CN104871421A - 单级开关电源 - Google Patents

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Abstract

一种单级开关电源，包括：双源整流单元(501)，用于将交流电源输入的交流电转换为至少两路直流源，第一直流源(606)和第二直流源(607)；复合开关单元，至少包括第一开关电路(603)和第二开关电路(605)，用于分别对第一直流源(606)和第二直流源(607)进行功率转换，共同输出直流电，第一直流源(606)通过一储能电容(604)接入第一开关电路(603)，第一开关电路(603)为任一可实现开关电路功能的电路，第二开关电路(605)为具有反激式开关电路功能的电路。该单级开关电源在具有完整的功率因数校正和输出保持时间的同时，进一步地提升了电源转换效率。

Description

单级开关电源 技术领域
本发明关于单级开关电源， 具体的讲是一种单级开关电源。 背景技术
电能在人类能源利用种类中是使用最广泛、 最便利的能源。 随着世界能 源消耗的加快， 对电能的利用效率， 特别是对提升电力电子转换电源的工作 效率， 亦日益得到重视。 作为用电设备的入口电源， 其能效对设备总体的能 效影响甚大， 入口电源的能效提不高， 设备整体的电能效率只会比它低， 而 不会比它高。
图 1至图 4为现有的四种典型的单管、 单级高频开关电源拓扑电路应 用方案， 基本上只是用于小功率的 AC/DC开关电源。 其中最简单的方案 如图 1所示， 带有有源钳位网络 101， 其显著缺点是不易用于低电压， 大 电流的场合， 因为输出储能电容的电压太低， 钳位网络的控制会较复杂， 且还会有少量的损失； 图 2所示的方案存在的问题在于电路中多了两个功 率二极管， 增加了体积和成本， 和钳位网络的损耗； 图 3所示的方案的问 题在于不完全属于单级， 而是单级半， 其功率因素不容易校正， 功率开关 开通时， 也还要承受来自电感和变压器的两倍的电流应力， 加重了导通时 的损耗； 图 4所示的方案带有无源钳位网络 102， 效率做不高， 还多了一 对功率二极管， 增加了损耗， 体积和成本， 同样地情况是， 功率开关开通 时， 也还要承受来自电感和变压器的两倍的电流应力， 加重了导通时的损 耗。
一个能够满足了现代高频开关电源管理规范中多项高端要求的高转换 能效， 高工程指标的高频开关电源， 多少具备交错式、 单级、 软开关、 同 歩整流， 输出管理， 等多项行业前沿技术。 然而， 当下的单级高频开关电 源的性能， 始终未有普适性地有效地提升， 也就意味着产业化和商品化难 以实施。 发明内容
本发明实施例提供了一种单级开关电源， 所述的单级开关电源包括： 双源整流单元， 用于将交流电源输入的交流电转换为至少两路直流源， 第一直流源和第二直流源；
复合开关单元， 至少包括第一开关电路和第二开关电路， 用于分别对第 一直流源和第二直流源进行功率转换， 共同输出直流电， 第一直流源通过一 储能电容接入第一开关电路， 第一开关电路为任一可实现开关电路功能的电 路， 第二开关电路为具有反激式开关电路功能的电路。
通过使用本发明具有单级双源拓扑， 无损钳位， 多相交错开关， 双源控 制集成的开关电源， 在具有完整的功率因素校正和输出保持时间的同时， 进 一歩地提升了电源转换效率。
为让本发明的上述和其他目的、 特征和优点能更明显易懂， 下文特举较 佳实施例， 并配合所附图式， 作详细说明如下。 附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案， 下面将对实 施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍， 显而易见地， 下面 描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例， 对于本领域普通技术人员来讲， 在不付出创造性劳动性的前提下， 还可以根据这些附图获得其他的附图。
图 1为现有的一种开关电源拓扑电路图；
图 2为现有的一种开关电源拓扑电路图；
图 3为现有的一种开关电源拓扑电路图；
图 4为现有的一种开关电源拓扑电路图；
图 5为本发明单级开关电源的结构框图； 图 6为本发明单级开关电源的一种拓扑电路原理图；
图 7为本发明单级开关电源中的电流电压的图示关系；
图 8为本发明单级开关电源的一种拓扑电路原理图；
图 9为本发明单级开关电源的一种拓扑电路原理图；
图 10为本发明单级开关电源的一种拓扑电路原理图；
图 11为本发明单级开关电源一实施例的电路图；
图 12为本发明一实施例中的单相单级开关双源控制集成电路图； 图 13为本发明单级开关电源又一实施例的电路图；
图 14为本发明又一实施例中的双相单级开关双源控制集成电路图。 具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图， 对本发明实施例中的技术方案进行 清楚、 完整地描述， 显然， 所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例， 而 不是全部的实施例。 基于本发明中的实施例， 本领域普通技术人员在没有做 出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例， 都属于本发明保护的范围。
本发明公开了一种单级开关电源， 如图 5所示为本发明公开的单级开关 电源的结构框图， 本发明公开的单级开关电源包括： 双源整流单元 501， 用 于将交流电源输入的交流电转换为两路直流源， 分别为第一直流源和第二直 流源； 复合开关单元 502， 包括第一开关电路 5021和第二开关电路 5022， 用于分别对第一直流源和第二直流源进行功率因素校正， 输出校正后的直流 电， 第一直流源通过一储能电容接入第一开关电路， 第二开关电路为反激式 开关电源。 本实施例中双源整流单元 501包括： 两个整流桥， 两整流桥的交 流输入端并联， 直流输出负端并联， 从而实现将输入的交流电转换为两路直 流源。 本发明的单级开关电源还包括： 汇流单元 503， 用于将通过复合开关单 元 502的充电电流馈入交流电源形成闭合回路； 双源控制单元 504， 用于控 制复合开关单元 502的第一开关电路和第二开关电路。
如图 6所示， 为本发明的单级开关电源的拓扑电路原理图， 将整流桥 601， 整流桥 602的交流输入端并联， 直流输出负端并联， 形成双源整流网 络， 其中有两个交流输入电极和三个直流输出电极， 用于从单相交流电源中 产生两路直流电源， 分别为直流源 606， 直流源 607， 其中一路直流源 606 中带有输入储能大电容 604， 称为储能源， 另一路直流源 607则没有， 称为 交变源， 从而形成了双源直流供电源。 直流源 607通过反激开关拓扑电路 605， 将交流电转换为直流电； 直流源 606通过开关拓扑电路 603将储能大 电容 604中的电能转换为直流电， 其中开关拓扑电路 603为任意开关拓扑电 路， 开关拓扑电路 603可以为正激式， 反激式， 推挽式， 桥式或任一可实现 开关电路功能的电路； 两个开关拓扑电路的输出以并联的方式输出直流电 會^ 并储存在输出电容 609中。
本发明的单级开关电源还包括工频汇流网络， 由测量电阻和汇合测量电 阻组成。 两个电阻构成串联， 串联后的一端接入双源整流输出的电压负端， 另一端接线汇入工频交变电流 IPFC， 电阻串的中间点接线汇入工频充电电流 ICH(3。 流过开关拓扑电路 603的工频充电电流为 ICH(3， 反映了交流电对储能 大电容 604的充电电流； 流过开关拓扑电路 605的工频交变电流为 IPrc， 反 映了电源对交流电流的调控电流； 开关电源总体的通过电流为 IAC， 三者之 间的定量关系为下述公式：
三者之间的图示关系为图 7所示。 其中， 储能源的电压 VCHQ， 基本上为 脉动直流电源； 交变源的电压 VAC则为跟随交流电源的全波直流电源。 图中 可见充电电流 ICH(3的大小和形状仅由电源负载的状况决定； 开关电源总体 的通过电流 IAC由电源负载的状况和功率因素要求同时决定； 而开关拓扑电 路交变电流 IPrc则由上述两种电流唯一地确定， 用方程表达即为：
开关拓扑电路交变电流 iPrc成为决定了双源电源控制器的目标函数之 一。 这就是双源开关拓扑电路功率因素校正的原理所在之处。
双源整流拓扑至少有四种结构不同的拓扑电路， 如图 8、 图 9、 图 10所 示。 其中图 6中为由八个二极管构成的双源整流拓扑； 图 8为由五个二极管 构成的双源整流拓扑； 图 9为由两个二极管构成的双源整流拓扑； 图 10为 由六个二极管构成的双源整流拓扑。
本发明中的反激式开关电路工作期间， 初级线圈上产生的瞬变电压能量 应当由钳位电路得以抑制， 本发明实施例中的钳位网络为初级无损钳位网络 或次级无损钳位网络， 用于抑制第二开关电路的开关管关断过程中的瞬变电 压。 次级无损钳位网包括： 串联连接的电感和电容， 电感一端连接到所述第 二开关电路的变压器的次级线圈的输出端， 电感的另一端与电容的一端相连 接， 电容的另一端接次级的输出地。 初级无损钳位网包括： 串联连接的电感 和电容， 电感为变压器上的一段线圈， 其一端连接到第二开关电路的初级线 圈与开关管的连接处， 电感的另一端与电容的一端相连接， 电容的另一端接 初级的输入地。 下面结合具体的电路对本发明实施例做进一歩详细说明。
实施例一
一种双源单相单级 AC/DC电源电路， 如图 11所示， 本实施例的双源单 相单级 AC/DC电源电路包括： 交流整流桥 1101和交流整流桥 1102， 大容 量储能电容 1103， 变压器 1104a和变压器 1104b， 初级无损钳位网络
1106， 功率开关管 1108和功率开关管 1109， 单相单级开关双源控制集成电 路。 交流电经过双源交流整流桥 1101和整流桥 1102整流后分解为两路直流 电源， 本实施例中将两路直流源称为储能电源 1111和交变电源 1112。 储能 电源电路中带有输入储能大电容 1103， 交变电源电路中则没有， 从而形成 双源直流供电源。 每个直流源接入各自的变压器 1104a, 变压器 1104b中的 初级线圈， 两初级线圈的另一端连接各自的开关管 1108和 1109， 形成两路 单开关电路。 接入交变电源的开关电路采用反激式开关电源拓扑， 或双相交 错反激式开关电路或任意可实现反激式开关电路功能的电路， 或它们的相互 并联所组成的开关电路以便于调整电源的功率因素性能， 同时也为了承担约 电源总功率一半的电源转换功率； 接入储能电源的开关电路可采用任何已知 的开关电源拓扑， 如正激式， 反激式， 推挽式， 或桥式， 或它们的相互并联 所组成的开关电路， 即任意可实现开关电路功能的电路均可， 此处采用了反 激式开关电源拓扑电路， 是为了提升电源的输出特性， 特别是低电压， 大电 流输出的性能， 和保障输出保持时间， 同时也为了承担约电源总功率一半的 电源转换功率， 同时为一直该开关电路开关管的顺便电压， 本实施例中采 用， 次级无损钳位网络 1107对开关管关断过程中的瞬变电压进行抑制。
直流输出电压 1113， 通过输出取样网络 1114中的光耦元件传递给初级 侧的反馈复合信号网络 1151， 并与零电流检测信号 1115汇合成为一个同歩 复合信号 SYN, 接入控制器 1120后， 再由其中的解耦电路恢复出原有的零 电流检测信号 1115和直流输出电压 1113的光耦采样信号， 单相单级开关双 源控制集成电路根据采样信号同时实现对两路开关电路的控制， 节省了一个 信号接入资源。
储能电源 1111的开关电路的充电电流 ICH(3流过电流采样电阻 1116， 交 变电源 1112的开关电路的功率因素控制电流 IPrc流过电流采样电阻 1117， 这两个电流汇合后流入交流电源。 交流电流的信号采样间接地取自于交变电 压的采样信号 VAC, 功率因素控制电流采样 CS取自于汇流网络 1150中的 采样电阻 1116和采样电阻 1117上的电压之和， 从而使得单相功率因素控制 电流公式表达式： IPFC = IAc - IcHe得以满足， 从而可以获得可设定的功率 因素校正效果。
本发明单级开关电源的初级无损钳位网络 1106的详细工作原理： 初级无损钳位网络 1106包括： 串联连接的电感和电容， 电感为变压器 的变压器 1104b初级线圈上的一段， 其一端连接到初级线圈与开关管 1108 的连接处， 电感的另一端与电容的一端相连接， 电容的另一端接变压器 1104b初级线圈的输入地。 当开关管 1108开通时， 流过其中的电流除了变 压器 1104b初级线圈的储能电感电流外， 另外包含了钳位网络 1106中电容 对钳位网络中电感的放电电流， 此时电容上所吸收的电能得以无损地转换为 电感的磁能， 与初级线圈的储能电感电流一同贡献给储能过程。 当开关管 1108关断时， 变压器 1104b初级线圈上的瞬态反弹电势的电能， 通过钳位 网络中的电感， 储存于钳位网络中的电容上， 实现了无损抑制瞬态反弹电势 的电能； 另由于钳位网络中的电感与其变压器 304b初级线圈处于同一磁 体， 但感应电势极性相反， 此时刻的电感电势有利于进一歩抑制瞬态反弹电 势的电能。
本发明单级开关电源的次级无损钳位网络 1107的详细工作原理： 当开关管 1109开通时， 变压器 1104a初级线圈处于储能时刻， 其次级 线圈中没有电流， 此时钳位网络 1107中的储能电容上所储存的电能释放给 电感， 电容上所吸收的电能得以无损地转换为电感中的电流， 与电感中的磁 能的电流一同贡献给输出负载。 当开关管 1109关断时， 变压器 1104a初级 线圈的瞬态反弹电势的电能， 通过次级线圈， 耦合到了钳位网络 1107中的 储能电容上， 反弹电势的电能被电容以储能的方式快速地吸收， 实现了无损 抑制开关 1109上瞬态反弹电势的电能。
本实施例中功率开关管 1108在关断过程中出现的瞬变电压， 由一个初 级无损钳位网络 1106来抑制； 所述的钳位网络 1106由一个电容和一个电感 组成， 形成该电感的线圈与变压器 1104b共享相同的磁路， 其中的电容用作 于快速地吸收瞬变上升的电压， 其电感用作于在变压器储能期间， 回收电容 上所吸收的瞬变电压能量给变压器储能， 其钳位效果可由电容量的大小来调 整。 本实施例中功率开关管 1109在关断过程中出现的瞬变电压， 由一个次 级无损钳位网络 1107来抑制， 其中的电容用于快速地吸收变压器 1104a初 级耦合到次级的瞬变上升的电压， 其电感用于在变压器非输出期间， 回收电 容上所吸收的瞬变电压能量给输出保持电容 1110， 其钳位效果也可由电容 量的大小来调整。 由于所述的两种钳位网络中， 没有耗能元件参与能量的储 存和恢复， 因此所述的两种钳位网络均为无损钳位网络。
如图 12所示为本实施例中的单相单级开关双源控制集成电路 1120， 包 括至少一个反激式开关电源控制器 1122， 如常用的集成电路型号为 L6562 或类似的控制器， 和一个反激式开关电源控制器 1123， 如常用的集成电路 型号为 UC3842或类似的控制器， 和一个反馈信号解耦器 1124组成。 控制 器 1122用于控制功率开关 1108， 控制器 1123用于控制功率开关 1109， 反 馈信号解耦器 1124用于将反馈复合信号 SYN, 还原为零电流检测信号 ZCD 和输出电压反馈信号 FB。
实施例二
一种双相交错单级 AC/DC电源电路， 如图 13所示， 至少由双源交流整 流桥 1301和 1302， 大容量储能电容 1303， 一个双相交错反激式开关拓扑电 路 1304， 一个任何一种的开关拓扑电路 1305， 一个可选的任何一种的开关 拓扑电路 1306作为待机电源， 和一个双相交错单级开关双源控制集成电路 组成。 双相交错单级开关双源控制集成电路如图 14所示。 交流电经过双源 交流整流桥 1301和 1302整流后分解为两路电源， 储能电源和交变电源。 储 能电源电路中带有输入储能大电容 1303， 交变电源电路中则没有， 从而形 成双源直流供电源。 接入交变电源的开关电路只能采用双相交错反激式开关 电源拓扑， 以便于调整电源的功率因素性能， 同时也为了承担约电源总功率 一半的电源转换功率； 接入储能电源的开关电路可采用任何一种已知的开关 电源拓扑， 如正激式， 反激式， 推挽式， 或桥式， 此处采用了 LLC谐振桥 开关电源拓扑电路， 是为了提升电源的输出特性， 特别是低电压， 大电流输 出的性能， 和保障输出保持时间， 同时也为了承担约电源总功率一半的电源 转换功率。
直流输出电压 VDC, 通过输出取样网络 1314中的光耦元件传递给初级 侧的反馈复合信号网络 1351， 并与反馈复合信号网络 1351的零电流检测信 号汇合成为一个同歩复合信号 SYN1 , 再接入图 14所示的控制器 1320后， 再由其中的解耦电路 1324a恢复出原有的零电流检测信号和直流输出电压的 光耦采样信号， 因此节省了一个信号接入资源。
待机直流输出电压 VSB, 通过输出取样网络 1344中的光耦元件传递给 初级侧的反馈复合信号网络 1352， 并与反馈复合信号网络 1352的零电流检 测信号汇合成为一个同歩复合信号 SYN2, 再接入控制器后， 再由其中的解 耦电路 1324c恢复出原有的零电流检测信号和待机直流输出电压的光耦采样 信号， 因此又节省了一个信号接入资源。
待机电源开关拓扑电路采用了反激式拓扑电路， 包括一个有两个电阻组 成的同歩复合信号网络 1353， 其开关电流采样信号 CS与零电流检测信号 ZCsb汇合成为一个复合信号 Csb， 接入控制器后， 再由其中的解耦电路 1324b恢复出原有电路 1353中的零电流检测信号 ZCsb和开关电流采样信号 CS, 因此又节省了一个信号接入资源。
储能电源 1311的开关电路的充电电流 ICH(3流过电流采样电阻 1316， 交 变电源的开关电路的功率因素控制电流 IPrc为流过电流采样电阻 1317a的电 流 IPFC— a， 和 1317b的电流 IPFC— b之和， 这三个电流汇合后流入交流电源。 交 流电流的信号采样间接地取自于交变电压的采样信号 VAC, 功率因素控制 电流采样 CSla和 CSlb分别取自于汇流网络 1350中采样电阻 1316和采样 电阻 1317a， 1317b上的电压之和， 从而使得双相交错功率因素控制电流方 程表达式：
IpFC = IAC― IcHG 得以满足， 从而可以获得可设定的功率因素校正效果。
单相单级开关双源控制集成电路 1320至少由一个双相交错反激式开关 电源控制器 1322， 如常用的集成电路型号为 FAN9612或类似的控制器， 和 一个 LLC谐振式开关电源控制器 1323， 如常用的集成电路型号为
UCC25600或类似的控制器， 和三个信号解耦器 1324a， 1324b, 1324c组 成。 控制器 1322用于控制开关拓扑电路 1304， 控制器 1323用于控制开关 拓扑电路 1305， 反馈信号解耦器 1324a用于将反馈复合信号 SYN1 , 还原为 零电流检测信号 ZCD1， 和输出电压反馈信号 FB两个信号； 反馈信号解耦 器 1324c用于将反馈复合信号 SYN2, 还原为零电流检测信号 ZCD2, 和待 机输出电压反馈信号 FBsb两个信号； 同歩信号解耦器 1324b用于将同歩复 合信号 Csb， 还原为零电流检测信号 ZCsb和待机开关电流采样信号 CS两 个信号。
由于本发明的双源开关拓扑电路， 相当于现有的两个单源开关拓扑电 路， 但两个拓扑电路的一些控制信号却是相关的。 因此， 将两个拓扑电路的 现有的控制器 1122， 1123集成为单相双源控制器 1120， 或将两个拓扑电路 的现有的控制器 1322， 1323集成为双相交错双源控制器 1320， 就能够极大 地降低双源开关拓扑电路的复杂性， 增强实用性。
本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述， 以 上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想； 同时， 对于 本领域的一般技术人员， 依据本发明的思想， 在具体实施方式及应用范围上 均会有改变之处， 综上所述， 本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (11)

  1. 权利要求书
    1、 一种单级开关电源， 其特征在于， 所述的单级开关电源包括： 双源整流单元， 用于将交流电源输入的交流电转换为至少两路直流源， 第一直流源和第二直流源；
    复合开关单元， 至少包括第一开关电路和第二开关电路， 用于分别对所 述的第一直流源和第二直流源进行功率转换， 共同输出直流电， 所述的第一 直流源通过一储能电容接入第一开关电路， 所述第一开关电路为任一可实现 开关电路功能的电路， 所述第二开关电路为具有反激式开关电路功能的电 路。
  2. 2、 如权利要求 1所述的单级开关电源， 其特征在于， 所述的双源整流 单元包括： 两个整流桥， 所述的整流桥的交流输入端并联， 两个整流桥的直 流输出负端并联， 两个整流桥的直流输出正端作为双源整流单元的两个直流 输出端。
  3. 3、 如权利要求 1所述的单级开关电源， 其特征在于， 所述的复合开关 单元包括： 初级无损钳位网络和 /或次级无损钳位网络， 用于抑制所述的第 二开关电路中的开关管关断过程中的瞬变电压。
  4. 4、 如权利要求 3所述的单级开关电源， 其特征在于， 所述的次级无损 钳位网络包括： 串联连接的电感和电容， 所述电感一端连接到所述第二开关 电路的变压器的次级线圈的输出端， 所述电感的另一端与电容的一端相连 接， 所述电容的另一端接次级线圈的输出地。
  5. 5、 如权利要求 3所述的单级开关电源， 其特征在于， 所述的初级无损 钳位网络包括： 串联连接的电感和电容， 所述电感为第二开关电路的变压器 的变压器初级线圈上的一段， 其一端连接到所述第二开关电路的初级线圈与 开关管的连接处， 所述电感的另一端与电容的一端相连接， 所述电容的另一 端接初级线圈的输入地。 6、 如权利要求 1所述的单级开关电源， 其特征在于， 所述的单级开关 电源还包括： 汇流单元， 用于将通过所述复合开关单元中流过第一开关电路 的充电电流与流过第二开关电路的开关电流馈入所述交流电源。
  6. 7、 如权利要求 6所述的单级开关电源， 其特征在于， 所述的汇流单元 包括至少两串联连接的电阻， 所述两串联电阻的一端接到双源整流单元的直 流输出负端， 另一端连接到第二开关电路中的开关管的接地端， 用于引入功 率因素校正电流， 所述两串联电阻的中间端与所述储能电容的负端相连接， 用于接收通过第一开关电路中所述储能电容的充电电流， 所述的功率因素校 正电流和通过所述储能电容的充电电流汇集为通过所述复合开关单元的汇流 电流并馈入所述交流电源。
  7. 8、 如权利要求 1所述的单级开关电源， 其特征在于， 所述的单级开关 电源还包括双源控制单元， 用于控制所述复合开关单元的第一开关电路和第 二开关电路。
  8. 9、 如权利要求 8所述的单级开关电源， 其特征在于， 所述的双源控制 单元为单相双源控制电路， 所述的单相双源控制电路包括：
    反激式开关电源控制器， 用于控制所述第二开关电路；
    第一开关电源控制器， 用于控制所述第一开关电路。
  9. 10、 如权利要求 9所述的单级开关电源， 其特征在于， 所述的单相双源 控制电路还包括： 反馈信号解耦器， 用于将反馈复合信号还原为零电流检测 信号和输出电压反馈信号。
  10. 11、 如权利要求 8所述的单级开关电源， 其特征在于， 所述的双源控制 单元为双相交错双源控制电路， 所述的双相交错双源控制电路包括：
    双相交错反激式开关电源控制器， 用于控制所述第二开关电路； 第一开关电源控制器， 用于控制所述第一开关电路。 12、 如权利要求 9所述的单级开关电源， 其特征在于， 所述的双相交 源控制电路还包括： 反馈信号解耦器， 用于将反馈复合信号还原为零电 测信号和输出电压反馈信号。
  11. 13、 如权利要求 9所述的单级开关电源， 其特征在于， 所述的双相交 源控制电路还包括： 同歩信号解耦器， 用于将同歩复合信号还原为零电 测信号和待机开关电流采样信号。
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