储能电感、第一隔离二极管、第二开关管、输出电流采样电阻和PFC控制器(即功率因数校准控制器)。储能电感的一端与整流桥的正输出端相接，储能电感的另一端与第一隔离二极管的正极相接，第一隔离二极管的负极与第一充电电容的正极相接，第二开关管接在第一隔离二极管的正极与整流桥的负输出端之间，第二开关管的控制极与PFC控制器的控制信号输出端相连，PFC控制器的另一个控制信号输出端与PWM控制器的脉宽控制输入端相连。输出电流采样电阻接在电源的负输出端与整流桥的负输出端之间。
这种有PFC电路的在线隔离式AC/DC电源中，PWM控制器输出的调制脉冲由PFC控制器控制，PWM控制器输出到第一开关管的调制脉冲频率与PFC控制器输出到第二开关管的控制脉冲频率相同，而PWM控制器输出的调制脉冲宽度小于PFC控制器输出的脉冲宽度，PWM控制器输出的调制脉冲落在PFC控制器输出的脉冲内，控制第一开关管与第二开关管同步导通和截止，从而在进行输出电压的调控和功率因数校准的同时，实现了电源的输入端与输出端的在线隔离。
附图说明
附图1为有PFC电路的在线隔离式AC/DC电源的基本原理图；
附图2为PWM控制器输出的调制脉冲与PFC控制器输出的脉冲的波形图；
附图3为第二种有PFC电路的在线隔离式AC/DC电源的原理图；
附图4为第三种有PFC电路的在线隔离式AC/DC电源的原理图。
具体实施方式
如图1所示，这种有PFC电路的在线隔离式AC/DC电源包括整流桥、第一充电电容C6、第一开关管Q1、输出二极管D5、输出电感L4、输出电容C8和PWM控制器U1。第一充电电容C6的负极与整流桥的负输出端相接，第一开关管Q1接在第一充电电容的正极和输出二极管D5的负极之间，输出二极管的正极接电源的负输出端RTN。输出电感L4的一端接在输出二极管的负极，输出电感的另一端接电源的正输出端VOUT。输出电容C8的两端与电源的正输出端VOUT及负输出端RTN相接。第一开关管Q1的控制极与PWM控制器U1的控制信号输出端(第4脚)相接。此电源还包括储能电感L3、第一隔离二极管D1、第二开关管Q2、输出回路电流采样电阻R8和PFC控制器U2。储能电感L3的一端与整流桥的正输出端相接，储能电感的另一端与第一隔离二极管D1的正极相接，第一隔离二极管的负极与第一充电电容C6的正极相接。第二开关管Q2接在第一隔离二极管D1的正极与整流桥的负输出端之间，第二开关管Q2的控制极与PFC控制器U2的控制信号输出端(第4脚)相连，PFC控制器U2的另一个控制信号输出端(第6脚)与PWM控制器U1的脉宽控制输入端(第1脚)相连。输出回路电流采样电阻R8接在电源的负输出端RTN与整流桥的负输出端之间。R8的作用为输出电流采样。图中R5、R7的作用为输出电压稳压采样，R6的作用为Q1的均压电阻。
如图1所示，交流电220V由输入端N、L输入。Q2、L3、D1、R1、R3、R4、U2为PFC功率因数校正电路。当Q1和Q2截止时，D1导通，C6充电；当Q2导通时，对L3进行储能，同时Q1导通，电容C6对L4、C8充电，此时D1截止。由上述可知，当Q2导通时，输入端与输出端由D1截止隔离；当Q2截止时输入端与输出端由Q1截止隔离，在本电源的整个运行过程中，自始自终输入与输出都是隔离的，达到了在线自然隔离的效果。图中R4的作用为PFC控制器U2输入回路电流负反馈及Q2电流的采样。
Q1的控制信号是由PFC与PWM两种信号逻辑“与”产生的。PWM信号由U1产生，主要作用是调节Q1的脉冲宽度，来控制电压的稳定输出。PFC信号由U2产生，主要作用是提高功率因数。PFC控制器根据交流波的瞬时幅值产生一系列宽度不同的脉冲，来控制Q2的开通关断，PWM控制器根据输出电压的幅值也产生不同宽度的脉冲。两个控制脉冲相与后控制Q1的开通关断。C6选配适当的容量，就能使输出电压既稳定又受U1的1脚控制，使Q2、Q1同步导通，Q2导通期间，Q1的调制脉冲宽度一定落在Q2的导通脉冲宽度里面，从而实现在线隔离。Q1和Q2调制脉冲的波形如图2所示，图2中曲线1为Q1的调制脉冲波形，曲线2为Q2的调制脉冲波形。图1中R6为Q1的均压电阻，R5、R7为输出电压稳压采样电阻。
如图3所示，这种有PFC电路的在线隔离式AC/DC电源还可以包括第二充电电容C7、第二隔离二极管D3、第一放电二极管D2和第二放电二极管D4。第二隔离二极管D3的正极与第一充电电容C6的负极相接，第二隔离二极管的负极与第二充电电容C7的正极相接，第二充电电容的负极与整流桥的负输出端相接，第一放电二极管D2的正极与第二充电电容的正极相接，第一放电二极管的负极与第一充电电容的正极相接，第二放电二极管D4的正极与第二充电电容C7的负极相接，第二放电二极管的负极与第一充电电容C6的负极相接。这样的结构，当Q1和Q2截止时，D1导通，C6通过D3与C7串联充电；当Q2导通对L3进行储能、D1截止Q1导通时，电容C6，C7通过D2、D4相并联，共同对L4，C8充电，从而可以得到更大的充电电流。
如图4所示，这种有PFC电路的在线隔离式AC/DC电源还可包括可控硅Q3和一个双稳态继电器，双稳态继电器的线圈K2与可控硅串联后接到电源的正、负输出端，双稳态继电器的两组常闭触点K1分别接在交流电源的两个输入端L、N与整流桥的两个交流输入端之间，可控硅的控制极与PWM控制器U1的可控硅控制信号输出端第7脚相连。其作用是：当U1的第6脚检测到输出电压超过正常电压范围时，U1的第7脚输出信号，使可控硅Q3导通，使得双稳态继电器转换到另一边，切断输入端的电源；当负载电流过大时，由R4和R8在不同情况下控制使继电器发生翻转，当输入回路发生故障时，R4两端压降发生变化，反馈给U2，U2反馈给U1，U1驱动Q3，使K2驱动K1动作，使K1断开，切断输入端的交流电源；当输出回路发生故障时，R8检测到大电流时，反馈给U1，U1驱动Q3，使K2驱动K1动作，切断输入端的交流电源。从而保证电源的安全。在故障排除后，可将双稳态继电器手动复位，电源即可继续正常使用。
图4中G端为保护接地端，R2与C5组成微小漏电流的泄放回路，L1、L2，C1、C2，C3、C4组成一个滤波吸收网络，阻止电网上的电磁干扰MEC，吸收电源产生的电磁干扰MEI。
这种有PFC电路的在线隔离式AC/DC电源中的Q1、Q2可采用MOS开关管。PWM控制器U1可以选用UCC28521、SG3525、UC3842等型号的集成块。PFC控制器U2可以选用IR1150、UCC28060、UC3854等型号的集成块。也可以将PWM控制器和PFC控制器合做成一块集成块，例如UCC28521/8芯片已经集成了PFC与PWM的功能，可以作为合并在一起的U1与U2使用。
这种有PFC电路的在线隔离式AC/DC电源与并联型开关电源相比较，还具有器件的数量简化、系统的稳定性提高的优点，尤其适用于大功率的纯电动车或混合动力车的充电设备。

Claims (3)

1、一种有PFC电路的在线隔离式AC/DC电源，包括整流桥、第一充电电容(C6)、第一开关管(Q1)、输出二极管(D5)、输出电感(L4)、输出电容(C8)和PWM控制器(U1)，第一充电电容的负极与整流桥的负输出端相接，第一开关管(Q1)接在第一充电电容(C6)的正极和输出二极管的负极之间，输出二极管的正极接电源的负输出端(RTN)，输出电感(L4)的一端接在输出二极管的负极，输出电感的另一端接电源的正输出端(VOUT)，输出电容(C8)的两端与电源的正输出端(VOUT)和负输出端(RTN)相接，第一开关管(Q1)的控制极与PWM控制器(U1)的控制信号输出端相接，其特征是此电源还包括储能电感(L3)、第一隔离二极管(D1)、第二开关管(Q2)、输出电流采样电阻(R8)和PFC控制器(U2)，储能电感(L3)的一端与整流桥的正输出端相接，储能电感的另一端与第一隔离二极管(D1)的正极相接，第一隔离二极管的负极与第一充电电容(C6)的正极相接，第二开关管(Q2)接在第一隔离二极管的正极与整流桥的负输出端之间，第二开关管(Q2)的控制极与PFC控制器(U2)的控制信号输出端相连，PFC控制器(U2)的另一个控制信号输出端与PWM控制器(U1)的脉宽控制输入端相连，输出电流采样电阻(R8)接在电源的负输出端(RTN)与整流桥的负输出端之间。
2、如权利要求1所述的有PFC电路的在线隔离式AC/DC电源，其特征是此电源还包括第二充电电容(C7)、第二隔离二极管(D3)、第一放电二极管(D2)和第二放电二极管(D4)，第二隔离二极管(D3)的正极与第一充电电容(C6)的负极相接，第二隔离二极管的负极与第二充电电容(C7)的正极相接，第二充电电容的负极与整流桥的负输出端相接，第一放电二极管(D2)的正极与第二充电电容的正极相接，第一放电二极管的负极与第一充电电容的正极相接，第二放电二极管(D4)的正极与第二充电电容的负极相接，第二放电二极管的负极与第一充电电容的负极相接。
3、如权利要求1或2所述的有PFC电路的在线隔离式AC/DC电源，其特征是此电源还包括可控硅(Q3)和一个双稳态继电器，双稳态继电器的线圈(K2)与可控硅串联后接到电源的正、负输出端，双稳态继电器的两组常闭触点(K1)分别接在电源的两个输入端(L、N)与整流桥的两个交流输入端之间，可控硅的控制极与PWM控制器(U1)的可控硅控制信号输出端相接。
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不间断供电高功率因数集成AC/DC变换器研究. 宋晨，陈道炼，宋海峰.电力电子技术，第38卷第2期. 2004
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