CN103023350B

CN103023350B - 一种非对称电容储能式ac-dc电源

Info

Publication number: CN103023350B
Application number: CN201210432614.8A
Authority: CN
Inventors: 王会民; 陈帼英; 李书灿
Original assignee: DONGGUAN SHENNIU ELECTRONICS TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: Chen Guoying
Priority date: 2012-11-02
Filing date: 2012-11-02
Publication date: 2015-07-15
Anticipated expiration: 2032-11-02
Also published as: CN103023350A

Abstract

本发明公开了一种非对称电容储能式AC-DC电源，包括储能电容CO、整流电路、充放电电路、两电子开关电路模块K1、K2以及滤波电路。所述的整流电路包括两半波整流电路，储能电容CO串联连接于交流电压输入端Vin的连接端A与一半波整流电路之间，所述的充放电电路包括分别与两半波整流电路连接的第一充放电电路、第二充放电电路。第一充放电电路中用于充放电的电容的数量与第二充放电电路中用于充放电的电容的数量不相等，以构成非对称式电路结构。本发明的充放电电路采用非对称式电路结构，同时在整流电路前增加了储能电容CO，有效地提高了电源的工作效率和安全性能，同时还可使电源工作于无级变压状态，扩大了其应用范围。

Description

一种非对称电容储能式AC-DC电源

技术领域

本发明涉及一种AC-DC电源（即交流输入直流输出的电源），具体涉及一种非对称电容储能式AC-DC电源。

背景技术

目前市场上大部分电源都是采用的上下对称的电路结构，其上下半周输出的电压电流完全一样，而且是有级变压输出，如果为n级（其中n为大于等于1的正整数），则输出电压为Vo= Vi/n。如图8所示采用的两级的对称电源，其输出电压为Vo=Vi/2，若输入的交流电压为220V，则它的输出电压最大为Vo=Vi/2=154V左右，如果要求输出电压Vo＞Vi/2则无输出，若要求输出电压Vo≤Vi/2则有输出。

现有技术存在如下缺陷：第一、当负载变化时，输出电压Vo也在变化，负载加大，输出变低，同时它的效率也在降低，它的主电路在工作过程中会将大量能量转化为热能，将严重影响电路的安全。第二、因为是有级变压，它的输出电压范围大大受限，导致在使用过程中受限。第三、原则上要求其负载为线性，即纯阻性负载。因此，现有技术有待改进。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种非对称电容储能式AC-DC电源，该电源采用非对称电容储能式电路结构，提高了工作效率，且安全性能高。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种非对称电容储能式AC-DC电源，包括整流电路以及两电子开关电路模块K1、K2，整流电路连接于交流电压输入端Vin的连接端A、B，用于为交流输入电压进行全波整流，所述的整流电路包括两半波整流电路；所述电源还包括储能电容CO与充放电电路，所述储能电容CO串联连接于交流电压输入端Vin的连接端A与半波整流电路之间；所述的充放电电路包括第一充放电电路与第二充放电电路，所述的第一充放电电路、第二充放电电路分别与半波整流电路、半波整流电路连接，所述的第一充放电电路与第二充放电电路由电容与二极管组成，且第一充放电电路中用于充放电的电容的数量与第二充放电电路中用于充放电的电容的数量不相等，当第一充放电电路中用于充放电的电容的数量或第二充放电电路中用于充放电的电容的数量大于或等于两个时，通过二极管构成具有串联充电、并联放电的非对称电容储能式的电路结构；所述的两电子开关电路模块与充放电电路以及负载连接，用于控制充放电电路的放电并将其储存的电能输送至负载，为负载供电。

进一步地，所述半波整流电路由整流二极管D1、D2组成，另一半波整流电路由整流二极管D3、D4组成；所述的电子开关电路模块包括开关S1、开关S2，另一电子开关电路模块包括开关S3、开关S4；整流二极管D1的阳极、整流二极管D2的阴极分别与交流电压输入端Vin的两连接端A、B连接，整流二极管D1的阴极、整流二极管D2的阳极分别与电子开关电路模块中的开关S1、开关S2的一端连接，负载的两端串联连接于开关S1、S2的另一端；整流二极管D4的阴极、整流二极管D3的阳极分别与交流电压输入端Vin的两连接端A、B连接，整流二极管D3的阴极、整流二极管D4的阳极分别与另一电子开关电路模块中的开关S3、开关S4的一端连接，负载的两端串联连接于开关S3、S4的另一端。

进一步地，所述的第一充放电电路包括电容C1、C2以及二极管D5、D6、D7；电容C1的一端与二极管D7的阴极连接并作为第一充放电电路的一端与整流二极管D1的阴极连接，电容C2的一端与二极管D5的阳极连接并作为第一充放电电路的另一端与整流二极管D2的阳极连接，二级管D6的阳极与二极管D5的阴极连接，二级管D6的阴极与二极管D7的阳极连接，电容C1的另一端与二极管D5的阴极连接，电容C2的另一端与二极管D7的阳极连接。

进一步地，所述的第二充放电电路包括电容C3，电容C3的一端与整流二极管D3的阴极连接，另一端与整流二极管D4的阳极连接；或

所述的第二充放电电路包括电容C3、C4、C5，以及二极管D8、D9；所述二极管D8的阳极、阴极分别与电容C3的正端、负端连接；二极管D9的阳极与二极管D8的阴极连接，二极管D9的阳极与电容C5的正端连接，电容C4 、C5的负端相连且与整流二极管D4的阳极以及电子开关电路模块K2中的开关S4连接，二极管D8的阳极与整流二极管D3的阴极连接，二极管D9的阴极与电子开关电路模块K2中的开关S3连接。

较佳地，所述的储能电容CO由一个电容组成或由两个以上的电容通过串联、并联或串并联结合方式连接组成；所述的第一充放电电路和/或第二充放电电路还并联连接有1个或两个以上的用于充放电的电容；所述的充放电电路中用于充放电的各电容的电性参数相同；所述的非对称电容储能式AC-DC电源还包括滤波电路，该滤波电路与负载并联连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的充放电电路采用非对称式电路结构，同时在整流电路前增加了储能电容，有效地提高了电源的工作效率和安全性能，同时还可使电源输出电压工作于无级变压状态，扩大了其应用范围。

附图说明

图1为本发明第一充放电电路21（当n1=3时）的电路原理图：

图2为本发明第二充放电电路22（n2=1/X，取X=2时）的电路原理图：

图3为本发明的储能电容CO的内部串联电路原理图；

图4为本发明的储能电容CO的内部并联电路原理图；

图5为本发明的储能电容CO的内部串并联结合电路原理图；

图6为本发明实施例1的电路原理图；

图7本发明实施例2的电路原理图：

图8为本发明的储能电容CO的应用于对称式的充放电电路的电源中的电路原理图；

图9为现有技术电源的电路原理图。

具体实施方式

下面结合实施例并参照附图进行详细说明，以便对本发明的技术特征及优点进行更深入的诠释。

实现本发明的技术方案为：一种非对称电容储能式AC-DC电源，包括储能电容CO、整流电路、充放电电路、以及两电子开关电路模块K1、K2。整流电路连接于交流电压输入端Vin的连接端A、B，用于为交流输入电压进行全波整流，所述的整流电路包括两半波整流电路11、12；所述储能电容CO串联连接于交流电压输入端Vin的连接端A与半波整流电路11之间。所述的充放电电路包括第一充放电电路21与第二充放电电路22，第一充放电电路、第二充放电电路分别与半波整流电路11、半波整流电路12连接，且所述的充放电电路中用于充放电的各电容的电性参数相同。所述的两电子开关电路模块K1、K2与充放电电路以及负载连接，用于控制充放电电路的放电并将其储存的电能输送至负载，为负载供电。所述第一充放电电路21与第二充放电电路22的构成非对称电容储能式的电路结构，即第一充放电电路中用于充放电的电容的数量与第二充放电电路中用于充放电的电容的数量不相等。

所述的第一充放电电路与第二充放电电路由电容与二极管组成，其电路中的电容具有串联充电、并联放电的特点。假设第一充放电电路中的电容的数量为n1，第二充放电电路中的电容的数量为n2（其中，n1、n2可取0、1、2、3…N的整数，且n1≠n2），如图1所示为第一充放电电路的电路原理图（图1中，取n1=3），则所述充放电电路对外呈现的级数n=（n1+n2）/2，所述电源的输出电压Vo与交流输入电压Vi的关系为：Vo=Vi/n，由此有：Vo=Vi/（（n1+n2）/2）。此形式的充放电电路可实现对电源输出电压的粗调。

此外，n2还可为n2=1/X的形式，其中X为1、2、3…N的整数，当为n2=1/X的形式时，则n=（n1+1/X）/2，第二充放电电路的电路原理图如图2所示（图中，取X=2）。此形式的充放电电路可实现对电源输出电压的微调。当然，可以根据负载电压的需要，在图1、图2的电路基础上并联更多的电容，以实现电源的无级变压输出。此外，第一充放电电路与第二充放电电路的设置位置可以互换。

所述的储能电容CO可以由一个电容组成或由两个以上的电容通过串联、并联或串并联结合方式连接组成。储能电容CO可以根据其容量、耐压等具体需要由多个电容CO1、CO2、CO3……COn串联连接组成，如图3所示；或由多个电容CO1、CO2、CO3……COn并联连接组成，如图4所示；或多个电容CO1、CO2、CO3、CO4、CO5……COn-1、COn以串联、并联结合方式组成，如图5所示。

实施例1

如图6所示，一种非对称电容储能式AC-DC电源，包括储能电容CO、整流电路、充放电电路、以及两电子开关电路模块K1、K2以及滤波电路。整流电路包括两半波整流电路11、12，半波整流电路11由整流二极管D1、D2组成，另一半波整流电路12由整流二极管D3、D4组成。电子开关电路模块K1包括开关S1、开关S2，另一电子开关电路模块K2包括开关S3、开关S4。充放电电路包括第一充放电路21与第二充放电电路22，其中，第一充放电路21中的电容数量为n1=2，第二充放电电路22中的电容数量为n2=1，且各电容的电性参数相同。

储能电容CO可以为图3、图4或图5中所示的任一方式组成的电容，该储能电容CO串联连接在交流电压输入端Vin的连接端A与整流二极管D1的阳极之间，整流二极管D2的阴极与交流电压输入端Vin的连接端B连接，整流二极管D1的阴极、整流二极管D2的阳极分别与电子开关电路模块K1中的开关S1、开关S2的一端连接，负载的两端串联连接于开关S1、S2的另一端；整流二极管D4的阴极、整流二极管D3的阳极分别与交流电压输入端Vin的两连接端A、B连接，整流二极管D3的阴极、整流二极管D4的阳极分别与另一电子开关电路模块K2中的开关S3、开关S4的一端连接，负载的两端串联连接于开关S3、S4的另一端。所述的非对称电容储能式AC-DC电源还包括一滤波电路，该滤波电路与负载并联连接，用于对从电子开关电路模块K1、K2输出的电信号进行滤波，扩大电源的使用范围。

第一充放电电路包括电容C1、C2以及二极管D5、D6、D7。电容C1的一端与二极管D7的阴极连接并作为第一充放电电路的一端与整流二极管D1的阴极连接，电容C2的一端与二极管D5的阳极连接并作为第一充放电电路的另一端与整流二极管D2的阳极连接，二级管D6的阳极与二极管D5的阴极连接，二级管D6的阴极与二极管D7的阳极连接，电容C1的另一端与二极管D5的阴极连接，电容C2的另一端与二极管D7的阳极连接；所述的第二充放电电路22只有一个电容C3，与第一充放电电路21构成非对称式结构。电容C3的一端与整流二极管D3的阴极连接，另一端与整流二极管D4的阳极连接。

以下简要说明本发明实施例1的工作原理：当交流电处于正半周时，电流由交流电压输入端Vin的A端流经储能电容CO、整流二极管D1，电容C1、二极管D6电容C2以及整流二极管D2，返回交流电压输入端Vin的B端，从而完成对电容C1、C2的充电过程；当交流电处于负半周时，电流由交流电压输入端Vin的B端流经整流二极管D3，电容C3、二极管D4以及储能电容CO，再返回交流电压输入端Vin的A端，从而完成对电容C3的充电过程。

当经过N个周期后，对电容C1、C2、C3的充电达到平衡状态。用Vi代表交流输入电压，VCO、VC1、VC2、VC3分别代表电容CO、C1、C2、C3上的电压，则有Vi= VCO+ VC3=- VCO+ VC1+VC2，可得，Vi+ VCO =2 VCO+ VC3=VC1+VC2。由于电容C1、C2、C3的电性参数一样，其充电时间、充电电流也一样，若其负载为电压源，则有VC1=VC2=VC3，VCO=VC1/2，即电容C1、C2、C3的电压相等，储能电容CO上的最大电压值为电容C1的一半。

由前述可知，电源的输出电压Vo与交流输入电压Vi的关系为： Vo=Vi/（（n1+n2）/2），本实施中，n1=2，n2=1，则有Vo=2Vi/3；若交流输入电压为220V，则有Vo=2Vi/3≈2*1.414*220/3≈207V。

当由于某种原因，负载的电流增大时，则电源的输入电流也随之增大，储能电容CO的压降也增大，交流电给电容C1、C2、C3的充电电压与充电电流相对变少，最终导致负载电流的增加量不大。因此，储能电容CO可起到限流的作用。由于储能电容CO的存在，可始终在保持负载所需电流的较佳范围内对电容C1、C2、C3进行充电，储存在储能电容CO多出的能量在交流电压为负半周时返回给输入电网，从而大大提高了电源的工作效率，同时可为电网提供一定量的超前无功，使电源主电路的发热大为减少，为电源工作的安全性可靠性创造了条件。

由于第一充电电路与第二充电电路采用了非对称电容储能式性结构，且增加了储能电容CO，不仅大大提高了电源的工作效率，且可使电路工作在无级变压状态，也增加了电源的应用范围；电源的负载可为反电动势负载或非线性负载，如电压源、电机等。

值得一提的是，本发明中的储能电容CO及其以多个电容串联、并联或串并联结合组成的储能电容的方式还可应用于对称式的充放电电路的电源中，如图8所示。

实施例2

如图7所示，本实施例与实施例1的区别在于充放电电路的不同，其它电路均相同。本实施例中的第一充放电电路21与第二充放电电路22在实施例1的基础上各增加了一级用于充放电的电容。本实施例中，第一充放电路21中的电容数量取n1=3，第二充放电电路22中的电容数量取n2=2，各电容的电性参数相同。

如图7所示，第一充放电电路21包括有三个用于充放电的电容C1、C2、C3，以及六个二极管D5、D6、 D7、D8、D9、D10，第二充放电电路22包括有两个用于充放电的电容C4、C5，以及三个二极管D11、D12、D13。各电容与各二极管连接构成具有串联充电、并联放电的电路，其连接方式与实施例1中的第一充放电电路21类似，在此不再赘述。本实施例中，因n1=3、n2=2，由Vo=Vi/（（n1+n2）/2）可得Vo=2Vi/5；若交流输入电压为220V，则有Vo=2Vi/5≈2*1.414*220/5≈124V。

当然，还可以根据负载需要的工作电压在充放电电路中并联更多的电容，在此不再一一举例说明。

实施例3

本实施例与实施例1的区别仅在于第二充放电电路的不同，其它电路均相同。本实施例中的第二充放电电路22对外呈现的级数采用n2=1/X的形式（此处取X=2）。如图2所示，第二充放电电路包括电容C3、C4、C5，以及二极管D8、D9；其中，二极管D8的阳极、阴极分别与电容C3的正端、负端连接；二极管D9的阳极与二极管D8的阴极连接，二极管D9的阳极与电容C5的正端连接，电容C4 、C5的负端相连且与整流二极管D4的阳极以及电子开关电路模块K2中的开关S4连接，二极管D8的阳极与整流二极管D3的阴极连接，二极管D9的阴极与电子开关电路模块K2中的开关S3连接,（此图中，整流二极管D3、D4，开关S3、S4均省略）。本实施例中，第一充放电路21中的电容数量取n1=2，第二充放电电路22中，取X=2，则n2=1/2，由n=（n1+n2）/2 可得n=5/4，进一步可得Vo=4Vi/5，若交流输入电压为220V，则有Vo=4Vi/5≈4*1.414*220/5≈249V。

当然，还可以根据负载需要的工作电压使X取不同的数值，在此不再一一举例说明。

本发明的充放电电路采用非对称式电路结构，同时在整流电路前增加了储能电容，有效地提高了电源的工作效率和安全性能，还具有可对输入电压进行升压输出的作用，如当第一充放电路取n1=1，第二充放电路取n2=1/X的形式时，便可实现升压输出的作用，这里不再一一举例详细说明。当取n1=1，n2=0（此时相当于将半波整流电路中的整流二极管D3的阴极直接与整流二极管D4阳极连接）时，此时输出电压可高达Vo=2Vi，这是理论上可升压到的最高电压值。若交流输入电压为220V，Vo=2Vi≈2*1.414*220≈622V，即本发明最高可将输入电压升压到622V作为输出电压。

以上所述实施例中提到的内容并非是对本发明的限定，在不脱离本发明构思的前提下，任何显而易见的替换均在本发明的保护范围之内。

Claims

1. 一种非对称电容储能式AC-DC电源，包括整流电路以及两电子开关电路模块（K1、K2），整流电路连接于交流电压输入端Vin的连接端A、B，用于为交流输入电压进行全波整流，所述的整流电路包括第一半波整流电路（11）与第二半波整流电路（12），其特征在于：

所述电源还包括储能电容CO与充放电电路，所述储能电容CO串联连接于交流电压输入端Vin的连接端A与第一半波整流电路（11）之间；

所述的充放电电路包括第一充放电电路（21）与第二充放电电路（22），所述的第一充放电电路（21）、第二充放电电路（22）分别与第一半波整流电路（11）、第二半波整流电路（12）连接，且第一充放电电路（21）中用于充放电的电容的数量与第二充放电电路（22）中用于充放电的电容的数量不相等，当第一充放电电路（21）中用于充放电的电容的数量或第二充放电电路（22）中用于充放电的电容的数量大于或等于两个时，通过二极管构成具有串联充电、并联放电的非对称电容储能式的电路结构；

所述的两电子开关电路模块（K1、K2）与充放电电路以及负载连接，用于控制充放电电路的放电并将其储存的电能输送至负载，为负载供电。

2.根据权利要求1所述的非对称电容储能式AC-DC电源，其特征在于：所述第一半波整流电路（11）由整流二极管D1、D2组成，第二半波整流电路（12）由整流二极管D3、D4组成；所述的电子开关电路模块（K1）包括开关S1、开关S2，另一电子开关电路模块（K2）包括开关S3、开关S4；

所述整流二极管D1的阳极、整流二极管D2的阴极分别与交流电压输入端Vin的两连接端A、B连接，整流二极管D1的阴极、整流二极管D2的阳极分别与电子开关电路模块（K1）中的开关S1、开关S2的一端连接，负载的两端串联连接于开关S1、S2的另一端；

整流二极管D4的阴极、整流二极管D3的阳极分别与交流电压输入端Vin的两连接端A、B连接，整流二极管D3的阴极、整流二极管D4的阳极分别与另一电子开关电路模块（K2）中的开关S3、开关S4的一端连接，负载的两端串联连接于开关S3、S4的另一端。

3.根据权利要求2所述的非对称电容储能式AC-DC电源，其特征在于：所述的第一充放电电路（21）包括电容C1、C2以及二极管D5、D6、D7；

电容C1的一端与二极管D7的阴极连接并作为第一充放电电路的一端与整流二极管D1的阴极连接，电容C2的一端与二极管D5的阳极连接并作为第一充放电电路的另一端与整流二极管D2的阳极连接，二级管D6的阳极与二极管D5的阴极连接，二级管D6的阴极与二极管D7的阳极连接，电容C1的另一端与二极管D5的阴极连接，电容C2的另一端与二极管D7的阳极连接。

4.根据权利要求3所述的非对称电容储能式AC-DC电源，其特征在于：

所述的第二充放电电路（22）包括电容C3，电容C3的一端与整流二极管D3的阴极连接，另一端与整流二极管D4的阳极连接。

5.根据权利要求4所述的非对称电容储能式AC-DC电源，其特征在于：所述的储能电容CO由一个电容组成或由两个以上的电容通过串联、并联或串并联结合方式连接组成。

6.根据权利要求5所述的非对称电容储能式AC-DC电源，其特征在于：所述的第一充放电电路（21）和/或第二充放电电路（22）还并联连接有1个或两个以上的用于充放电的电容。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的非对称电容储能式AC-DC电源，其特征在于：所述的充放电电路中用于充放电的各电容的电性参数相同。

8.根据权利要求7所述的非对称电容储能式AC-DC电源，其特征在于：所述的非对称电容储能式AC-DC电源还包括滤波电路，所述滤波电路与负载并联连接。