CN104682734B - 电源转换电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电源转换电路，用于向感性负载提供电源，包括转换电路、开关电路、电感、控制电路以及能量存储电路。转换电路将交流电转换为直流电。开关电路包括连接至控制电路的控制端口及分别连接至转换电路及能量存储电路的第一及第二受控端口。控制电路用于控制两个受控端口交替地断开及导通。电感在开关电路导通的时段内存储能量并其断开的时段内向感性负载及能量存储电路释放能量。能量存储电路用于在开关电路导通的时段内向感性负载释放能量。由于开关电路的作用，向感性负载充电时间可被控制得较短以使存储能量较小，因此可以较快释放完，不存在需要释放大量放电电流而导致出现负功率的情况。因此，有利于能源的有效利用率。

Description

电源转换电路
技术领域
本发明涉及电源转换电路，尤其涉及一种可用于无刷直流电机的驱动电路中并且可减少电流相移,减少负功率的情况,提高有效输出功率的电源转换电路。
背景技术
无刷直流电机的定子或转子上缠绕有线圈，其为电感性元件。该电机可通过一个将交流转换为直流的电源转换电路连接至一个交流电源。请结合图1，该电机在接通电源瞬间，电流进入无刷直流电机定子的线圈，能量存储在由线圈所产生的磁场中。由于线圈是感性负载，因此电流的相位滞后于电压的相位。电机在接通电源瞬间，电机是静止的，线圈是没有生反电动势，随着电源电压逐渐加大，电流进入线圈产生动力,电机开始转动,线圈便产生电动势VB。由于在电源电压大于反电动势VB这个较长的时段内感性负载一直被充电，所以其存储的能量较大。当电源电压降低至反电动势VB时，电源停止供电，同时存储在感性负载中的能量开始释放。一般放电周期会延续至交流电压经过零点电压之后，如阴影部分所示。然而这部分电流却导致了负功率的出现。在这种情形下，电源的有效功率变小。如此，不但电机的有效输出降低了，而且导致了负功率的出现，使得部分电能回流电网。由于电网有电阻，所以回流的电流会消耗能量，浪费能源。
发明内容
有鉴于此，本发明提供种可减少电流相移的电源转换电路。
一种电源转换电路，用于向感性负载提供电源，该电源转换电路包括转换电路、第一电感、开关电路、控制电路以及能量存储电路。该转换电路用于将交流电转换为直流电，并包括用于连接至一个交流电源的第一及第二输入端，以及用于输出直流电的第一及第二直流端。该第一电感包括第一及第二连接端，该第一连接端连接第一直流端。该开关电路包括控制端及由控制端控制相互导通与否的第一及第二受控端，该第一、二受控端分别连接第二连接端及第二直流端。该控制电路连接至该控制端，并用于产生控制信号使该第一、二受控端交替地断开及导通。该能量存储电路，其连接至该第二连接端及第二直流端，并包括用于连接该驱动电路的第一及第二输出端。该电感用于在该第一、二受控端导通的时段内存储能量，并在其断开的时段内向该感性负载及该能量存储电路释放能量；该能量存储电路用于在该第一、二受控端导通的时段内向该感性负载释放能量。
本发明的能量存储电路中由于开关电路是交替地断开及导通，能量存储电路及感性负载的充电时间可被控制得较短，感性负载存储的能量便会比较小，因此可以较快释放完。如此，不存在像背景技术中由于感性负载需要释放大量能量而导致出现负功率的放电电流（阴影部分）。因此，上述电源转换电路的负功率较小，有效功率较大，有利于提升电机的有效输出及降低电网中的损耗，从而减少能源的浪费。另外，在开关电路断开时，能量存储电路中存储的电压等于直流输出电压与第一电感上的感应电压之和，从而可增大输出至电机的电压。
为了能更进一步了解本发明的特征以及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，然而所附图仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制。
附图说明
图图1是现有技术下，交流电源的电压、电流与功率的波形示意图。
图2是本发明的电源转换电路的模块示意图。
图3是本发明第一实施方式的电源转换电路的原理示意图。
图4是图3的电路中交流电源的电压及电流波形示意图。
图5是本发明第二实施方式的电源转换电路的原理示意图。
图6是图5的电路中交流电源的电压及电流波形示意图。
具体实施方式
下面结合附图，通过对本发明的具体实施方式详细描述，将使本发明的技术方案及其他有益效果显而易见。附图仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制。
请参阅图2，本发明的电源转换电路10用于向无刷直流电机的H桥驱动电路62提供电源。电源转换电路10包括一个转换电路20、一个第一电感L1、一个开关电路30、一个控制电路40以及一个能量存储电路50。
转换电路20用于将交流电转换为直流电，包括第一输入端21、第二输入端22、第一直流端23以及第二直流端24。第一及第二输入端21、22用于连接至一个交流电源61。第一及第二直流端23、24用于输出直流电。
开关电路30包括控制端33及由控制端33控制相互导通与否的第一受控端31及第二受控端32。控制电路40连接至控制端33，并用于产生控制信号使第一及第二受控端31、32之间交替地断开及导通。第一电感L1具有第一连接端25及第二连接端26，分别连接至转换电路20与开关电路30。在本实施方式中，第一连接端25连接至第一直流端23，第二受控端32连接至第二直流端24。
能量存储电路50连接至第二连接端26及第二直流端24，并包括用于连接H桥驱动电路62的第一输出端51及第二输出端52。电感L1用于在第一及第二受控端31及32导通的时段内存储能量，并在其断开的时段内向H桥驱动电路62及能量存储电路50释放能量。能量存储电路50用于在该第一及第二受控端31及32导通的时段内向H桥驱动电路62释放能量，以维持无刷直流电机的运行。
下面通过多个实施方式来解释本发明的工作原理及其有益效果。
第一实施方式
请结合图3，本发明第一实施方式的电源转换电路10中的转换电路20可以为一个半桥式的二极管整流桥（图未示）。开关电路30可以是BJT或MOSFET晶体管，其集电极及射极（或者漏极及源极）为上述第一及第二受控端31及32，其基极（或者栅极）为上述控制端33。第一受控端31通过第一电感L1连接至第一直流端23，第二受控端32连接至第二直流端24。控制电路40可以包括PWM信号发生器或者单片机等信号发生器。
能量存储电路50包括一个第二电容C2以及一个二极管D。第二电容C2连接在第一、二输出端51、52之间。二极管D连接在第一输出端51以及第二连接端26之间，第二输出端52直接连接至第二直流端24。在其它实施中，二极管D也可连接在第二电容C2的另一侧，如图3中的用虚线表示的二极管所示。既是说，第一、二输出端51、52之一通过二极管D连接至第二连接端26及第二直流端24之一，另一个输出端直接连接至第二连接端26及第二直流端24中的另一个端。
H桥驱动电路62包括4个开关，该4个开关两两串联在第一及第二输出端51及52之间，电机连接至相串联的两个开关之间的节点。H桥驱动电路62中的开关由一个控制器控制其导通的顺序，以使电机正常运转。该控制器可以集成在上述控制电路40中。
请再结合图4，工作过程中，转换电路20将交流电源61的交流电转换为直流电，并将直流电从第一及第二直流端23、24输出。交流电源61的电压可通过第一电感L1及能量存储电路50加载至无刷直流电机，此时无刷直流电机转到，线圈产生反电动势VB。当交流电源61所加载的电压逐渐增大至大于反电动势VB时（图中A点处），交流电源开始供应电流，在此（A点处）之前，交流电源处没有电流。
在交流电源的电压处于大于反电动势VB的时段内（A，B点之间），交流电源保持着供电的状态。在任何时段内，开关电路30受控制电路40的控制保持交替地断开及导通的状态。当第一及第二受控端31、32相互导通，即开关电路30导通时，交流电源61通过转换电路20、第一电感L1以及开关电路30形成回路，这个过程中第一电感L1被充电，交流电源61的电流逐渐增大。在开关电路30断开时，第一电感L1呈现出来的极性与转换电路20输出的直流电压的极性方向相同，直流电压与第一电感L1的电压相互叠加，并通过能量存储电路50的二极管D及第二电容C2形成第一回路，为第二电容C2充电；同时还通过能量存储电路50的二极管D、H桥驱动电路62及该电机形成第二回路，为电机供电。当开关电路30再导通时，交流电源61通过转换电路20、第一电感L1以及开关电路30形成回路为第一电感L1充电；同时，第二电容C2向H桥驱动电路62及电机放电，以维持电机的正常运转。当开关电路30再次断开时，又重复出现上述第一次描述开关电路30断开时的情况，如此循环。
当交流电压下降至与反电动势VB相等时（B点处），甚至交流电源电压到达过零点后，若直流电机的线圈内存储有能量（即电感性负载中仍存在电压），当开关电路30断开时，直流电机中存储的能量通过H桥驱动电路62回流至交流电源。该放电周期与开关电路30的开关频率及开关电路30导通时间的长短（对应控制电路40的控制信号的占空比）有关。
由于开关电路30是交替地断开及导通，能量存储电路50及直流电机的线圈（感性负载）充电时间可被控制得较短（及开关电路30关闭的比例较高，对应控制信号的占空比较高），感性负载中存储的能量也比较小，因此可以较快地释放完。如此，不存在像背景技术中由于感性负载（直流马达）需要释放大量能量而产生的导致出现负功率的放电电流（阴影部分）。因此，上述电源转换电路10的负功率较小，有利于提升电机的有效输出及降低电网中的损耗，从而提高能源的有效利用率。
另外，由于第一电感L1放电时的第一电感的电压与转换电路20输出的直流电压相互叠加，因此，叠加后加载在电机上的电压比交流电源61的电压要高，有助于驱动更高电压的马达。可见，开关电路30开关的频率越高和/或占空比越高，负功率便较小。关于开关频率，下述实施方式将不再赘述。
优选地，第一及第二直流端口23、24之间还连接有一个滤波电路，用于对从第一及第二直流端口23、24输出的直流电进行滤波。在本实施方式及下述实施方式中，滤波电路均包括一个第一电容C1。当然，滤波电路也可以是LC电路，其中的电感连接在电容与桥式的二极管整流桥之间；或者仅是电感，下面的实施方式将不再赘述。
在对应A，B点之间的过程中，调节开关电路30导通时间的长短（对应控制电路40的控制信号的占空比）可控制电机的转速。同时，在这个过程中，控制电路40的控制信号的占空比越大（即，开关电路30开启的时间越长），直流电机的线圈（感性负载）中存储的能量越小，其在B点后所能释放的能量也越少，负功率便越小。
第二实施方式
请结合图5，本发明第二实施方式的电源转换电路10b与上述第一实施方式的电源转换电路10的不同之处在于能量存储电路50b。第二实施方式的转换电路50b除了第一实施方式中的二极管D及第二电容C2，还包括一个第三电容C3及一个第二电感L2。第三电容C3连接在第二连接端26与二极管D之间，第二电感L2连接在第二直流端24与第三电容C3靠近第一输出端51的一端（即第三电容C3与二极管D连接的一端）之间。
请再结合图6，工作过程中，同上所述，当无刷直流电机在转动而产生反电动势并且交流电源61的电压逐渐增大至大于反电动势VB时（图中A点处），交流电源开始供应电流。在交流电源的电压处于大于反电动势VB的时段内（A，B点之间），在开关电路30断开时，交流电源61通过转换电路20、第一电感L1、第三电容C3及第二电感L2形成第一回路；通过转换电路20、第一电感L1、第三电容C3、二极管D及第二电容C2形成第二回路；通过转换电路20、第一电感L1、第三电容C3、二极管D、H桥驱动电路61及该电机形成第三回路。上述三个回路在第三电容C3充满电后截止，这个过程中第二电容C2及第三电容C3被充电。在开关电路30导通时，交流电源61通过转换电路20、第一电感L1及开关电路30形成回路为第一电感L1充电；第三电容C3通过开关电路30向第二电感L2放电以使第二电感L2存储其（部分）能量；同时第二电容C2向电机供电。在开关电路30断开时，第一电感L1、第三电容C3及第二电感L2的极性方向如图5所示，使用叠加原理(superposition theory)把电路网络中的电压源叠加起来，通过叠加原理计算出的结果便是加载在电机上的电压，以向电机供电。在第二电感L2及第二电容C2放完电后，又重复出现上述第一次描述开关电路30断开时的情况，如此循环。
由于开关电路30是交替地断开及导通，能量存储电路50的元件及直流电机的线圈（感性负载）充电时间可被控制得较短，感性负载中存储的能量便会比较小，因此可以较快地释放完。如此，不存在像背景技术中由于感性负载（直流马达）需要释放大量能量而产生的导致出现负功率的放电电流（阴影部分）。因此，上述电源转换电路10的负功率较小，有利于提升电机的有效输出及降低电网的损耗，从而提高能源的有效利用率。
另外，第二实施方式的电路中，在控制电路40产生的控制信号占空比较大（开关30的闭合时间比断开的时间长）的情况下，在上述第一次描述开关30闭合的时段中，第三电容C3上的电压很快下降，同时由于充电时间长，第一电感L1及第二电感L2上的电压也较大。如此，上述第二次描述开关30断开的时段中，所减去的第三电容C3的电压很小，此时由第一电容C1、第一电感L1及第二电感L2三个电压的叠加，输出电压比第一实施方式更大。相反地，控制电路40产生的控制信号占空比较小（开关30的闭合时间比断开的时间短）的情况下，在上述第一次描述开关30断开的时段中，由于断开时间较长，第三电容C3的电压上升要比第一电感L1及第二电感L2快，既是说，第三电容C3的电压可以比第一电感L1及第二电感L2的电压之和大。如此，在上述第一次描述开关30闭合的时段中，由于闭合的时间短，第三电容C3下降的电压也较小。后续几个电压同时加载至电机时，极性方向相反的第三电容C3上的电压最终会导致输出端上的电压比第一电容C1的电压还小。因此，本电路还可通过控制占空比来产生不同电压驱动不同的电机。
需要指出的是，在本发明中，除非指出是直接连接，在只说明两者之间连接的情况下，不排除所述两者之间不直接连接的情况。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种电源转换电路，用于向感性负载供电，包括：
转换电路，其用于将交流电转换为直流电，并包括用于连接至一个交流电源的第一及第二输入端，以及用于输出直流电的第一及第二直流端；
第一电感，其包括第一及第二连接端，该第一连接端连接第一直流端；
开关电路，其包括控制端及由控制端控制相互导通与否的第一及第二受控端，该第一、二受控端分别连接第二连接端及第二直流端；
控制电路，其连接至该开关电路的控制端，并用于产生控制信号使该第一、二受控端交替地断开及导通，其中，所述控制电路控制所述开关电路导通的比例高于开关电路断开的比例；及
能量存储电路，其连接至该第二连接端及第二直流端，并包括用于连接至该感性负载的驱动电路的第一及第二输出端；
该电感用于在该第一、二受控端导通的时段内存储能量，并在其断开的时段内向该能量存储电路及该感性负载释放能量；当交流电源的电压下降至与感性负载的反电动势相等或低于反电动势，感性负载中存储的能量回流至交流电源。
2.如权利要求1所述的电源转换电路，其特征在于，该控制电路包括PWM信号发生器。
3.如权利要求1所述的电源转换电路，其特征在于，还包括连接在第一及第二直流端之间的滤波电路。
4.如权利要求3所述的电源转换电路，其特征在于，该滤波电路包括连接在第一及第二直流端之间的第一电容。
5.如权利要求1至4任一项所述的电源转换电路，该能量存储电路包括连接在该第一、二输出端之间的第二电容。
6.如权利要求5所述的电源转换电路，其特征在于，该能量存储电路还包括二极管；该第一、二输出端之一通过该二极管连接至该第二连接端与该第二直流端之一，另一个输出端直接连接至该第二连接端与该第二直流端中的另一个。
7.如权利要求5所述的电源转换电路，其特征在于，该能量存储电路还包括连接在该第二连接端与第一输出端之间的第三电容以及连接在该第二直流端与该第三电容靠近该第一输出端的一端之间的第二电感。
8.如权利要求7所述的电源转换电路，其特征在于，该能量存储电路还包括二极管；该第一、二输出端之一通过该二极管连接至该第三电容靠近该第一输出端的一端与该第二直流端之一，另一个输出端直接连接至该第三电容靠近该第一输出端的一端与该第二直流端中的另一个端。
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