CN104184344A - 全桥式交直流转换装置及其转换方法 - Google Patents
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Abstract
一种全桥式交直流转换装置，包含有一滤波电路、四个开关组、一第一电容、一第二电容以及一第一电感；该滤波电路与电源连接，且各开关组各别包含有一主动式开关及一二极管，该二极管与该主动式开关并联；该第一电容与该第一电感形成一共振电路，且该第二电容与负载并联连接。以在切换开关组导通或截止的同时，使整体电路自动改变电路结构，以获得更佳的滤波效果。另外，本发明更提供有上述全桥式交直流转换装置所使用的交直流转换方法。
Description
技术领域
本发明是与交直流转换有关；特别是指一种全桥式交直流转换装置及其转换方法。
背景技术
全桥式交直流转换器大多采用高频切换方式产生脉冲宽度调变(Pulse Width Modulation，PWM)信号对开关进行刚性切换，以控制电能流经不同路径，进而达到交直流转换的效果。而上述方式常会产生大量的高次谐波电流，进而干扰其他设备。因此，全桥式交直流转换器的交流侧滤波器的选择与设计变得相当重要。
一般来说，相较传统的L型滤波器，在相同电感值的情况下，LCL型滤波器对高频谐波抑制效果更为理想，因此已经逐渐应用于大功率、低开关频率的装置上。而传统LCL滤波电路所采用信号处理是以三阶滤波器做为设计概念。换言之，是通过其中一电感与电容为输出波形的高频成份提供一低阻通路，进而降低流经另一电感的电流的高频成分。然而，虽然LCL型滤波器滤除高次谐波效果明显，但是LCL型滤波器的设计过程繁琐且需要多次尝试，反复验算才能找到合适的参数。此外，由于LCL型滤波器其电路特性易受参数影响，因此较不易与其他电路整合设计。
除此之外，一般全桥式交直流转换装置为了降低零件成本与减少转换器体积，常会利用提高切换频率来减少电容与磁性元件的大小。但提升转换电路的切换频率，相对也增加开关元件的切换损失，同时也增加电磁干扰(EMI)问题。是以，现有的全桥式交直流转换器设计仍未臻完善，且尚有待改进之处。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种全桥式交直流转换装置及其转换方法，具有低电磁干扰(EMI)、低涟波输出电压以及高转换效率的效果。
缘以达成上述目的，本发明所提供全桥式交直流转换装置用以将一电源的交流电转换成直流电后，供电予一负载，且该负载具有一第一端以及一第二端。该全桥式交直流转换装置包含有一滤波电路、四个开关组、一第一电容、一第二电容以及一第一电感。其中，该滤波电路具有一输入侧以及一输出侧，该输入侧与该电源电性连接，而该输出端则包含有一第一输出端以及一第二输出端。所述开关组分别为一第一开关组、一第二开关组、一第三开关组以及一第四开关组，且各别包含有一主动式开关及一二极管，该二极管与该主动式开关并联，且该二极管的负极形成各开关组的一第一端，而该二极管的正极形成各开关组的一第二端；其中，该第一开关组的第二端与该滤波电路的第一输出端电性连接；该第二开关组的第一端与该第一开关组的第一端电性连接，且该第二开关组的第二端与该滤波电路的第二输出端电性连接；该第三开关组的第一端与该第一开关组的第二端以及该滤波电路的第一输出端电性连接，且该第三开关组的第二端与该负载的第二端电性连接；该第四开关组的第一端与该第二开关组的第二端以及该滤波电路的第二输出端电性连接，且该第四开关组的第二端与该第三开关组的第二端以及该负载的第二端电性连接。该第一电容一端与该第二开关组的第一端电性连接，而另一端则与该负载的第一端电性连接。该第二电容一端与该负载的第一端电性连接，另一端与该负载的第二端电性连接。该第一电感一端与该第二开关组的第一端电性连接，而另一端则与该负载的第一端电性连接。
依据上述构思，本发明更提供一种全桥式交直流转换方法，适用于前述的全桥式交直流转换装置；该全桥式交直流转换方法包含有下列步骤：
A当该电源电能为正半波时：
A-1导通该第三开关组与该第四开关组的主动式开关，并截止该第一开关组与该第二开关组的主动式开关，且该第一开关组与该第二开关组的二极管导通，使该滤波电路储能，且使该第一电容与该第一电感共振，并对第二电容释能，使该第二电容供电予该负载；
A-2导通该第一开关组与该第四开关组的主动式开关，且截止该第二开关组与该第三开关组的主动式开关，并对第一电容与该第一电感的共振电路及第二电容释能，且使该滤波电路的储能逐渐归零；
A-3当该滤波电路的储能归零时，导通该第一开关组与该第四开关组的主动式开关，并截止该第二开关组与该第三开关组的主动式开关，且该第二开关组与该第三开关组的二极管导通，使该第一电容与该第一电感共振，并持续对第二电容释能；
B当该电源电能为负半波时：
B-1导通该第一开关组与该第二开关组的主动式开关，并截止该第三开关组与该第四开关组的主动式开关，且该第三开关组与该第四开关组的二极管导通，使该滤波电路储能，且使该第一电容与该第一电感共振，并对第二电容释能，使该第二电容供电予该负载；
B-2导通该第二开关组与该第三开关组的主动式开关，且截止该第一开关组与该第四开关组的主动式开关，并对第一电容与该第一电感的共振电路及第二电容释能，且使该滤波电路的储能逐渐归零；
B-3当该滤波电路的储能归零时，导通该第二开关组与该第三开关组的主动式开关，并截止该第一开关组与该第四开关组的主动式开关，且该第一开关组与该第四开关组的二极管导通，使该第一电容与该第一电感共振，并持续对第二电容释能。
由此，通过上述的设计，进行交直流转换时，将产生低电磁干扰(EMI)、低涟波输出电压以及高转换效率的效果。
附图说明
为进一步揭示本发明的具体技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中：
图1为较佳实施例的全桥式交直流转换装置的电路图；
图2至图7为各步骤的等效电路图；
图8为输入电压、电流以及输出电压的波型图。
具体实施方式
为能更清楚地说明本发明，列举较佳实施例并配合附图详细说明如后。请参阅图1，本发明一较佳实施例的全桥式交直流转换装置用以将一电源100的交流电转换成直流电后，供电予一负载200，且该负载200具有一第一端201以及一第二端202。该全桥式交直流转换装置包含有四个开关组11-14、一第一电容C1、一第二电容C2、一第一电感L1以及一滤波电路20。其中：
所述开关组11-14分别为一第一开关组11、一第二开关组12、一第三开关组13以及一第四开关组14，各别包含有一主动式开关S1-S4及一二极管D1-D4，于本实施例中，该主动式开关S1-S4为一金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，当然在实施上亦可是其它晶体管或是其他主动式开关元件。该二极管D1-D4的正极与该金属氧化物半导体场效应晶体管的源极电性连接，而负极则与该金属氧化物半导体场效应晶体管的汲极电性连接，而使各该二极管D1-D4与对应的该主动式开关S1-S4并联。另外，该二极管D1-D4的负极形成各开关组11-14的一第一端，而该二极管D1-D4的正极形成各开关组11-14的一第二端。各该开关组11-14连接关系如下，该第一开关组11的第一端与该第二开关组12的第一端电性连接。该第三开关组13的第一端与该第一开关组11的第二端电性连接，且该第三开关组13的第二端与该负载200的第二端202电性连接。该第四开关组14的第一端与该第二开关组12的第二端电性连接，且该第四开关组14的第二端与该第三开关组13的第二端以及该负载200的第二端202电性连接。
该第一电容C1为一无极性电容，且一端与该第二开关组12的第一端电性连接，而另一端则与该负载200的第一端201电性连接。该第二电容C2为非电解电容，且一端与该负载200的第一端201电性连接，另一端与该负载200的第二端202电性连接。该第一电感L1一端与该第二开关组12的第一端电性连接，而另一端则与该负载200的第一端201电性连接。
该滤波电路20具有一输入侧21以及一输出侧22，该输入侧21与该电源100电性连接，而该输出侧22则与所述开关组11-14电性连接。于本实施例中，该滤波电路20为LCL型滤波电路，而包含有一第二电感L2、一第三电感L3以及一第三电容C3。该第二电感L2一端与该电源100一端电性连接。该第三电感L3一端与该第二电感L2的另一端电性连接，而该第三电感L3的另一端则形成一第一输出端221，且电性连接至该第一开关组11与该第三开关组12之间。该第三电容C3一端电性连接至该第二电感L2与该第三电感L3之间，而另一端则与该电源100另一端电性连接，并形成一第二输出端222，且电性连接至该第二开关组12与该第四开关组14之间。
于本实施例中，所述电容C1-C3、所述电感L1-L3、输入电压、输入电压频率、所述开关组11-14切换频率以及该负载200的电阻值如下表所示：
| 第一电感L1 | 220μH |
| 第二电感L2 | 800μH |
| 第三电感L3 | 120μH |
| 第一电容C1 | 100μF |
| 第二电容C2 | 2.2μF |
| 第三电容C3 | 11nF |
| 输入电压Vin | 110Vrms |
| 输入电压频率 | 60Hz |
| 切换频率 | 100KHz |
| 负载电阻 | 500Ω |
由此，通过上述结构设计与规格，再利用下述的电源转换方法，便可达到低电磁干扰(EMI)、低涟波输出电压以及高转换效率的效果，而该方法包含有下列步骤，且依据该电源100电能为正半波或负半波的差别，而有所区分：
请参阅图2至图4，当该电源100电能为正半波时，该电源转换方法包含下列步骤：
A-1如图2所示，导通该第三开关组13与该第四开关组14的主动式开关S3、S4，并截止该第一开关组11与该第二开关组12的主动式开关S1、S2。此时，该电源100的电能经过该第二电感L2传输予该第三电容C3，而该第三电容C3则通过导通该第三开关组13与该第四开关组14形成的电路对该第三电感L3储能，并使该第一电感L1与该第一电容C1共振。另外，通过该第一电感L1与该第一电容C1共振所产生的负电压特性，将导通该第一开关组11与该第二开关组12的二极管D1、D2，使电路结构改变，并通过该第三开关组13与该第四开关组14的主动式开关S3、S4、以及该第一开关组11与该第二开关组12的二极管D1、D2导通后产生电路结构，将电能传送至该第二电容C2蓄能，并通过该第二电容C2供电予该负载200而达到减低输出涟波的效果。
A-2如图3所示，导通该第一开关组11与该第四开关14组的主动式开关S1、S4，并截止该第二开关组12与该第三开关组13的主动式开关S2、S3。此时，该电源100的电能经过该第二电感L2传输予该第三电容C3，而该第三电容C3与该第三电感L3的储能则通过导通该第一开关组11与该第四开关组14形成的电路传送至该第一电容C1与该第一电感L1的共振电路以及该第二电容C2进行蓄能，以供电予该负载200而达到减低输出涟波的效果。
A-3如图4所示，当该滤波电路20的第三电感L3的储能归零时，持续导通该第一开关组11与该第四开关组14的主动式开关S1、S4，且截止该第二开关组12与该第三开关组13的主动式开关S2、S3。此时，该电源100的电能通过该第二电感L2持续传送至该第三电容C3，而该第一电感L1与该第一电容C1开始共振产生负电源特性，而导通该第二开关组12与该第三开关组13的二极管D2、D3，使电路结构改变，并通过该第一开关组11与该第四开关组14的主动式开关S1、S4、以及该第二开关组12与该第三开关组13的二极管D2、D3导通后产生电路结构，将电能传送至该第二电容C2蓄能，并通过该第二电容C2供电予该负载200而达到减低输出涟波的效果。
另外，每执行一次步骤A-1至步骤A-3，则完成一次周期的作动。是以，当该电源100电能为正半波时，则重复执行步骤A-1至步骤A-3直至该电源电能变化为负半波，且于执行步骤A-1至步骤A-3时，是以柔性切换的方式，导通或截止该第一开关组11与该第三开关组13，并以刚性切换的方式，导通或截止该第二开关组12与该第四开关组14，以达到低电磁干扰(EMI)以及高转换效率的效果。
请参阅图5至图7，当该电源100电能为负半波时，该电源转换方法包含下列步骤：
B-1如图5所示，导通该第一开关组11与该第二开关组12的主动式开关S1、S2，并截止该第三开关组13与该第四开关组14的主动式开关S3、S4。此时，该电源100的电能经过该第二电感L2传输予该第三电容C3，而该第三电容C3则通过导通该第一开关组11与该第二开关组12形成的电路对该第三电感L3储能，并使该第一电感L1与该第一电容C1共振。另外，通过该第一电感L1与该第一电容C1共振所产生的负电压特性，将导通该第三开关组13与该第四开关组14的二极管D3、D4，使电路结构改变，并通过该第一开关组11与该第二开关组12的主动式开关S1、S2、以及该第三开关组13与该第四开关组14的二极管D3、D4导通后产生电路结构，将电能传送至该第二电容C2蓄能，并通过该第二电容C2供电予该负载200而达到减低输出涟波的效果。
B-2如图6所示，导通该第二开关组12与该第三开关组13的主动式开关S2、S3，并截止该第一开关组11与该第四开关组14的主动式开关S1、S4。此时，该电源100的电能经过该第二电感L2传输予该第三电容C3，而该第三电容C3与该第三电感L3的储能则通过导通该第二开关组12与该第三开关组13形成的电路，传送至该第一电容C1与该第一电感L1的共振电路以及该第二电容C2进行蓄能，以供电予该负载200达到减低输出涟波的效果。
B-3如图7所示，当该滤波电路20的该第三电感L3储能归零时，持续导通该第二开关组12与该第三开关组13的主动式开关S2、S3，并截止该第一开关组11与该第四开关组14的主动式开关S1、S4。此时，该电源100的电能通过该第二电感L2持续传送至该第三电容C3，而该第一电感L1与该第一电容C1开始共振产生负电源特性，而导通该第一开关组11与该第四开关组14的二极管D1、D4，使电路结构改变，并通过该第二开关组12与该第三开关组13的主动式开关S2、S3、以及该第一开关组11与该第四开关组14的二极管D1、D4导通后产生电路结构，将电能传送至该第二电容C2蓄能，并通过该第二电容C2供电予该负载200达到减低输出涟波的效果。
另外，每执行一次步骤B-1至步骤B-3，则完成一次周期的作动。是以，当该电源100电能为负半波时，则重复执行步骤B-1至步骤B-3直至该电源100电能变化为正半波，且于执行步骤B-1至步骤B-3时，是以柔性切换的方式，导通或截止该第一开关组11与该第三开关组13，并以刚性切换的方式，导通或截止该第二开关组12与该第四开关组14，以达到低电磁干扰(EMI)以及高转换效率的效果。
由此，通过上述结构与方法的设计，由图8可看出，于本实施例中，于输入电压Vin峰值约为150V的情况下，流经第二电感L2的输入电流IL2通过LCL型滤波电路的作用可有效减少高频涟波，且输出直流电压Vout约为250V的情况下，其波形趋于平坦，而具有低输出电压涟波的效果，进而可避免该第二电容C2使用寿命较短的电解电容，以提升该全桥式交直流转换装置的使用寿命。
另外，在实际实施上，本发明的滤波电路除使用LCL型滤波电路外，亦可使用L型滤波电路(即滤波电路仅具有一电感，且该电感一端与该电源100一端电性连接，另一端则形成第一输出端221)亦可达到本发明的目的。再者，以上所述仅为本发明较佳可行实施例而已，凡是应用本发明说明书及申请专利范围所为的等效结构与方法的变化，理应包含在本发明的权利要求范围内。
Claims (13)
1.一种全桥式交直流转换装置，将一电源的交流电转换成直流电后，供电予一负载，且该负载具有一第一端以及一第二端；该全桥式交直流转换装置包含有：
一滤波电路，具有一输入侧以及一输出侧，该输入侧与该电源电性连接，而该输出端则包含有一第一输出端以及一第二输出端；
四个开关组，分别为一第一开关组、一第二开关组、一第三开关组以及一第四开关组，且各别包含有一主动式开关及一二极管，该二极管与该主动式开关并联，且该二极管的负极形成各开关组的一第一端，而该二极管的正极形成各开关组的一第二端；其中，该第一开关组的第二端与该滤波电路的第一输出端电性连接；该第二开关组的第一端与该第一开关组的第一端电性连接，且该第二开关组的第二端与该滤波电路的第二输出端电性连接；该第三开关组的第一端与该第一开关组的第二端以及该滤波电路的第一输出端电性连接，且该第三开关组的第二端与该负载的第二端电性连接；该第四开关组的第一端与该第二开关组的第二端以及该滤波电路的第二输出端电性连接，且该第四开关组的第二端与该第三开关组的第二端以及该负载的第二端电性连接；
一第一电容，其一端与该第二开关组的第一端电性连接，而另一端则与该负载的第一端电性连接；
一第二电容，其一端与该负载的第一端电性连接，另一端与该负载的第二端电性连接；以及
一第一电感，其一端与该第二开关组的第一端电性连接，而另一端则与该负载的第一端电性连接。
2.根据权利要求1所述全桥式交直流转换装置，其中，该滤波电路包含有一第二电感、一第三电感以及一第三电容；该第二电感一端与该电源一端电性连接；该第三电感一端与该第二电感的另一端电性连接，而该第三电感的另一端则形成该第一输出端；该第三电容一端电性连接至该第二电感与该第三电感之间，另一端则与该电源另一端电性连接并形成该第二输出端。
3.根据权利要求1所述全桥式交直流转换装置，其中，该滤波电路包含有一第二电感；该第二电感一端与该电源一端电性连接，另一端则形成该第一输出端；该电源的另一端则形成该第二输出端。
4.根据权利要求1所述全桥式交直流转换装置，其中，该第一电容为无极性电容。
5.根据权利要求1所述全桥式交直流转换装置，其中，该第二电容为非电解电容。
6.根据权利要求2或3所述全桥式交直流转换装置，其中，该第三电容为无极性电容。
7.根据权利要求1所述全桥式交直流转换装置，其中，该主动式开关为晶体管。
8.根据权利要求7所述全桥式交直流转换装置，其中，该主动式开关为金属氧化物半导体场效应晶体管。
9.一种全桥式交直流转换方法，适用于如权利要求1所述的全桥式交直流转换装置；该全桥式交直流转换方法包含有下列步骤：
A当该电源为正半波时：
A-1导通该第三开关组与该第四开关组的主动式开关，并截止该第一开关组与该第二开关组的主动式开关，使该滤波电路储能，且使该第一电容与该第一电感共振，而导通该第一开关组与该第二开关组的二极管，并对第二电容释能，使该第二电容供电予该负载；
A-2导通该第一开关组与该第四开关组的主动式开关，且截止该第二开关组与该第三开关组的主动式开关，并对第一电容与该第一电感的共振电路及第二电容释能，以使该滤波电路的储能逐渐归零；
A-3当该滤波电路的储能归零时，导通该第一开关组与该第四开关组的主动式开关，并截止该第二开关组与该第三开关组的主动式开关，使该第一电容与该第一电感共振，而导通该第二开关组与该第三开关组的二极管，并持续对第二电容释能；
B当该电源为负半波时：
B-1导通该第一开关组与该第二开关组的主动式开关，并截止该第三开关组与该第四开关组的主动式开关，使该滤波电路储能，且使该第一电容与该第一电感共振，导通该第三开关组与该第四开关组的二极管，并对第二电容释能，使该第二电容供电予该负载；
B-2导通该第二开关组与该第三开关组的主动式开关，且截止该第一开关组与该第四开关组的主动式开关，并对第一电容与该第一电感的共振电路及第二电容释能，以使该滤波电路的储能逐渐归零；
B-3当该滤波电路的储能归零时，导通该第二开关组与该第三开关组的主动式开关，并截止该第一开关组与该第四开关组的主动式开关，使该第一电容与该第一电感共振，导通该第一开关组与该第四开关组的二极管，并持续对第二电容释能。
10.根据权利要求9所述的全桥式交直流转换方法，其中，当该电源为正半波时，重复执行步骤A-1至步骤A-3。
11.根据权利要求9所述的全桥式交直流转换方法，其中，当该电源为负半波时，重复执行步骤B-1至步骤B-3。
12.根据权利要求9所述的全桥式交直流转换方法，其中，于步骤A-1至步骤A-3中，以柔性切换的方式，导通或截止该第一开关组与该第三开关组，并以刚性切换的方式，导通或截止该第二开关组与该第四开关组。
13.根据权利要求9所述的全桥式交直流转换方法，其中，于步骤B-1至步骤B-3中，以柔性切换的方式，导通或截止该第一开关组与该第三开关组，并以刚性切换的方式，导通或截止该第二开关组与该第四开关组。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| AD01 | Patent right deemed abandoned |
Effective date of abandoning: 20180209 |
|
| AD01 | Patent right deemed abandoned |