CN106685242B - 单级交流至直流转换器 - Google Patents

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Abstract

一种交流至直流转换器，包含一个总线电容、一个功率因数校正模块、一个谐振转换模块及一个控制模块。该功率因数校正模块根据一个交流的输入电压、一个第一控制信号及一个第二控制信号，产生一个横跨该总线电容且为直流的总线电压，及一个在该总线电压及零间切换的中间电压。该谐振转换模块根据该中间电压产生一个直流的输出电压。该控制模块根据该总线电压产生该第一控制信号及该第二控制信号。该第一控制信号及该第二控制信号中的每一个在一个有效状态及一个非有效状态间切换，且其工作比关联于该总线电压。借此该输入电压可以具有较宽的范围；且通过该总线电容充当电源转换的中继站，该输出电压可以具有较低的纹波。

Description

单级交流至直流转换器
技术领域
本发明涉及电源转换技术，特别是涉及一种单级交流至直流转换器。
背景技术
交流至直流转换器可以采用单级架构或多级架构来将一个交流的输入电压转换成一个直流的输出电压。与多级交流至直流转换器相比，单级交流至直流转换器具有较高的转换效率、较简单的控制逻辑、较少的元件及较低的成本。对于单级交流至直流转换器而言，如何同时达到输入电压具有较宽的范围及输出电压具有较低的纹波(ripple)是一个重要的课题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种单级交流至直流转换器，可以同时达到输入电压具有较宽的范围及输出电压具有较低的纹波。
本发明单级交流至直流转换器包含一个总线电容、一个功率因数校正模块、一个谐振转换模块及一个控制模块。该功率因数校正模块耦接到该总线电容，适用于接收一个交流的输入电压，还接收一个第一控制信号及一个第二控制信号，且根据该输入电压、该第一控制信号及该第二控制信号，产生一个横跨该总线电容且为直流的总线电压，及一个在该总线电压及零间切换的中间电压。该谐振转换模块耦接到该功率因数校正模块以接收该中间电压，且根据该中间电压产生一个直流的输出电压。该控制模块耦接到该总线电容以接收该总线电压，且根据该总线电压产生给该功率因数校正模块的该第一控制信号及该第二控制信号。该第一控制信号及该第二控制信号中的每一个在一个有效状态及一个非有效状态间切换，且其工作比关联于该总线电压。
本发明单级交流至直流转换器中，该控制模块在该总线电压大于一个预设的目标电压时，增加该第一控制信号的工作比，且减少该第二控制信号的工作比，而在该总线电压小于该目标电压时，减少该第一控制信号的工作比，且增加该第二控制信号的工作比。
本发明单级交流至直流转换器中，该控制模块还电连接到该谐振转换模块以接收该输出电压，且还根据该输出电压产生该第一控制信号及该第二控制信号。该第一控制信号及该第二控制信号中的每一个的切换周期关联于该输出电压。
本发明单级交流至直流转换器中，该控制模块在该输出电压大于一个预设的目标电压时，减少该第一控制信号及该第二控制信号中的每一个的切换周期，而在该输出电压小于该目标电压时，增加该第一控制信号及该第二控制信号中的每一个的切换周期。
本发明单级交流至直流转换器中，该第一控制信号及该第二控制信号具有相同的切换周期，且交替地在该有效状态。当该第一控制信号及该第二控制信号中的一个在该有效状态时，该第一控制信号及该第二控制信号中的另一个在该非有效状态。
本发明单级交流至直流转换器中，在从该第一控制信号及该第二控制信号中的一个切换到该非有效状态的每一个时点起算的一个预设的死区时段后，该第一控制信号及该第二控制信号中的另一个才切换到该有效状态。
本发明单级交流至直流转换器中，该功率因数校正模块操作在不连续导通模式。
本发明单级交流至直流转换器中，该总线电容具有一个第一端及一个第二端，该总线电压大于该输入电压的振幅，且该功率因数校正模块包括一个整流电路、一个第一开关、一个第二开关、一个升压电感及一个第三开关。该整流电路具有一个第一输入端、一个第二输入端、一个第一输出端，及一个耦接到该总线电容的该第二端的第二输出端，且从其第一输入端及其第二输入端接收该输入电压。该第一开关具有一个耦接到该总线电容的该第一端的第一端，一个耦接到该谐振转换模块的第二端，及一个耦接到该控制模块以接收该第一控制信号的控制端。该第二开关具有一个耦接到该第一开关的该第二端的第一端，一个耦接到该整流电路的该第二输出端的第二端，及一个耦接到该控制模块以接收该第二控制信号的控制端。该第二开关的跨压充当该中间电压。该升压电感及该第三开关在该整流电路的该第一输出端及该第一开关的该第二端间串联。
本发明单级交流至直流转换器中，该第一开关及该第二开关中的每一个是一个N型金氧半场效电晶体，且该第三开关是一个二极管。
本发明单级交流至直流转换器中，该升压电感耦接到该整流电路的该第一输出端，且该第三开关耦接到该第一开关的该第二端。
本发明单级交流至直流转换器中，该整流电路是一个全桥整流电路。
本发明单级交流至直流转换器中，该谐振转换模块包括一个变压器、一个谐振电容及一个整流滤波电路。该变压器包括一个一次绕组及一个二次绕组。该谐振电容与该一次绕组串联。串联的该谐振电容及该一次绕组耦接到该功率因数校正模块以接收该中间电压。该整流滤波电路耦接到该二次绕组，且提供该输出电压。
本发明单级交流至直流转换器中，该谐振转换模块还包括一个耦接在该谐振电容及该一次绕组间的谐振电感。
本发明单级交流至直流转换器中，该整流滤波电路包括在该二次绕组的两端间串联的一个开关及一个输出电容。该输出电容的跨压充当该输出电压。
本发明单级交流至直流转换器中，该开关是一个二极管。
本发明的有益效果在于：通过该控制模块根据该总线电压调整该第一控制信号及该第二控制信号中的每一个的工作比，该输入电压可以具有较宽的范围；且通过该总线电容充当电源转换的中继站，该输出电压可以具有较低的纹波。
附图说明
图1是一个电路方块图，说明本发明单级交流至直流转换器的实施例；
图2是一个时序图，说明实施例的一个第一控制信号及一个第二控制信号；
图3是一个时序图，说明实施例的操作；
图4至图9是等效电路图，分别说明实施例操作在第一模式至第六模式时的情况；
图10是一个电路方块图，说明实施例的一个的实施态样。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。
参阅图1，本发明单级交流至直流转换器的实施例适用于从一个电压源1接收一个交流的输入电压Vin，将输入电压Vin转换成一个直流的输出电压Vout，且适用于将输出电压Vout输出到一个负载2。本实施例的单级交流至直流转换器包括一个总线电容3、一个功率因数校正模块4、一个谐振转换模块5及一个控制模块6。
总线电容3具有一个第一端及一个第二端。
功率因数校正模块4耦接到总线电容3，适用于耦接到电压源1以接收输入电压Vin，还接收一个第一控制信号Vgs1及一个第二控制信号Vgs2，且根据输入电压Vin、第一控制信号Vgs1及第二控制信号Vgs2，产生一个横跨总线电容3且为直流的总线电压Vbus，及一个在总线电压Vbus及零间切换的中间电压。
在本实施例中，总线电压Vbus大于输入电压Vin的振幅，且功率因数校正模块4包括一个整流电路41、一个第一开关42、一个第二开关43、一个升压电感44及一个第三开关45。整流电路41具有适用于耦接到电压源1以接收输入电压Vin的一个第一输入端及一个第二输入端。整流电路41还具有一个第一输出端，及一个耦接到总线电容3的第二端的第二输出端。第一开关42具有一个耦接到总线电容3的第一端的第一端，一个第二端，及一个接收第一控制信号Vgs1的控制端。第二开关43具有一个耦接到第一开关42的第二端的第一端，一个耦接到整流电路41的第二输出端的第二端，及一个接收第二控制信号Vgs2的控制端。第二开关43的跨压充当中间电压。升压电感44与第三开关45在整流电路41的第一输出端及第一开关42的第二端间串联。
在本实施例中，整流电路41是一个包括四个开关(例如四个二极管)的全桥整流电路。第一开关42是一个N型金氧半场效电晶体，且此N型金氧半场效电晶体具有一个充当第一开关42的第一端的漏极、一个充当第一开关42的第二端的源极，及一个充当第一开关42的控制端的栅极。第二开关43是一个N型金氧半场效电晶体，且此N型金氧半场效电晶体具有一个充当第二开关43的第一端的漏极、一个充当第二开关43的第二端的源极，及一个充当第二开关43的控制端的栅极。升压电感44具有一个耦接到整流电路41的第一输出端的第一端，及一个第二端。第三开关45是一个二极管，且此二极管具有一个耦接到升压电感44的第二端的阳极，及一个耦接到第一开关42的第二端的阴极。
谐振转换模块5耦接到功率因数校正模块4以接收中间电压，适用于耦接到负载2，且根据中间电压产生给负载2的输出电压Vout。
在本实施例中，输出电压Vout小于总线电压Vbus，且谐振转换模块5包括一个变压器51、一个谐振电容52及一个整流滤波电路53。变压器51包括一个一次绕组511及一个二次绕组512，且一次绕组511的匝数大于二次绕组512的匝数。谐振电容52与一次绕组511在第二开关43的两端间串联，以接收中间电压。整流滤波电路53耦接到二次绕组512，且适用于耦接到负载2以提供输出电压Vout。
在本实施例中，一次绕组511及二次绕组512中的每一个具有一个第一端及一个第二端，一次绕组511的第一端及二次绕组512的第一端具有相同的电压极性，且一次绕组511的第二端耦接到第二开关43的第二端。谐振电容52耦接在第二开关43的第一端及一次绕组511的第一端间。整流滤波电路53包括一个用于整流的第四开关531及一个用于滤波的输出电容532。输出电容532并联于负载2，且第四开关531及并联的输出电容532与负载2在二次绕组512的两端间串联。输出电容532具有一个第一端，及一个耦接到二次绕组512的第一端的第二端，且其跨压充当输出电压Vout。第四开关531是一个二极管，且此二极管具有一个耦接到二次绕组512的第二端的阳极，及一个耦接到输出电容532的第一端的阴极。
参阅图1与图2，控制模块6耦接到总线电容3及输出电容532以分别接收总线电压Vbus及输出电压Vout，还耦接到第一开关42的控制端及第二开关43的控制端，且根据总线电压Vbus及输出电压Vout产生分别给第一开关42及第二开关43的第一控制信号Vgs1及第二控制信号Vgs2。第一控制信号Vgs1及第二控制信号Vgs2中的每一个在一个有效状态(例如逻辑高电平，且对应到第一开关42及第二开关43中的相对应者导通)及一个非有效状态(例如逻辑低电平，且对应到第一开关42及第二开关43中的相对应者不导通)间切换，且其工作比及其切换周期分别关联于总线电压Vbus及输出电压Vout。
在本实施例中，第一控制信号Vgs1及第二控制信号Vgs2具有相同的切换周期(其长度为Ts)，且交替地在有效状态。当第一控制信号Vgs1及第二控制信号Vgs2中的一个在有效状态时，第一控制信号Vgs1及第二控制信号Vgs2中的另一个在非有效状态。在从第一控制信号Vgs1及第二控制信号Vgs2中的一个切换到非有效状态的每一个时点起算的一个预设的死区时段(其长度为Td)后，第一控制信号Vgs1及第二控制信号Vgs2中的另一个才切换到有效状态。
在本实施例中，控制模块6在总线电压Vbus大于一个预设的第一目标电压时，增加第一控制信号Vgs1的工作比，且减少第二控制信号Vgs2的工作比，而在总线电压Vbus小于第一目标电压时，减少第一控制信号Vgs1的工作比，且增加第二控制信号Vgs2的工作比，以将总线电压Vbus稳定在第一目标电压。控制模块6还在输出电压Vout大于一个预设的第二目标电压时，减少第一控制信号Vgs1及第二控制信号Vgs2中的每一个的切换周期，而在输出电压Vout小于第二目标电压时，增加第一控制信号Vgs1及第二控制信号Vgs2中的每一个的切换周期，以将输出电压Vout稳定在第二目标电压。因此，对于第一控制信号Vgs1而言，其有效时段(其长度为Ta1)由其切换周期及其工作比决定，且对于第二控制信号Vgs2而言，其有效时段(其长度为Ta2)由其切换周期及其工作比决定。
在本实施例中，在控制模块6的控制下，功率因数校正模块4操作在不连续导通模式，以允许电压源1所提供的电流的相位追随其所提供的输入电压Vin的相位，借此得到高的功率因数。
参阅图3至图9，本实施例的单级交流至直流转换器循环地操作在第一模式至第六模式。在图4至图9中，第一开关42及第二开关43中的每一个的一个本质二极管421、431及一个寄生电容422、432被画出，用于模拟变压器51的非理想特性的一个假想的激磁电感513及一个假想的漏电感514被画出，控制模块6(见图1)没被画出，且导通的元件以实线画出，而不导通的元件以虚线画出。图3画出第一控制信号Vgs1、第二控制信号Vgs2、流经升压电感44的电流iLb、流经激磁电感513的电流iLm、流经漏电感514的电流iLr及流经第四开关531的电流iD2中的每一个对时间t的关系。需注意的是，在图3中，电流iLb、iLm、iLr、iD2中的每一个的波形同时传达了关于此电流的大小及方向的资讯(也就是此电流的正值及负值指示此电流的相反方向)，而在图4至图9中，电流iLb、iLm、iLr、iD2中的每一个的方向由一个相对应的箭头表示。此外，谐振电容52及漏电感514可以在一个由谐振电容52的电容值及漏电感514的电感值决定的谐振频率谐振。
参阅图3与图4，本实施例的单级交流至直流转换器在时点t0到时点t1期间操作在第一模式。在第一模式中，第一开关42不导通，且第二开关43以零电压切换方式切换为导通。第三开关45切换为导通，升压电感44被充电，且流经升压电感44的电流iLb的大小从零线性上升。流经激磁电感513的电流iLm的大小逐渐下降到零，然后其方向反转且其大小从零逐渐上升。流经漏电感514的电流iLr的大小逐渐下降到零，然后其方向反转且其大小从零逐渐上升到最大值后下降。流经激磁电感513的电流iLm的大小不等于流经漏电感514的电流iLr的大小。第四开关531切换为导通，且能量经由变压器51及第四开关531传递到输出电容532及负载2。第一开关42的跨压等于总线电压Vbus。第二开关43的跨压等于零。图4只画出流经激磁电感513的电流iLm的方向及漏电感514的电流iLr的方向反转后的情况。
参阅图3与图5，本实施例的单级交流至直流转换器在时点t1到时点t2期间操作在第二模式。在第二模式中，第一开关42维持在不导通，且第二开关43维持在导通。第三开关45维持在导通，升压电感44被充电，且流经升压电感44的电流iLb的大小线性上升。流经激磁电感513的电流iLm的大小逐渐上升。流经漏电感514的电流iLr的大小逐渐上升。流经激磁电感513的电流iLm的大小等于流经漏电感514的电流iLr的大小。第四开关531以零电流切换方式切换为不导通，且储存在输出电容532中的能量被释放到负载2。第一开关42的跨压等于总线电压Vbus。第二开关43的跨压等于零。
参阅图3与图6，本实施例的单级交流至直流转换器在时点t2到时点t3期间操作在第三模式。在第三模式中，第一开关42维持在不导通，且第二开关43切换为不导通。第三开关45维持在导通，储存在升压电感44中的能量被释放，且流经升压电感44的电流iLb的大小线性下降。流经激磁电感513的电流iLm的大小逐渐下降。流经漏电感514的电流iLr的大小逐渐下降。流经激磁电感513的电流iLm的大小等于流经漏电感514的电流iLr的大小。第四开关531维持在不导通，且储存在输出电容532中的能量被释放到负载2。储存在第一开关42的寄生电容422中的能量被释放，使得第一开关42的跨压从总线电压Vbus下降到零，然后第一开关42的本质二极管421切换为导通，使得第一开关42的跨压维持在零。第二开关43的寄生电容432被充电，使得第二开关43的跨压从零上升到总线电压Vbus。总线电容3被充电。图6只画出第二开关43的寄生电容432充电完成后的情况。
参阅图3与图7，本实施例的单级交流至直流转换器在时点t3到时点t4期间操作在第四模式。在第四模式中，第一开关42以零电压切换方式切换为导通，且第二开关43维持在不导通。第三开关45维持在导通，储存在升压电感44中的能量被释放，且流经升压电感44的电流iLb的大小线性下降到零。流经激磁电感513的电流iLm的大小逐渐下降到零，然后其方向反转且其大小从零逐渐上升。流经漏电感514的电流iLr的大小逐渐下降到零，然后其方向反转且其大小从零逐渐上升。流经激磁电感513的电流iLm的大小等于流经漏电感514的电流iLr的大小。第四开关531维持在不导通，且储存在输出电容532中的能量被释放到负载2。第一开关42的跨压等于零。第二开关43的跨压等于总线电压Vbus。总线电容3被充电，然后储存在其中的能量被释放。图7只画出流经激磁电感513的电流iLm的方向及流经漏电感514的电流iLr的方向反转前的情况。
参阅图3与图8，本实施例的单级交流至直流转换器在时点t4到时点t5期间操作在第五模式。在第五模式中，第一开关42维持在导通，且第二开关43维持在不导通。第三开关45以零电流切换方式切换为不导通，且流经升压电感44的电流iLb的大小等于零。流经激磁电感513的电流iLm的大小逐渐上升。流经漏电感514的电流iLr的大小逐渐上升。流经激磁电感513的电流iLm的大小等于流经漏电感514的电流iLr的大小。第四开关531维持在不导通，且储存在输出电容532中的能量被释放到负载2。第一开关42的跨压等于零。第二开关43的跨压等于总线电压Vbus。储存在总线电容3中的能量被释放。
参阅图3与图9，本实施例的单级交流至直流转换器在时点t5到时点t6期间操作在第六模式。在第六模式中，第一开关42切换为不导通，且第二开关43维持在不导通。第三开关45维持在不导通，且流经升压电感44的电流iLb的大小等于零。流经激磁电感513的电流iLm的大小逐渐下降。流经漏电感514的电流iLr的大小逐渐下降。流经激磁电感513的电流iLm的大小等于流经漏电感514的电流iLr的大小。第四开关531维持在不导通，且储存在输出电容532中的能量被释放到负载2。第一开关42的寄生电容422被充电，使得第一开关42的跨压从零上升到总线电压Vbus。储存在第二开关43的寄生电容432中的能量被释放，使得第二开关43的跨压从总线电压Vbus下降到零，然后第二开关43的本质二极管431切换为导通，使得第二开关43的跨压维持在零。图9只画出第一开关42的寄生电容422充电完成后的情况。
参阅图1，综上所述，本实施例的单级交流至直流转换器具有以下优点：
1.通过控制模块6根据总线电压Vbus调整第一控制信号Vgs1及第二控制信号Vgs2中的每一个的工作比，可以避免总线电压Vbus随着负载2的状况改变而改变。如此一来，输入电压Vin可以具有较宽的范围。
2.通过总线电容3充当电源转换的中继站，输出电压Vout可以具有较低的纹波。
3.通过控制模块6根据输出电压Vout调整第一控制信号Vgs1及第二控制信号Vgs2的每一个的切换周期，输出电压Vout可以是恒定的。
值得注意的是，在其它实施例中，可以对本实施例做出以下修改：
1.第三开关45可以是一个N型金氧半场效电晶体。此时，控制模块6还耦接到第三开关45，且控制第三开关45在导通与不导通间的切换。
2.第四开关531可以是一个N型金氧半场效电晶体。此时，控制模块6还耦接到第四开关531，且控制第四开关531在导通与不导通间的切换。
3.参阅图10，谐振转换模块5可以还包括一个耦接在谐振电容52及一次绕组511间的谐振电感54。此时，谐振电容52、谐振电感54及漏电感514(见图9)在由谐振电容52的电容值、谐振电感54的电感值及漏电感514(见图9)的电感值决定的谐振频率谐振。

Claims (14)

1.一种单级交流至直流转换器，其特征在于其包含：
一个总线电容；
一个功率因数校正模块，耦接到该总线电容，适用于接收一个交流的输入电压，还接收一个第一控制信号及一个第二控制信号，且根据该输入电压、该第一控制信号及该第二控制信号，产生一个横跨该总线电容且为直流的总线电压，及一个在该总线电压及零间切换的中间电压；
一个谐振转换模块，耦接到该功率因数校正模块以接收该中间电压，且根据该中间电压产生一个直流的输出电压；及
一个控制模块，耦接到该总线电容以接收该总线电压，且根据该总线电压产生该第一控制信号及该第二控制信号，该第一控制信号及该第二控制信号中的每一个在一个有效状态及一个非有效状态间切换，且其工作比关联于该总线电压，该控制模块在该总线电压大于一个预设的目标电压时，增加该第一控制信号的工作比，且减少该第二控制信号的工作比，而在该总线电压小于该目标电压时，减少该第一控制信号的工作比，
且增加该第二控制信号的工作比。
2.根据权利要求1所述的单级交流至直流转换器，其特征在于：该控制模块还电连接到该谐振转换模块以接收该输出电压，且还根据该输出电压产生该第一控制信号及该第二控制信号，该第一控制信号及该第二控制信号中的每一个的切换周期关联于该输出电压。
3.根据权利要求2所述的单级交流至直流转换器，其特征在于：该控制模块在该输出电压大于一个预设的目标电压时，减少该第一控制信号及该第二控制信号中的每一个的切换周期，而在该输出电压小于该目标电压时，增加该第一控制信号及该第二控制信号中的每一个的切换周期。
4.根据权利要求1所述的单级交流至直流转换器，其特征在于：该第一控制信号及该第二控制信号具有相同的切换周期，且交替地在该有效状态，当该第一控制信号及该第二控制信号中的一个在该有效状态时，该第一控制信号及该第二控制信号中的另一个在该非有效状态。
5.根据权利要求4所述的单级交流至直流转换器，其特征在于：在从该第一控制信号及该第二控制信号中的一个切换到该非有效状态的每一个时点起算的一个预设的死区时段后，该第一控制信号及该第二控制信号中的另一个才切换到该有效状态。
6.根据权利要求1所述的单级交流至直流转换器，其特征在于：该功率因数校正模块操作在不连续导通模式。
7.根据权利要求1所述的单级交流至直流转换器，其特征在于：该总线电容具有一个第一端及一个第二端，该总线电压大于该输入电压的振幅，且该功率因数校正模块包括
一个整流电路，具有一个第一输入端、一个第二输入端、一个第一输出端，及一个耦接到该总线电容的该第二端的第二输出端，且从其第一输入端及其第二输入端接收该输入电压，一个第一开关，具有一个耦接到该总线电容的该第一端的第一端，一个耦接到该谐振转换模块的第二端，及一个耦接到该控制模块以接收该第一控制信号的控制端，
一个第二开关，具有一个耦接到该第一开关的该第二端的第一端，一个耦接到该整流电路的该第二输出端的第二端，及一个耦接到该控制模块以接收该第二控制信号的控制端，该第二开关的跨压充当该中间电压，及
一个升压电感与一个第三开关，在该整流电路的该第一输出端及该第一开关的该第二端间串联。
8.根据权利要求7所述的单级交流至直流转换器，其特征在于：该第一开关及该第二开关中的每一个是一个N型金氧半场效电晶体，且该第三开关是一个二极管。
9.根据权利要求7所述的单级交流至直流转换器，其特征在于：该升压电感耦接到该整流电路的该第一输出端，且该第三开关耦接到该第一开关的该第二端。
10.根据权利要求7所述的单级交流至直流转换器，其特征在于：该整流电路是一个全桥整流电路。
11.根据权利要求1所述的单级交流至直流转换器，其特征在于：该谐振转换模块包括
一个变压器，包括一个一次绕组及一个二次绕组，
一个谐振电容，与该一次绕组串联，串联的该谐振电容及该一次绕组耦接到该功率因数校正模块以接收该中间电压，及
一个整流滤波电路，耦接到该二次绕组，且提供该输出电压。
12.根据权利要求11所述的单级交流至直流转换器，其特征在于：该谐振转换模块还包括一个耦接在该谐振电容及该一次绕组间的谐振电感。
13.根据权利要求11所述的单级交流至直流转换器，其特征在于：该整流滤波电路包括在该二次绕组的两端间串联的一个开关及一个输出电容，该输出电容的跨压充当该输出电压。
14.根据权利要求13所述的单级交流至直流转换器，其特征在于：该开关是一个二极管。
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