CN107294407A - 一种ac‑dc变换系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种AC‑DC变换系统，包括依次连接的输入电路及整流桥、升降压型PFC主电路和谐振型DC‑DC变换电路，升降压型PFC主电路上连接有PFC控制器，PFC控制器上连接母线电压控制电路和母线电压采样电路，母线电压控制电路上连接输入电压隔离采样电路、输出电流采样电路，母线电压控制电路根据输入电压和负载信息输出母线电压基准信号。本发明的优点在于母线电压的设定不受输入电压的限制，可以高于也可以低于交流输入电压，有利于系统的优化设计；电路工作状态可以根据输入电压状况和负载状况进行调节，使电路在全输入电压范围和全负载范围都工作在最优的状态，实现高效率和高功率密度。

Description

一种AC-DC变换系统
技术领域
本发明涉及一种AC-DC电能变换系统，具体的说是一种前级为升降压型PFC，后级为谐振型DC-DC的高效率、高功率密度AC-DC电能变换器及其控制方法。
背景技术
AC-DC变换器通常包括功率因数校正(PFC)前级和直流变换(DC-DC)后级。其中PFC级通常采用BOOST型升压拓扑，其特点在于BOOST整流输出电压即母线电压必须高于交流输入电压，母线电压的可控范围较小，以90～264Vac的通用输入为例，母线电压必须大于373.3Vdc，由此带来的问题包括：1、低压输入时前级的损耗增加明显，限制了整机功率密度的提高；2、需要通过改变母线电压实现后级优化设计时，母线电压的可调范围小，通常仅为373.3～400Vdc，这限制了后级的优化空间。在小功率场合，BUCK型降压PFC也常常被采用，其输出电压必须低于输入电压，这使得：1、高压输入时，前级损耗较大，不利于功率密度的提高；2、当交流输入电压低于母线电压时，由于降压特性的限制，输入电流理论上为零，这使得输入电流的谐波增加。
因此，现有技术中如图1和图2所示的BOOST PFC、BUCK PFC都无法兼顾不同输入电压时的系统效率，同时母线电压的调节都受到各自工作特性的限制，减小了输出电压或负载变化时，后级的优化空间。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可以兼顾不同输入电压、负载状况的AC-DC电能变化装置及其控制方法，所采用的技术方案是：
一种AC-DC变换系统，包括输入电路及整流桥、升降压型PFC主电路、谐振型DC-DC变换电路、PFC控制器、母线电压采样电路、母线电压控制电路、输入电压隔离采样电路和输出电流采样电路；输入电路及整流桥的输入端连接交流电网，其输出端连接升降压型PFC主电路的输入端，升降压型PFC主电路的输出作为中间直流母线连接谐振型DC-DC变换电路的输入端，谐振型DC-DC变换电路将母线电压进行直流变换后提供给负载，升降压型PFC主电路上连接PFC控制器以接收实现功率因数校正和母线电压调节所需要的占空比信号，PFC控制器上连接母线电压采样电路以实现母线电压的闭环反馈，PFC控制器上还连接有母线电压控制电路以获取母线电压基准信号，母线电压控制电路上连接输入电压隔离采样电路和输出电流采样电路，以根据不同的输入电压状态和负载状态设定不同的母线电压并输出所需的母线电压基准信号。
进一步地，所述升降压型PFC主电路包括第一开关管、第二开关管、第一电感、第一二极管、第二二极管、第一电容；整流桥的正输出端依次通过连接的第一开关管第一端和第二端、第一电感、第二二极管和第一电容接地，第二二极管的阳极连接第一电感的第二端，第二二极管的阴极连接第一电容的正极；第一二极管的阴极连接第一开关管和第一电感的公共端，第一二极管的阳极接地；第二开关管的第一端连接第一电感和第二二极管的公共端，第二开关管的第二端接地；升降压PFC控制器的输出端连接第一开关管、第二开关管的第三端，控制第一开关管、第二开关管的通断。
进一步地，所述升降压型PFC主电路还可以是反向buck-boost、CUK、SEPIC、buck和boost组合型变换器或谐振变换器。
进一步地，母线电压控制电路包括母线电压控制单元、第一光耦、低通滤波器和第一运放；所述母线电压控制单元包含MCU；输入电压隔离采样电路和输出电流采样电路连接母线电压控制单元的输入端，母线电压控制单元的输出端输出PWM信号至第一光耦的输入端；第一光耦的输出端连接低通滤波器的输入端，低通滤波器用来将PWM信号滤波；低通滤波器输出与PWM信号占空比成比例的直流信号至第一运放的输入端，第一运放用来实现阻抗隔离；第一运放的输出端输出母线电压基准信号至升降压PFC控制器。
进一步地，所述谐振型DC-DC变换电路的主电路为LLC谐振变换器、CLL谐振变换器、谐振正激变换器或谐振反激变换器。
进一步地，所述谐振型DC-DC变换电路主电路的副边整流电路为半波整流、全波整流、倍流整流、倍压整流或全桥整流。
进一步地，所述升降压型PFC主电路和所述谐振型DC-DC变换电路的主电路任意一级为隔离型。
一种系统效率最优化的效率优化算法，MCU同时采样负载电流和输入电压信号，经效率优化算法处理后，得到PWM信号的占空比，并输出至第一光耦的输入端；所述效率优化算法按如下方法获得：取N个输入电压点和M个负载电流点，计算系统在第x(1≤x≤N)个输入电压点和第y(1≤y≤M)个负载电流点下，不同母线电压时的效率，进而得到在第x个输入电压点和第y个负载电流点下系统最优效率对应的母线电压值；根据系统最优效率对应的N×M个母线电压值近似得到母线电压关于输入电压和负载电流的函数，即得到所述效率优化算法。
本发明相比于现有AC-DC变换器系统具有以下优点：
1、母线电压可以高于也可以低于输入电压，有利于根据后级谐振变换器的负载状况，在较宽的范围内调节母线电压，使后级在不同负载时都能工作在谐振点附近，实现高效率和高功率密度。
2、母线电压的设定可以兼顾高压输入和低压输入下的PFC级损耗，防止因母线电压设定受到限制而造成的低压输入或高压输入下PFC效率偏低，提高PFC级的功率密度。
3、可以兼顾输入电压状况和负载状况对系统工作状态进行实时调节，实现系统的最优运行。
附图说明
图1是现有技术中由升压PFC和隔离DC-DC变换器组成的AC-DC变换系统结构图；
图2是现有技术中由降压PFC和隔离DC-DC变换器组成的AC-DC变换系统结构图；
图3是本发明提供的AC-DC变换系统第一实施例结构图；
图4是本发明提供的AC-DC变换系统第二实施例结构图；
图5是本发明提供的AC-DC变换系统第三实施例结构图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明的结构及有益效果进行详细说明。
参见附图3，图3是本发明所提供的第一种实施结构。
本实施利提供的AC-DC变换系统，包括输入电路及整流桥301、升降压型PFC主电路302、谐振型DC-DC变换电路303、升降压PFC控制器304、母线电压采样电路305、母线电压控制电路306、输入电压隔离采样电路307和输出电流采样电路308。
输入电路及整流桥301，用于将交流输入电压进行EMC处理并整流后提供给升降压型PFC主电路302。
升降压型PFC主电路302根据升降压PFC控制器304提供的驱动信号，对经输入电路及整流桥301处理后的输入电压进行功率因数校正，并输出直流母线电压Vbus给谐振型DC-DC变换电路303，谐振型DC-DC变换电路303包括谐振型DC-DC变换器303a和DC-DC控制线路303b两部分。
谐振型DC-DC变换电路303，用于将升降压型PFC主电路302输出的直流电压Vbus进行直流变换后提供给负载供电。
升降压PFC控制器304实现对升降压型PFC主电路302的功率因数校正控制，同时根据母线电压控制电路306提供的基准信号和母线电压采样电路305提供的反馈信号进行母线电压控制。
母线电压采样电路305用于对母线电压进行采样，采样信号作为PFC电压环的反馈信号提供给升降压PFC控制器304。
输入电压隔离采样电路307用于采样输入电压并经隔离处理后输入到母线电压控制电路306。
输出电流采样电路308用于采样负载电流并输入到母线电压控制电路306。
母线电压控制电路306由母线电压控制单元、第一光耦U2、低通滤波器和第一运放U1构成。输入电压隔离采样电路307和输出电流采样电路308连接母线电压控制单元的输入端，母线电压控制单元的输出端输出PWM信号至第一光耦U2的输入端；第一光耦U2的输出端连接低通滤波器的输入端，低通滤波器用来将PWM信号滤波；低通滤波器输出与PWM信号占空比成比例的直流信号至第一运放U1的输入端，第一运放U1用来实现阻抗隔离；第一运放的输出端输出母线电压基准信号至升降压PFC控制器304。所述母线电压控制单元，包含微处理器(MCU)和用于实现系统效率最优化的效率优化算法；所述微处理器(MCU)同时采样负载电流和输入电压信号，经效率优化算法处理后，得到PWM信号的占空比，并输出至第一光耦的输入端；所述效率优化算法按如下方法获得：取N个输入电压点和M个负载电流点，计算系统在第x(1≤x≤N)个输入电压点和第y(1≤y≤M)个负载电流点下，不同母线电压时的效率，进而得到在第x个输入电压点和第y个负载电流点下系统最优效率对应的母线电压值；根据系统最优效率对应的N×M个母线电压值近似得到母线电压关于输入电压和负载电流的函数，即得到所述效率优化算法。
本实施例提供的AC-DC变换系统采用的是具有升降压功能的功率因数校正器。由于是升降压变换，母线电压可以高于也可以低于输入电压，拓展了系统的优化空间：有利于根据后级谐振变换器的负载状况，在较宽的范围内调节母线电压，使后级在不同负载时都能工作在谐振点附近，实现高效率和高功率密度；母线电压的设定可以兼顾高压输入和低压输入下的PFC级损耗，防止因母线电压设定受到限制而造成的低压输入或高压输入下PFC效率偏低，提高PFC级的功率密度；可以兼顾输入电压状况和负载状况对系统工作状态进行实时调节，实现系统的最优运行。
本发明实施例提供的谐振型DC-DC变换电路包括谐振型DC-DC变换器和DC-DC控制线路；
所述谐振型DC-DC变换器的输入端连接升降压型PFC主电路的输出端，用于在DC-DC控制线路的控制下将升降压型PFC主电路输出的直流母线电压进行DC-DC变换后向负载供电；
DC-DC控制线路采样输出电压，并将采样信号反馈至输出电压控制环，电压控制环的输出连接DC-DC控制器，DC-DC控制器根据电压环输入的控制信号控制谐振型DC-DC变换器中功率开关的通断。
需要说明的是，本发明实施例中的谐振型DC-DC变换器可以是：LLC谐振变换器、CLL谐振变换器、谐振正激变换器或谐振反激变换器。下面结合附图分别介绍谐振型DC-DC变换器为LLC谐振变换器和CLL谐振变换器时的DC-DC变换电路，其它谐振型DC-DC变换拓扑在此不进行赘述。
参见图4，该图为本发明提供的AC-DC变换系统实施例二结构图。
本实施例提供的AC-DC变换系统中的谐振型DC-DC变换器303a为LLC谐振变换器。
首先介绍升降压型PFC主电路302，包括：第一开关管S1、第二开关管S2、第一电感L1、第一二极管D1、第二二极管D2、第一电容C1。
整流桥的正输出端依次通过连接的第一开关管S1第一端和第二端、第一电感L1、第二二极管D2和第一电容C1接地，第二二极管D2的阳极连接第一电感的第二端，第二二极管D2的阴极连接第一电容的正极；第一二极管D1的阴极连接第一开关管和第一电感的公共端，第一二极管D1的阳极接地；第二开关管S2的第一端连接第一电感和第二二极管D2的公共端，第二开关管S2的第二端接地；升降压PFC控制器的输出端连接第一开关管S1、第二开关管S2的第三端，控制第一开关管S1、第二开关管S2的通断。本文中开关管可以为IGBT或MOSFET，开关管的第一端为IGBT的集电极或MOSFET的漏极，开关管的第二端为IGBT的发射极或MOSFET的源极，开关管的第三端为IGBT的基极或MOSFET的栅极。但本文中的开关管不限于IGBT或MOSFET，还可以为碳化硅开关管或氮化镓功率管等。
下面介绍升降压PFC主电路输出电压控制电路306。
所述升降压PFC主电路输出电压控制电路306还用于对输入电压和输出负载进行采样，并输出升降压PFC控制器所需的电压基准信号。
所述升降压PFC主电路输出电压控制电路306包括母线电压控制单元、第一光耦U2、低通滤波器和第一运放U1；
输入电压隔离采样电路和输出电流采样电路连接母线电压控制单元的输入端，母线电压控制单元的输出端输出PWM信号至第一光耦U2的输入端；第一光耦U2的输出端连接低通滤波器的输入端，低通滤波器用来将PWM信号滤波；低通滤波器输出与PWM信号占空比成比例的直流信号至第一运放U1的输入端，第一运放U1用来实现阻抗隔离；第一运放U1的输出端输出母线电压基准信号至升降压PFC控制器304。
下面介绍LLC谐振变换电路的具体结构。
LLC谐振变换电路包括：第三开关管S3、第四开关管S4、第二电感L2、第二电容C2、变压器T1、第三二极管D3、第四二极管D4和第三电容C3。所述第三开关管S3和第四开关管S4串联后并联在所述升降压PFC主电路302的输出端；所述第三开关管S3和第四开关管S4的公共端依次通过串联的第二电容C2和第二电感L2连接变压器T1初级绕组的同名端；所述变压器T1初级绕组的异名端和第四开关管S4的公共端接原边地；所述变压器T1次级绕组的同名端连接第三二极管D3的阳极，第三二极管D3的阴极连接输出负载的正端；所述变压器T1次级绕组的异名端连接第四二极管D4的阳极，第四二极管D4的阴极连接输出负载的正端；所述变压器T1次级绕组的中心抽头连接输出负载的负端；所述第三电容C3并联在输出负载两端。
由于本实施例提供的谐振型DC-DC变换器是LLC谐振变换器，DC-DC变换器的输入电压可以在较宽的范围内随着负载电流的减小而降低，使LLC谐振变换器在大部分负载情况下都工作在谐振点附近，LLC谐振变换器的增益范围减小，工作频率范围减小，有利于实现高效率的LLC谐振变换器设计。另一方面，当输入电压较低时，如果只按照LLC级效率最优化的方式来控制母线电压，重载时PFC级的效率将明显降低，不利于整机损耗的减小和功率密度的提高。本实施例采用效率优化算法对母线电压进行控制，不但考虑负载状态，还兼顾输入电压状态，使系统在任何工况小都工作在最优的状态，实现高效率和高功率密度。
参见图5，该图为本发明提供的AC-DC变换系统实施例三结构图。由于除谐振型DC-DC变换器303a以外部份的线路和图4所示实施例中的相同，因此以下实施例不再赘述，仅介绍不同谐振型DC-DC变换器的拓扑结构。
本实施例提供的AC-DC变换系统中的谐振型DC-DC变换器303a为CLL谐振变换器，包括：第三开关管S3、第四开关管S4、第二电感L2、第三电感L3、第二电容C2、变压器T1、第三二极管D3、第四二极管D4和第三电容C3。所述第三开关管S3和第四开关管S4串联后并联在所述升降压PFC主电路302的输出端；所述第三开关管S3和第四开关管S4的公共端依次通过串联的第二电容C2和第二电感L2连接变压器T1初级绕组的同名端；所述第二电容C2和第二电感L2的公共端连接第三电感L3的第一端；所述第三电感L3的第二端、所述变压器T1初级绕组的异名端和所述第四开关管S4的一端相连后接原边地；所述变压器T1次级绕组的同名端连接第三二极管D3的阳极，第三二极管D3的阴极连接输出负载的正端；所述变压器T1次级绕组的异名端连接第四二极管D4的阳极，第四二极管D4的阴极连接输出负载的正端；所述变压器T1次级绕组的中心抽头连接输出负载的负端；所述第三电容C3并联在输出负载两端。
图5所示实施例中的CLL谐振变换器具有以下优点：包括全负载范围软开关、关断电流小、副边开关器件无反向恢复问题及可以工作在升压和降压两种模式，而且CLL谐振变换器变压器原边电流和副边电流同频同相，可以通过检测变压器原边的电流产生副边同步整流的驱动逻辑，CLL谐振变换器的主变压器励磁电感不参与谐振工作，因此励磁电感可以设计得比较大，甚至磁芯不需要开气隙，从根本上消除了气隙带来的电磁干扰问题和漏磁损耗问题。
需要指出的是，以上实施例仅为说明本发明的技术思想，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是根据本发明的技术实质，在以上技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种AC-DC变换系统，其特征在于，包括输入电路及整流桥(301)、升降压型PFC主电路(302)、谐振型DC-DC变换电路(303)、PFC控制器(304)、母线电压采样电路(305)、母线电压控制电路(306)、输入电压隔离采样电路(307)和输出电流采样电路(308)；输入电路及整流桥(301)的输入端连接交流电网，其输出端连接升降压型PFC主电路(302)的输入端，升降压型PFC主电路(302)的输出作为中间直流母线连接谐振型DC-DC变换电路(303)的输入端，谐振型DC-DC变换电路(303)将母线电压进行直流变换后提供给负载，升降压型PFC主电路(302)上连接PFC控制器(304)以接收实现功率因数校正和母线电压调节所需要的占空比信号，PFC控制器(304)上连接母线电压采样电路(305)以实现母线电压的闭环反馈，PFC控制器(304)上还连接有母线电压控制电路(306)以获取母线电压基准信号，母线电压控制电路(306)上连接输入电压隔离采样电路(307)和输出电流采样电路(308)，以根据不同的输入电压状态和负载状态设定不同的母线电压并输出所需的母线电压基准信号。
2.如权利要求1所述的一种AC-DC变换系统，其特征在于所述升降压型PFC主电路包括第一开关管(S1)、第二开关管(S2)、第一电感(L1)、第一二极管(D1)、第二二极管(D2)、第一电容(C1)；整流桥的正输出端依次通过连接的第一开关管(S1)第一端和第二端、第一电感(L1)、第二二极管(D2)和第一电容(C1)接地，第二二极管(D2)的阳极连接第一电感(L1)的第二端，第二二极管(D2)的阴极连接第一电容的正极；第一二极管(D1)的阴极连接第一开关管和第一电感的公共端，第一二极管(D1)的阳极接地；第二开关管(D2)的第一端连接第一电感和第二二极管的公共端，第二开关管(D2)的第二端接地；升降压PFC控制器的输出端连接第一开关管(S1)、第二开关管(S2)的第三端，控制第一开关管(S1)、第二开关管(S2)的通断。
3.如权利要求1所述的一种AC-DC变换系统，其特征在于所述升降压型PFC主电路还可以是反向buck-boost、CUK、SEPIC、buck和boost组合型变换器或谐振变换器。
4.如权利要求1所述的一种AC-DC变换系统，其特征在于母线电压控制电路包括母线电压控制单元、第一光耦、低通滤波器和第一运放；所述母线电压控制单元包含MCU；输入电压隔离采样电路和输出电流采样电路连接母线电压控制单元的输入端，母线电压控制单元的输出端输出PWM信号至第一光耦的输入端；第一光耦的输出端连接低通滤波器的输入端，低通滤波器用来将PWM信号滤波；低通滤波器输出与PWM信号占空比成比例的直流信号至第一运放的输入端，第一运放用来实现阻抗隔离；第一运放的输出端输出母线电压基准信号至升降压PFC控制器。
5.如权利要求1所述的一种AC-DC变换系统，其特征在于所述谐振型DC-DC变换电路的主电路为LLC谐振变换器、CLL谐振变换器、谐振正激变换器或谐振反激变换器。
6.如权利要求1所述的一种AC-DC变换系统，其特征在于所述谐振型DC-DC变换电路主电路的副边整流电路为半波整流、全波整流、倍流整流、倍压整流或全桥整流。
7.如权利要求1所述的一种AC-DC变换系统，其特征在于所述升降压型PFC主电路和所述谐振型DC-DC变换电路的主电路任意一级为隔离型。
8.一种用于权利要求4所述的AC-DC变换系统的效率优化的算法，其特征在于所述MCU同时采样负载电流和输入电压信号，经效率优化算法处理后，得到PWM信号的占空比，并输出至第一光耦的输入端；所述效率优化算法按如下方法获得：取N个输入电压点和M个负载电流点，计算系统在第x(1≤x≤N)个输入电压点和第y(1≤y≤M)个负载电流点下，不同母线电压时的效率，进而得到在第x个输入电压点和第y个负载电流点下系统最优效率对应的母线电压值；根据系统最优效率对应的N×M个母线电压值近似得到母线电压关于输入电压和负载电流的函数，即得到AC-DC变换系统效率优化算法。
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