CN108768190A - 具有宽输入电压范围的电路、高频开关电源、控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有宽输入电压范围的电路、高频开关电源、控制方法，包括：用于接入三相交流输入电压、将三相交流输入电压整流成脉动的直流电压的交流输入和整流电路；与交流输入和整流电路连接、用于调节高频开关电源的输入功率因数的PFC电感电路；与PFC电感电路连接的软启动电路；与软启动电路连接、用于生成输出设置电压的升压电路；与软启动电路连接的续流电路；分别与PFC电感电路、软启动电路和升压电路连接的控制电路。本发明有效解决了如何实现具有宽输入电压范围的高频开关电源的问题，实现了高频开关电源的宽范围输入特性，电路结构简洁、控制逻辑清晰，安全可靠。

Description

具有宽输入电压范围的电路、高频开关电源、控制方法
技术领域
本发明涉及电力领域，更具体地说，涉及一种具有宽输入电压范围的电路、高频开关电源、控制方法。
背景技术
直流操作电源系统是电力系统持续供电的重要保证，电力操作电源用高频开关电源是直流操作电源系统的核心器件，其输入取自电网的三相电或单相电，在电网发生严重故障的情况下，电网的电压将大幅度降低，较严重将降到正常电压的40％左右，这将使得电力操作电源用高频开关电源模块无法正常工作。
目前市场上最常用的电力操作电源用高频开关电源最宽输入电压范围约为额定电压的0.85～1.25倍，输入电压的范围主要受DC/DC变换电路增益调整范围影响，其中目前市场常用的电力操作电源用高频开关电源DC/DC变换电路多采用移相全桥或LLC拓扑结构，但是这两种拓扑结构的自身特点决定了：当输入电压范围很宽时，增益调整无法满足设计要求。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种具有宽输入电压范围的电路、高频开关电源、控制方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种具有宽输入电压范围的电路，应用于高频开关电源，包括：
用于接入三相交流输入电压、将所述三相交流输入电压整流成脉动的直流电压的交流输入和整流电路；
与所述交流输入和整流电路连接、用于调节高频开关电源的输入功率因数的PFC电感电路；
与所述PFC电感电路连接、用于限制所述高频开关电源在开机过程中的冲击电流的软启动电路；
与所述软启动电路连接、用于生成输出设置电压的升压电路；
与所述软启动电路连接、用于在所述升压电路处于续流工作状态时，减小所述升压电路的电流的续流电路；
分别与所述PFC电感电路、所述软启动电路和所述升压电路连接，用于输出控制信号的控制电路。
优选地，所述PFC电感电路包括PFC电感和第一可控开关；
所述PFC电感的第一端与所述交流输入和整流电路连接，所述PFC电感的第二端连接所述软启动电路，所述第一可控开关与所述PFC电感并联连接。
优选地，所述软启动电路包括软启动电阻和第二可控开关；
所述软启动电阻的第一端连接所述PFC电感的第二端，所述软启动电阻的第二端连接所述续流电路和所述升压电路；
所述第二可控开关与所述软启动电阻并联连接。
优选地，还包括：
与所述升压电路、所述续流电路和所述控制电路连接的输出电路。
优选地，所述续流电路包括续流二极管；
所述续流二极管的阳极与软启动电路连接，续流二极管的阴极与所述输出电路连接。
优选地，所述升压电路包括升压电感、升压开关管、升压二极管、第一电容以及第二电容；
所述升压开关管的第一端与升压电感的第一端连接，所述升压电感的第二端还经所述第一电容连接至所述升压开关管的第三端；
所述升压开关管的第二端与控制电路连接，所述升压开关管的第一端还与所述升压二极管的阳极连接，所述第二电容连接在所述升压二极管的阴极与所述升压开关管的第三端之间；
所述升压电感的第二端与所述第一电容的连接端还连接所述软启动电路和所述续流二极管的阳极，所述升压二级管的阴极与所述续流二极管的阴极连接。
优选地，所述第一可控开关和所述第二可控开关为继电器或开关管。
优选地，所述输出电路包括DC/DC变换电路、隔离电路、以及输出整流滤波电路；
所述DC/DC变换电路、所述隔离电路以及所述输出整流滤波电路依次串联连接，且所述DC/DC变换电路还与所述控制电路连接。
优选地，DC/DC变换电路包括移相全桥电路或LLC电路。
本发明还提供一种高频开关电源，包括以上所述的具有宽输入电压范围的电路。
本发明还提供一种具有宽输入电压范围的电路的控制方法，应用于以上所述的具有宽输入电压范围的电路，包括以下步骤：
S1：当控制电路检测到升压电路中的第二电容的电压大于升压电路的输出设置电压时，所述控制电路控制PFC电感电路中的第一可控开关维持断开状态，同时控制所述升压电路中的升压开关管的驱动占空比为0；
S2：当所述控制电路检测到所述升压电路中的第二电容的电压小于所述升压电路的输出设置电压时，所述控制电路控制所述PFC电感电路中的第一可控开关闭合，控制所述升压二极管，升压电感和升压开关管处于升压工作状态以控制所述第二电容的电压等于所述升压电路的输出设置电压；
S3：当所述控制电路检测到所述升压电路中的第二电容的电压大于等于恢复电压时，所述控制电路控制所述PFC电感电路中的第一可控开关断开；
S4、所述S3执行完毕之后返回步骤S1，循环执行步骤S1～步骤S3。
实施本发明的具有宽输入电压范围的电路、高频开关电源、控制方法，具有以下有益效果：本发明可保证升压电路的输出设置电压大于或等于输出电路的最小输入电压，从而可以保证整个高频开关电源在预设的输入电压范围内正常工作。有效解决了如何实现具有宽输入电压范围的高频开关电源的问题，有效实现了高频开关电源的宽范围输入特性，电路结构简洁、控制逻辑清晰，安全可靠。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明一种具有宽输入电压范围的电路的结构示意图；
图2是本发明一种具有宽输入电压范围的电路的实施例的原理框图；
图3是本发明一种具有宽输入电压范围的电路的控制方法的具体流程图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
本发明主要解决的技术问题为提供一种可靠的具有宽输入电压范围的高频开关电源电路及控制方法，该发明可应用于电力操作电源用高频开关电源中，可解决交流输入电压低于0.85倍额定电压时电力操作电源用高频开关电源如何正常工作的问题。
参见图1，为本发明具有宽输入电压范围的电路的结构示意图。该具有宽输入电压范围的电路可应用于高频开关电源。
如图1所示，该具有宽输入电压范围的电路包括：交流输入和整流电路10、与交流输入和整流电路10连接的PFC电感电路20、与PFC电感电路20连接的软启动电路30、与软启动电路30连接的续流电路40和升压电路50、控制电路70，还包括分别与续流电路40、升压电路50和控制电路70连接的输出电路60。
参见图2，为本发明一种具有宽输入电压范围的电路的实施例的原理框图。
本发明实施例中，交流输入和整流电路10用于接入三相交流输入电压、将三相交流输入电压整流成脉动的直流电压，并将所整流输出的脉动的直流电压送至PFC电感电路20。其中，交流输入和整流电路10对三相交流输入电压的整流通过整流桥B1实现，由整流桥B1将三相交流输入电压整流成脉动的直流电压并送至PFC电感电路20。
PFC电感电路20，与交流输入和整流电路10连接、用于调节高频开关电源的输入功率因数。
具体的，如图2所示，PFC电感电路20包括PFC电感L1和第一可控开关K1。PFC电感L1的第一端与交流输入和整流电路10连接，PFC电感L1的第二端连接软启动电路30，第一可控开关K1与PFC电感L1并联连接。可选的，本发明实施例中，第一可控开关K1可以为继电器或者开关管(如MOS管)，第一可控开关K1可由控制电路70进行开通和关断的控制。其中PFC电感L1的作用是调整高频开关电源的输入功率因数，使高频开关电源的输入功率因数满足电源要求。进一步地，PFC电感L1可以为工频电感，电感量的取值一般为几到几十mH。
第一可控开关K1的作用是当三相交流输入电压降低到使升压电路50中的第二电容C2的电压Vc2小于或等于升压电路50的输出设置电压VB时，短接PFC电感L1，目的是为了消除PFC电感压降对升压电路50电流应力的影响，保证了升压电路50的可靠运行。假设第一可控开关K1未短接PFC电感L1，由于交流输入电压越低，同等输入功率的情况下，输入电流越大，PFC电感L1的压降越大，相当于降低了升压电路50的输入电压，即第一电容C1的电压，升压电路50的工作电流增大，即加大了升压开关管Q1和升压二极管D1的电流应力，不利于升压电路50的可靠运行。
软启动电路30，与PFC电感电路20连接、用于限制高频开关电源在开机过程中的冲击电流。
具体的，软启动电路30包括软启动电阻R1和第二可控开关K2，其中软启动电阻R1的第一端连接PFC电感L1的第二端，软启动电阻R1的第二端连接续流电路40和升压电路50。第二可控开关K2和软启动电阻R1并联连接。可选的，第二可控开关K2可以为继电器或者开关管(如MOS管)。软启动电路30的用于为限制高频开关电源开机过程的冲击电流，可以提高高频开关电源的可靠性。高频开关电源在关机状态，第二可控开关K2为常开状态，当高频开关电源开机时，输入电压先通过软启动电阻R1为升压电路50中的第一电容C1和第二电容C2充电，限制充电电流，等第一电容C1和第二电容C2充满电时，控制电路70控制第二可控开关K2吸合，将软启动电阻R1短接。
续流电路40，与软启动电路30连接、用于在升压电路50处于续流工作状态时，减小升压电路50的电流。
具体的，续流电路40包括续流二极管D2；续流二极管D2的阳极与软启动电路30连接(即如图2所示，续流二极管D2的阳极连接软启动电阻R1的第二端)，续流二极管D2的阴极与输出电路60连接，即续流二极管D2的阴极与输出电路60的输入连接。其中，当升压电路50处于续流工作状态时，续流二极管D2的主要是减小流过升压电感L2的电流，进而降低升压电感L2的温升。
升压电路50，包括升压电感L2、升压开关管Q1、升压二极管D1、第一电容C1以及第二电容C2。
升压开关管Q1的第一端与升压电感L2的第一端连接，升压电感L2的第二端还经第一电容C1连接至升压开关管Q1的第三端；升压开关管Q1的第二端与控制电路70连接，升压开关管Q1的第一端还与升压二极管D1的阳极连接，第二电容C2连接在升压二极管D1的阴极与升压开关管Q1的第三端之间；升压电感L2的第二端与第一电容C1的连接端还连接软启动电路30和续流二极管D2的阳极，升压二级管D1的阴极与续流二极管D2的阴极连接。
输出电路60，包括DC/DC变换电路、隔离电路、以及输出整流滤波电路。DC/DC变换电路、隔离电路以及输出整流滤波电路依次串联连接，且DC/DC变换电路还与控制电路70连接。
本发明实施例中，DC/DC变换电路包括移相全桥电路或者LLC电路。其中，隔离电路和输出整流滤波电路可以采用现有高频开关电源中的所采用的常规隔离电路和输出整流滤波电路，本发明在此不再赘述。
进一步地，本发明实施例中，升压电路50的输出设置电压大于或者等于DC/DC变换电路最小输入电压。
控制电路70，分别与PFC电感电路20、软启动电路30、升压电路50以及输出电路60连接，用于输出控制信号。其中，控制电路70与PFC电感电路20、软启动电路30、升压电路50以及输出电路60连接的端口I/O口，其所输出给PFC电感电路20、软启动电路30的控制信号为高低电平信号，以及输出给升压电路50的控制信号为方波信号。本发明实施例的控制电路70包括控制器，该控制器可以为TI的DSP，如可以采用TMS320F2803X系列的处理器。
结合图2，以电力操作电源用高频开关电源为例，电力操作电源用高频开关电源的行业标准要求三相交流输入时，输入线电压范围为323V～437VAC，对应的输出电路60的输入电压范围约为436V～590VDC，考虑一定的裕量，设计输出电路60的最小输入电压Vmin为400VDC。考虑一定裕量，设计升压电路50的输出设置电压VB为410VDC，对应的交流输入线电压约为300VAC，第一可控开关K1和第二可控开关K2为继电器。
电力系统中的电网不可避免的会发生一些故障，而导致电力操作电源用高频开关电源的交流输入电压低于323VAC，据数据统计，在一些故障情况下，三相交流输入电压可能降低到152VAC左右，因此从电力系统的可靠性出发，电力操作电源用高频开关电源的三相交流输入电压范围扩展为152V～437VAC，可有效提高电力系统的可靠性。
假设电力操作电源用高频开关电源的三相交流输入电压范围为152V～437VAC，对应的输出电路60的输入电压范围约为205V～590VDC。由于电力系统正常时，可保证三相交流电压在323V～437VAC范围内，因此将恢复电压VS设计为432VDC，对应的三相交流电压为320VAC。
假设三相交流输入电压工作在大于300VAC且小于等于437VAC范围内，三相交流输入电压经过整流桥B1，PFC电感L1，软启动电路30的继电器K2，续流二极管D2，升压电感L2及升压二极管D1为升压电路50中的第二电容C2充电，第二电容C2的电压Vc2约为大于410VDC且小于等于590VDC范围内，大于升压电路50的输出设置电压410VDC，控制电路70输出低电平信号至继电器K1，维持继电器K1处于断开状态，且升压电路50处于续流状态。
当电网发生故障导致三相交流输入电压持续下降到大于等于152VAC小于等于300VAC时，对应的升压电路50中的第二电容C2的电压Vc2将持续下降到410VDC，控制电路70输出高电平信号至继电器K1，控制继电器K1闭合。三相交流输入电压经过整流桥B1，继电器K1，软启动电路30中的继电器K2为升压电路50的第一电容C1充电，升压电路50将第一电容C1的电压变换后为第二电容C2充电，同时将第二电容C2的电压Vc2稳定为升压电路50的输出设置电压410VDC。
当电网的故障排除后，三相交流输入电压恢复到320VAC以上时，对应的升压电路50的第二电容C2的电压Vc2将大于恢复电压432VDC，控制电路70输出低电平信号至继电器K1，控制继电器K1断开。
上述整个控制过程中，输出电路60的输入电压最低为410VDC，大于其最小工作电压400V，因此电力操作电源用高频开关电源在三相交流输入电压152V～437VAC范围内均可保证正常工作，实现了宽范围输入特性。
本发明还提供了一种高频开关电源，该高频开关电源包括上述具有宽输入电压范围的电路。
参见图3，为本发明具有宽输入电压范围的电路的控制方法的流程图。该具有宽输入电压范围的电路的控制方法，应用于上述的具有宽输入电压范围的电路。
如图3所示，该具有宽输入电压范围的电路的控制方法包括以下步骤：
步骤S1：当控制电路70检测到升压电路50中的第二电容C2的电压Vc2大于升压电路50的输出设置电压VB时，控制电路70控制PFC电感电路20中的第一可控开关K1维持断开状态，同时控制升压电路50中的升压开关管Q1的驱动占空比为0。
通过控制升压电路50的升压开关管Q1的驱动占空比为0，可使升压电路50处于续流状态，其中，在该控制方法中，升压电路50的输出设置电压VB要求大于或等于输出电路60的最小输入电压Vmin。
步骤S2：当控制电路70检测到升压电路50中的第二电容C2的电压Vc2小于升压电路50的输出设置电压VB时，控制电路70控制PFC电感电路20中的第一可控开关K1闭合，控制升压二极管D1，升压电感L2和升压开关管Q1处于升压工作状态以控制第二电容C2的电压Vc2等于升压电路50的输出设置电压VB。
步骤S3：当控制电路70检测到升压电路50中的第二电容C2的电压Vc2大于等于恢复电压(VS)时，控制电路70控制PFC电感电路20中的第一可控开关K1断开。
本发明实施例中，要求VS>VB。其中，要求恢复电压VS大于VB，且在不影响高频开关电源工作指标的基础上，尽量大一些，目的之一是为了当升压电路50的第二电容C2的电压Vc2在VB附近产生波动时防止继电器K1的反复开通/关断。目的之二是为了减小继电器K1断开时的工作电流，有利于继电器K1的可靠工作。
步骤S4、S3执行完毕之后返回步骤S1，循环执行步骤S1～步骤S3。
另外，本发明的一种具有宽输入电压范围的电路及控制方法控制逻辑清晰，安全可靠。
以上实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据此实施，并不能限制本发明的保护范围。凡跟本发明权利要求范围所做的均等变化与修饰，均应属于本发明权利要求的涵盖范围。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (11)

1.一种具有宽输入电压范围的电路，应用于高频开关电源，其特征在于，包括：
用于接入三相交流输入电压、将所述三相交流输入电压整流成脉动的直流电压的交流输入和整流电路；
与所述交流输入和整流电路连接、用于调节高频开关电源的输入功率因数的PFC电感电路；
与所述PFC电感电路连接、用于限制所述高频开关电源在开机过程中的冲击电流的软启动电路；
与所述软启动电路连接、用于生成输出设置电压的升压电路；
与所述软启动电路连接、用于在所述升压电路处于续流工作状态时，减小所述升压电路的电流的续流电路；
分别与所述PFC电感电路、所述软启动电路和所述升压电路连接，用于输出控制信号的控制电路。
2.根据权利要求1所述的具有宽输入电压范围的电路，其特征在于，所述PFC电感电路包括PFC电感和第一可控开关；
所述PFC电感的第一端与所述交流输入和整流电路连接，所述PFC电感的第二端连接所述软启动电路，所述第一可控开关与所述PFC电感并联连接。
3.根据权利要求2所述的具有宽输入电压范围的电路，其特征在于，所述软启动电路包括软启动电阻和第二可控开关；
所述软启动电阻的第一端连接所述PFC电感的第二端，所述软启动电阻的第二端连接所述续流电路和所述升压电路；
所述第二可控开关与所述软启动电阻并联连接。
4.根据权利要求1所述的具有宽输入电压范围的电路，其特征在于，还包括：
与所述升压电路、所述续流电路和所述控制电路连接的输出电路。
5.根据权利要求4所述的具有宽输入电压范围的电路，其特征在于，所述续流电路包括续流二极管；
所述续流二极管的阳极与软启动电路连接，续流二极管的阴极与所述输出电路连接。
6.根据权利要求5所述的具有宽输入电压范围的电路，其特征在于，所述升压电路包括升压电感、升压开关管、升压二极管、第一电容以及第二电容；
所述升压开关管的第一端与升压电感的第一端连接，所述升压电感的第二端还经所述第一电容连接至所述升压开关管的第三端；
所述升压开关管的第二端与控制电路连接，所述升压开关管的第一端还与所述升压二极管的阳极连接，所述第二电容连接在所述升压二极管的阴极与所述升压开关管的第三端之间；
所述升压电感的第二端与所述第一电容的连接端还连接所述软启动电路和所述续流二极管的阳极，所述升压二级管的阴极与所述续流二极管的阴极连接。
7.根据权利要求3所述的具有宽输入电压范围的电路，其特征在于，所述第一可控开关和所述第二可控开关为继电器或开关管。
8.根据权利要求4所述的具有宽输入电压范围的电路，其特征在于，所述输出电路包括DC/DC变换电路、隔离电路、以及输出整流滤波电路；
所述DC/DC变换电路、所述隔离电路以及所述输出整流滤波电路依次串联连接，且所述DC/DC变换电路还与所述控制电路连接。
9.根据权利要求8所述的具有宽输入电压范围的电路，其特征在于，DC/DC变换电路包括移相全桥电路或LLC电路。
10.一种高频开关电源，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的具有宽输入电压范围的电路。
11.一种具有宽输入电压范围的电路的控制方法，应用于权利要求1-9任一项所述的具有宽输入电压范围的电路，其特征在于，包括以下步骤：
S1：当控制电路检测到升压电路中的第二电容的电压大于升压电路的输出设置电压时，所述控制电路控制PFC电感电路中的第一可控开关维持断开状态，同时控制所述升压电路中的升压开关管的驱动占空比为0；
S2：当所述控制电路检测到所述升压电路中的第二电容的电压小于所述升压电路的输出设置电压时，所述控制电路控制所述PFC电感电路中的第一可控开关闭合，控制所述升压二极管，升压电感和升压开关管处于升压工作状态以控制所述第二电容的电压等于所述升压电路的输出设置电压；
S3：当所述控制电路检测到所述升压电路中的第二电容的电压大于等于恢复电压时，所述控制电路控制所述PFC电感电路中的第一可控开关断开；
S4、所述S3执行完毕之后返回步骤S1，循环执行步骤S1～步骤S3。
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