CN101834539B - 宽输出电压范围的高效率ac/dc组合变流器 - Google Patents

宽输出电压范围的高效率ac/dc组合变流器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及交流-直流电能转换器，旨在提供一种宽输出电压范围的高效率AC/DC组合变流器。该变流器包括相连的滤波器和整流桥B1，还包括Buck PFC电路、不控DC/DC电路、输出滤波电容Co和并联AC/DC电路；Buck PFC电路中开关管S1的控制端接到Buck PFC控制电路的输出，Buck PFC控制电路与反馈控制电路的输出相连；该反馈控制电路包括误差放大器和信号隔离电路；输出滤波电容Co的输出侧与输出信号采样电路、误差放大器、信号隔离电路依次相接。本发明在实现隔离和宽输出电压范围的同时获得高效率和高功率因数，提高与BuckPFC电路并联的AC/DC变流器的效率；可以解决升压功率因数校正(Boost)电路的开机浪涌电流过大的问题，无需浪涌电流抑制电路，提高效率。

Description

宽输出电压范围的高效率AC/DC组合变流器
技术领域
本发明涉及一种交流-直流电能转换器，具体的说是一种宽输出电压范围的高效率AC/DC组合变流器。
背景技术
很多AC/DC电能转换的应用场合需要宽的输出电压范围，如通讯电源，电池充电器，LED驱动电源等。传统的AC-DC变流方案采用Boost作为整流电路输出恒定电压，以获得较高的功率因数和效率，然后跟随输出电压范围较宽的DC-DC变流器给负载供电。由于很多应用场合需要电气隔离，因此后级采用隔离的DC/DC。但是，隔离型的DC/DC在高效率与宽输出电压两者之间很难优化，为了满足宽的输出电压范围，必须牺牲效率。
如果将boost的输出电压调整范围变宽，虽然DC/DC的效率能提高，但是Boost的输出最高电压太高，增加器件电压应力，增加成本，降低可靠性。
采用降压型拓扑(Buck)作为功率因数校正器，跟随不控隔离型DC/Dc时，如图1所示。该方案效率可以很高，电压范围也能很宽，但由于当输入电压低于PFC的输出电压时，存在不工作的时间。在此时间段内，输入电流几乎为零，因此输入侧的电流谐波较大，很难满足总谐波含量(THD)小于20％的指标。
如果采用两个变流器并联的方式，一个作为主要的单元进行功率传递，另一个作为补充，在主变流器不工作时，其从网侧吸收电流，从而消除电流的死区，降低THD。图2(文献：Internal Active Parallel DC Power-Factor and Line-current Correctors)是一个典型的并联方式的例子，主单元是Buck电路，其中辅助并联的AC/DC是flyback电路。但是，Flyback的转换效率很低，只有当辅助变流器处理的功率较小时，对整体效率的影响才较小。但是，当PFC的输出电压较高，接近输入电压的峰值时，Flyback需要处理大部分功率，整体效率变的很低。普通的不隔离升压电路(Boost)无法直接并联在Buck PFC。就会出现是升压还是降压的矛盾，因为传统的Boost电路是不能降压的。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提供一种宽输出电压范围的高效率AC/DC组合变流器。
为解决上述问题，本发明提出以下解决方案：
提供一种宽输出电压范围的高效率AC/DC组合变流器，包括相连的滤波器和整流桥B1，还包括Buck功率因数校正电路、不控DC/DC电路、输出滤波电容Co和并联AC/DC电路；所述Buck功率因数校正电路与并联AC/DC电路的输入端并联后与整流桥B1相接，Buck功率因数校正电路与并联AC/DC电路的输出端并联后作为中间直流母线与不控DC/DC电路相连，不控DC/DC电路的输出接到输出滤波电容Co；所述的并联AC/DC电路是并联Boost电路，包含一个Boost控制电路；该并联Boost电路还与至少一个可控开关S3相接，用来控制其能量输出或者输入；所述的Buck功率因数校正电路包含开关管S1、二极管D1和电感L1，开关管S1的控制端接到Buck PFC控制电路的输出，Buck PFC控制电路与反馈控制电路的输出相连；该反馈控制电路包括误差放大器和信号隔离电路；输出滤波电容Co的输出侧与输出信号采样电路、误差放大器、信号隔离电路依次相接。
作为一种改进，有一电容C1作为所述中间直流母线的滤波电容；所述的Buck功率因数校正电路包含开关管S1、二极管D1和电感L1；开关管S1的一端接到整流桥输出的正端，另一端接到二极管D1的阴极，其控制端接到Buck PFC控制电路的输出；二极管D1的阳极接地，电感L1的一端接到二极管D1的阴极，另一端接到电容C1的正端。
作为一种改进，所述的并联Boost电路包含电感L2、开关管Sa和二极管D2；开关管Sa一端接地，另一端与二极管D2的阳极一并接到电感L2的一端，电感L2的另一端接到整流桥输出的正端；开关管Sa的控制端接到Boost控制电路的输出端；所述可控开关S3的一端接到二极管D2的阴极，另一端接到电容C1的正端，其控制端接到一个控制驱动电路的输出端，该控制驱动电路的输入为整流桥输出和Buck功率因数校正电路输出的电压信号。
作为一种改进，所述的并联AC/DC电路包含电感L2、开关管Sa、二极管D2；所述可控开关S3串接于整流桥输出的正端与电感L2的一端，作为电感L2的续流二极管的二极管D3的阴极也接到电感L2的该端；开关管Sa的一端、二极管D2的阴极均接至电感L2的另一端，开关管Sa的另一端和二极管D3的阳极接输入地，开关管Sa的控制端接到Boost控制电路的输出端；可控开关S3的控制端接到一个控制驱动电路的输出端，该控制驱动电路的输入为整流桥输出和Buck功率因数校正电路输出的电压信号。
作为一种改进，有一电容C1作为所述中间直流母线的滤波电容；所述的Buck功率因数校正电路包含开关管S1、二极管D1和电感L1；开关管S1的一端接到输入地，另一端接到二极管D1的阳极，其控制端接到Buck PFC控制电路的输出；电感L1的一端接到开关管S1与二极管D1阳极的连接处，另一端接到中间母线的地；二极管D1的阴极接至整流桥输出和电容C1的正端。
作为一种改进，所述的并联Boost电路包含电感L2、开关管Sa和二极管D2；开关管Sa的一端接到中间母线的正端，另一端接到二极管D2的阴极，其控制端接Boost控制电路的输出端；电感L2的一端连接到输入的地，另一端接到开关管Sa与二极管D2阴极的连接处；所述的控制开关S3的一端接二极管D2的阳极，另一端接中间母线的地，其控制端接到一个控制驱动电路的输出端，该控制驱动电路的输入为整流桥输出和Buck功率因数校正电路输出的电压信号。
作为一种改进，所述的并联Boost电路包含电感L2、开关管Sa和二极管D2；开关管Sa的一端接到中间母线的正端，另一端接到二极管D2的阴极和电感L2的一端，开关管Sa的控制端接Boost控制电路的输出端，二极管D2的阳极与中间母线的地相连；电感L2的另一端接开关管S3的一端；一个作为电感L2的续流二极管的二极管D3，其阳极接到电感L2和开关管S3的连接处，阴极接到整流桥输出的正端；开关管S3的另一端接输入的地，其控制端接到一个控制驱动电路的输出端，该控制驱动电路的输入为整流桥输出和Buck功率因数校正电路输出的电压信号。
作为一种改进，所述不控DC/DC电路是正激电路、反激电路、PWM半桥电路、全桥拓扑电路、谐振半桥电路、全桥拓扑电路或推挽拓扑电路中的任意一种。
作为一种改进，所述输出信号采样电路的信号采样是输出电压采样或输出电流采样。
与传统宽输出电压范围的AC/DC变流器相比，本发明的有益效果是：
1.在实现隔离和宽输出电压范围的同时获得高效率和高功率因数。
2.提高与BuckPFC电路并联的AC/DC变流器的效率。
3.可以解决升压功率因数校正(Boost)电路的开机浪涌电流过大的问题，无需浪涌电流抑制电路，提高效率。
4.可以采用低压母线电容，提高电源的寿命和可靠性。
5.采用不控隔离型DC/Dc提高变压器的利用率和效率。
附图说明
图1：采用Buck功率因数校正的隔离型AC/DC宽输出电源方案。
图2：现有采用并联Flyback作为辅助功率因数校正器的方案。
图3(a)：与单独Buck功率因数校正时的输入电流、电压波形。
图3(b)：本发明的组合变流器的输入电流、电压波形。
图4：本发明的采用buck功率因数校正组合改进的并联Ac/Dc电路的宽输出电压范围电源的原理框图。
图5：Buck PFC输出与输入共地，并联Boost中增加的开关与二极管串联。
图6：Buck PFC为共地输出，并联Boost中增加的开关与电感串联。
图7：Buck PFC为浮地输出，并联Boost中增加的开关与二极管串联。
图8：Buck PFC为浮地输出，并联Boost中增加的开关与电感串联。
图9：不控DC/DC为半桥拓扑的隔离型AC/DC的实施方式。
图10：一种针对可控开关S3控制电路的实施方式。
具体实施例
下面结合附图对本发明的实施方案进行具体阐述。
本发明中的宽输出电压范围的高效率AC/DC组合变流器，包括整流桥B1，还包括Buck功率因数校正电路、不控DC/DC电路、输出滤波电容Co和并联AC/DC电路；所述Buck功率因数校正电路与并联AC/DC电路的输入端并联后与整流桥B1相接，Buck功率因数校正电路与并联AC/DC电路的输出端并联后作为中间直流母线与不控DC/DC电路相连，不控DC/DC电路的输出接到输出滤波电容Co；所述的并联AC/DC电路是并联Boost电路，包含一个Boost控制电路；该并联Boost电路还与至少一个可控开关S3相接，用来控制其能量输出或者输入。
如图5、图6所示，采用电容C1作为所述中间直流母线的滤波电容；所述的Buck功率因数校正电路包含开关管S1、二极管D1和电感L1；开关管S1的一端接到整流桥输出的正端，另一端接到二极管D1的阴极，其控制端接到Buck PFC控制电路的输出；二极管D1的阳极接地，电感L1的一端接到二极管D1的阴极，另一端接到电容C1的正端。
在图5中，并联Boost电路包含电感L2、开关管Sa和二极管D2；开关管Sa一端接地，另一端与二极管D2的阳极一并接到电感L2的一端，电感L2的另一端接到整流桥输出的正端；开关管Sa的控制端接到Boost控制电路的输出端；所述可控开关S3的一端接到二极管D2的阴极，另一端接到电容C1的正端，其控制端接到一个控制驱动电路的输出端，该控制驱动电路的输入为整流桥输出和Buck功率因数校正电路输出的电压信号。该方案中，可控开关S3与并联Boost电路的二极管D2串联。由于二极管D2本身存在高频电流过零的时刻，因此可控开关S3既可以是各种全控开关如MOSFET、IGBT等，也可以是半控开关如SCR。串在二极管D2中，可控开关S3产生的损耗较小，但是并联Boost电路的开关Sa的电压应力与输入电压相同。
在图6中，并联AC/DC电路包含电感L2、开关管Sa、二极管D2；所述可控开关S3串接于整流桥输出的正端与电感L2的一端，作为电感L2的续流二极管的二极管D3的阴极也接到电感L2的该端；开关管Sa的一端、二极管D2的阴极均接至电感L2的另一端，开关管Sa的另一端和二极管D3的阳极接输入地，开关管Sa的控制端接到Boost控制电路的输出端；可控开关S3的控制端接到一个控制驱动电路的输出端，该控制驱动电路的输入为整流桥输出和Buck功率因数校正电路输出的电压信号。该方案中，可控开关S3与电感L2串联。由于电感L2电流不能自动过零，此时需要可控开关S3必须为全控开关，如MOSFET、IGBT等，另外还需要增加一个二极管D3作为电感L2的续流二极管。可控开关S3串联在电感L2中，S3的损耗相对前一方案略大一些，但是并联Boost电路中Sa的电压应力由Vbus决定。由于Vbus一般会比输入端低一些，因此本方案可以降低Sa的电压应力。
作为图5和图6中技术方案的改进，采用电容C1作为所述中间直流母线的滤波电容；所述的Buck功率因数校正电路包含开关管S1、二极管D1和电感L1；开关管S1的一端接到输入地，另一端接到二极管D1的阳极，其控制端接到Buck PFC控制电路的输出；电感L1的一端接到开关管S1与二极管D1阳极的连接处，另一端接到中间母线的地；二极管D1的阴极接至整流桥输出和电容C1的正端。
在图7中，并联Boost电路中开关管Sa的一端接到中间母线的正端，另一端接到二极管D2的阴极，其控制端接Boost控制电路的输出端；电感L2的一端连接到输入的地，另一端接到开关管Sa与二极管D2阴极的连接处；所述的控制开关S3的一端接二极管D2的阳极，另一端接中间母线的地，其控制端接到一个控制驱动电路的输出端，该控制驱动电路的输入为整流桥输出和Buck功率因数校正电路输出的电压信号。
在图7中，并联Boost电路中开关管Sa的一端接到中间母线的正端，另一端接到二极管D2的阴极和电感L2的一端，开关管Sa的控制端接Boost控制电路的输出端，二极管D2的阳极与中间母线的地相连；电感L2的另一端接开关管S3的一端；一个作为电感L2的续流二极管的二极管D3，其阳极接到电感L2和开关管S3的连接处，阴极接到整流桥输出的正端；开关管S3的另一端接输入的地，其控制端接到一个控制驱动电路的输出端，该控制驱动电路的输入为整流桥输出和Buck功率因数校正电路输出的电压信号。
采用这两种改进的方案，Buck功率因数校正电路的驱动可控制简单，EMI噪声较小。虽然并联Boost电路的驱动需要自举，但是Vbus相对输入较低，自举驱动的电路的耐压较低，容易实现，成本低。
本发明中，不控DC/DC电路是正激电路、反激电路、PWM半桥电路、全桥拓扑电路、谐振半桥电路、全桥拓扑电路或推挽拓扑电路中的任意一种。
的输出即反馈电路的输出，该反馈电路包括误差放大器和信号隔离电路；输出滤波电容Co的输出侧与输出信号采样电路、误差放大器、信号隔离电路和Buck PFC控制电路依次相接。输出信号采样电路的信号采样是输出电压采样或输出电流采样。
本发明中，中间母线Vbus与输出Vo之间存在不控的Dc/DC，而所述的不控DC/DC相当于直流变压器，因此输出电压会随着中间母线电压的调整而调整。当输出电压调整时，可以通过反馈输出电压控制Buck PFC的控制电路，从而自动调整中间母线电压，与输出成比例(Vbus∶Vo＝N∶1)。
本发明通过在输入侧并联一个与Buck功率因数校正器并联工作的改进的Boost变流器，使之能够在Buck的死区时间从电网侧吸收电流，将能量泵入中间母线Vbus，从而改善输入侧电流的谐波成分，满足更低THD的要求。而且，并联型AC/DC只在电网电压较低时工作，当Vin接近Vbus或略高于Vbus时，可控开关S3动作，使并联AC/DC无法将能力从输入泵入中间母线。从而无需采用隔离型拓扑作为并联AC/DC，消除了变压器，提高了并联AC/DC的效率。而且当中间母线电压Vbus与输入的峰值较接近时，处理的功率较大时，本发明不隔离并联电路的效率仍然可以很高，体积也较小。另外，还可以通过控制并联AC/DC的工作时间和工作方式，灵活的改善电流谐波。
图9中是一种针对浮地输出的Buck PFC电路的实施方案。该方案包含输入整流桥，Buck功率因数校正电路和并联boost电路，控制开关S3和二极管D3，不控的半桥DC/DC。所述的Buck PFC的输入与辅助AC/DC的输入并联，Buck的输出与并联boost的输出并联，中间母线电容C1作为母线的滤波电容。交流电网电压经过整流桥，整流桥的输出作为Buck电路和boost电路的输入，所述的Buck电路包含开关管S1，二极管D1，电感L1，电容C1。D1的阴极接到Vin的正端，二极管的阳极接到S1的一端，S1的另一端接地。S1的控制端需要接到Buck PFC控制电路。电感L1的一端连接到D1的阳极，另一端连接到电容C1的负端。电容C1的正端连接到输入Vin的正端。所述的并联AC/DC的包含电感L2，开关管S2，输出二极管D2，可控开关S3，续流二极管D3。所述二极管D3的阴极接到输入的正端，S3的一端接到输入的负端，S3和二极管的阳机接到电感L2的一端，L2的另一端接到S2的一端和二极管D2的阴极，S2的一端接到中间母线的正端，二极管D2的阳极接到中间母线的负端。S3的控制端接到其控制电路的输出端。S2的控制端接到boost控制电路的输出端。所述的半桥不控DC/DC包含了变压器T1，开关管SH1和SH2，电容C2，固定占空比输出的PWM控制电路和输出整流电路。此例中所述不控DC/DC为固定占空比的半桥拓扑，其输入端接到Vbus，输出端接到输出滤波电感Lo和电容Co，负载并联在电容Co的两端。开关管SH1和SH2组成一个开关桥臂，与中间母线并联连接，桥臂的中点连接到T1原边绕组的一端，原边绕组的另一端连接到的电容C2的一端，C2的另一端连接到Vbus的负端。变压器的副边绕组的两端接到整流电路的输入端。此例中的整流电路是全桥整流电路。副边绕组的两端分别接到两组二极管组成的两个桥臂的中点。两个二极管桥臂共阴的一端接到电感Lo的一端，Lo的另一端接到输出的正端。两个二极管桥臂共阳的一端接到输出的负端。此例中采用了输出电流反馈信号作为控制原边的信号。通过在负载中串联一个采样电阻，取得输出电流信号。然后与电流基准信号比较，经过误差放大器后，通过线性光耦隔离，将误差信号传递到原边后，作为原边Buck控制芯片的反馈输入信号，从而实现Buck PFC的闭环控制，达到调整中间母线的目的。
所述的不控Dc/DC可以是正激或反激电路，还可以是PWM半桥和全桥拓扑，也可以是谐振半桥和全桥拓扑，还可以是推挽拓扑。
所述的副边整流电路可以使全桥整流，被压整流，中心抽头整流，半波整流等电路。所述的可控开关S3的控制电路可以通过一个电压比较电路，驱动电路实现。如图10所示，此例中Vbus的负端通过一个电阻R1接到比较器Comp的正向输入端，Vin的负端的接到Comp的负向输入端，比较器的输出接到一个反相驱动电路输入，所述驱动电路输出接到S3的控制端。为了使比较器Comp能够获得一些负压供电，利用一个电容C10和并联二极管D10。C10的一端接到Vin的负端，另一端接到Comp的供电引脚的负端，二极管D10的阳极也接到Comp的供电引脚的负端。D10的阴极接到Vin的负端。
应当注意，在说明本发明的某些特征或者方案时所使用的特殊术语不应当用于表示在这里重新定义该术语以限制与该术语相关的本发明的某些特定特点、特征或者方案。总之，不应当将在随附的权利要求书中使用的术语解释为将本发明限定在说明书中公开的特定实施例，除非上述详细说明部分明确地限定了这些术语。因此，本发明的实际范围不仅包括所公开的实施例，还包括在权利要求书之下实施或者执行本发明的所有等效方案。

Claims (4)

1.一种宽输出电压范围的高效率AC/DC组合变流器，包括整流桥B1，还包括Buck功率因数校正电路、不控DC/DC电路、输出滤波电容Co和并联AC/DC电路；所述Buck功率因数校正电路的输入端与并联AC/DC电路的输入端并联后与整流桥B1相接，Buck功率因数校正电路的输出端与并联AC/DC电路的输出端并联后作为中间直流母线与不控DC/DC电路相连，不控DC/DC电路的输出接到输出滤波电容Co；其特征在于，所述的并联AC/DC电路是并联Boost电路，包含一个Boost控制电路；该并联Boost电路还与至少一个可控开关S3相接，用来控制其能量输出或者输入；所述的Buck功率因数校正电路包含开关管S1、二极管D1和电感L1，开关管S1的控制端接到Buck PFC控制电路的输出，Buck PFC控制电路与反馈控制电路的输出相连；该反馈控制电路包括误差放大器和信号隔离电路；输出滤波电容Co的输出侧与输出信号采样电路、误差放大器、信号隔离电路依次相接；
该AC/DC组合变流器还包括一个电容C1作为所述中间直流母线的滤波电容；所述的Buck功率因数校正电路中，开关管S1的一端接到输入地，另一端接到二极管D1的阳极；电感L1的一端接到开关管S1与二极管D1阳极的连接处，另一端接到中间直流母线的地；二极管D1的阴极接至整流桥B1输出和电容C1的正端。
2.根据权利要求1所述的AC/DC组合变流器，其特征在于，所述的并联Boost电路包含电感L2、开关管Sa和二极管D2；开关管Sa的一端接到中间直流母线的正端，另一端接到二极管D2的阴极，其控制端接Boost控制电路的输出端；电感L2的一端连接到输入地，另一端接到开关管Sa与二极管D2阴极的连接处；所述的控制开关S3的一端接二极管D2的阳极，另一端接中间直流母线的地，其控制端接到一个控制驱动电路的输出端，该控制驱动电路的输入为整流桥B1输出和Buck功率因数校正电路输出的电压信号。
3.根据权利要求1所述的AC/DC组合变流器，其特征在于，所述的并联Boost电路包含电感L2、开关管Sa和二极管D2；开关管Sa的一端接到中间直流母线的正端，另一端接到二极管D2的阴极和电感L2的一端，开关管Sa的控制端接Boost控制电路的输出端，二极管D2的阳极与中间直流母线的地相连；电感L2的另一端接开关管S3的一端；一个作为电感L2的续流二极管的二极管D3，其阳极接到电感L2和开关管S3的连接处，阴极接到整流桥B1输出的正端；开关管S3的另一端接输入地，其控制端接到一个控制驱动电路的输出端，该控制驱动电路的输入为整流桥B1输出和Buck功率因数校正电路输出的电压信号。
4.根据权利要求1至3中任意一项所述的AC/DC组合变流器，其特征在于，所述不控DC/DC电路是正激电路、反激电路、PWM半桥电路、全桥拓扑电路、谐振半桥电路或推挽拓扑电路。
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