CN109194165B - 交流－直流功率变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种交流‑直流功率变换器，其两级功率级电路只需一个功率开关和控制电路即可实现能量的传输过程，此外，通过利用前级功率电路为储能电容充电，且直流输入的至少部分能量直接通过后级功率电路的一次功率转换传输至负载，以此来提高效率；另外，当直流输入电压小于储能电容上的电压时，后级功率电路通过获取储能电容上的能量为负载供电，从而使得本发明的交流‑直流功率变换器，具有输出纹波较低、能量转换效率高、器件应力低等优点，PF也得到了优化。

Description

交流－直流功率变换器
技术领域
本发明涉及一种电力电子技术，更具体地说，涉及一种应用于开关电源中的交流-直流功率变换器。
背景技术
交流-直流功率变换器(AC/DC converter)用以将交流电压转换为一恒定的直流电信号(例如直流电压或者直流电流)。由于交流-直流功率变换器的功率较高，因此广泛应用于驱动大功率的负载，例如电机、LED灯等。交流-直流功率变换器通常包括一整流桥，以将外部交流电压转换为一正弦半波直流输入电压来提供给后续变换电路。为了减小对交流电网的谐波污染，交流-直流功率变换器通常需要功率因数校正电路(PFC)来实现功率因数校正功能，获得一较高的功率因数。
现有技术中，两级变换电路或者单级变换电路均可以实现功率因数校正功能以及获得恒定的输出电信号，但是现有的两级PFC+DC/DC方案，器件较多，控制也比较复杂；而单级方案的储能电容的电压偏高，选择功率器件成本较高，均不利于节省成本。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种，以解决现有技术中控制复杂或者成本较高的问题。
第一方面，提供一种交流-直流功率变换器，包括：
功率开关，被配置为作为前级功率电路和后级功率电路的公共的主功率开关，其中，负载与所述后级功率电路相连接，且所述前级功率电路的第一感性元件与所述后级功率电路的第二感性元件没有串联在直流输入电压的同一个回路中；
储能电容，其耦接于所述前级功率电路和所述后级功率电路；
其中，所述第一感性元件与所述第二感性元件有公共的节点，且所述功率开关直接连接至所述节点。
优选地，当直流输入电压大于所述储能电容上的电压时，在每一开关周期内，直流输入的至少部分能量直接通过所述后级功率电路的一次功率转换传输至负载。
优选地，当所述功率开关导通时，所述直流输入电压对所述第一感性元件进行储能，并通过所述输入电压和所述储能电容中的至少一个同时对所述第二感性元件进行储能。
优选地，所述直流输入电压为所述前级功率电路供电，所述直流输入电压或所述储能电容为所述后级功率电路供电。
优选地，当所述直流输入电压大于所述储能电容上的电压时，所述直流输入电压为所述前级功率电路和所述后级功率电路供电。
优选地，当所述直流输入电压小于所述储能电容上的电压时，所述储能电容为所述后级功率电路供电；所述前级功率电路不工作，或者，由所述直流输入电压为所述前级功率电路供电。
优选地，所述交流-直流功率变换器包括第一二极管，其阳极连接至所述储能电容的正极，其阴极连接至所述直流输入电压的第一输出端，且所述功率开关与所述第一二极管的阴极连接。
优选地，所述前级功率电路包括：
第一感性元件，其一端连接至所述功率开关的第一端，另一端与第二二极管的阳极连接，所述功率开关的第二端连接至所述直流输入电压的第一输出端；
所述第二二极管，其阴极连接至所述储能电容的正极。
优选地，所述后级功率电路包括：
第一变压器，其原边绕组的一端与所述功率开关以及所述第一感性元件的公共节点连接；
第三二极管，其阳极连接至所述第一变压器的副边绕组的一端；
第四二极管，其阴极连接至所述第三二极管的阴极；
第二电感，其一端连接至所述第四二极管的阴极；
其中，所述功率开关、所述第一变压器、所述第三二极管、所述第四二极管、以及所述第二电感构成forward电路拓扑。
优选地，所述后级功率电路包括：
第二感性元件，其第一端与所述功率开关以及所述第一感性元件的公共节点连接，其第二端连接至地；
第五二极管，其阴极与所述第二感性元件以及所述功率开关的公共节点连接。
优选地，所述前级功率电路包括：
第一感性元件，其与所述功率开关以及所述直流输入电压构成第一回路，所述第一回路用于利用所述直流输入电压给所述第一感性元件储能。
优选地，所述前级功率电路还包括：
第六二极管，其阴极与所述储能电容的正极相连，阳极连接至地，并且，所述第六二极管用于为所述第一感性元件续流提供回路。
优选地，所述后级功率电路包括：
第七二极管，其阴极连接至地，阳极通过负载与所述后级功率电路的第二感性元件连接，所述第七二极管用于利用所述直流输入电压给所述后级功率电路的第二感性元件储能提供回路。
优选地，所述后级功率电路还包括：
第八二极管，其阳极与所述储能电容的正极相连，阴极与所述功率开关相连，并且，所述第八二极管用于在所述直流输入电压小于所述储能电容上的电压时，利用所述储能电容给所述后级功率电路的第二感性元件储能提供回路。
本发明的交流-直流功率变换器，其两级功率级电路只需一个功率开关和控制电路即可实现能量的传输过程，此外，通过利用前级功率电路为储能电容充电，且直流输入的至少部分能量直接通过后级功率电路的一次功率转换传输至负载，以此来提高效率；另外，当直流输入电压小于储能电容上的电压时，后级功率电路通过获取储能电容上的能量为负载供电，从而使得本发明的交流-直流功率变换器，具有输出纹波较低、能量转换效率高、器件应力低等优点，PF也得到了优化。
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的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明第一实施例的交流-直流功率变换器的结构图；
图2为本发明第二实施例的交流-直流功率变换器的结构图
图3为本发明第三实施例的交流-直流功率变换器的结构图；
具体实施方式
以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细叙述。
此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。
同时，应当理解，在以下的描述中，“电路”是指由至少一个元件或子电路通过电气连接或电磁连接构成的导电回路。当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件/电路“连接在”两个节点之间时，它可以是直接耦接或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件“直接耦接到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。
除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
参考图1，所示为依据本发明的交流-直流功率变换器的第一实施例的结构图。在本实施例中，外部交流电压Vac,in经整流电路11和滤波电容Cin整流滤波后得到一正弦半波的直流输入电压Vin。所述交流-直流功率变换器包括功率开关S1、储能电容C1、前级功率电路以及后级功率电路。
其中，功率开关S1，被配置为作为前级功率电路和后级功率电路的公共的主功率开关，其中，负载R与后级功率电路相连接。且前级功率电路的第一感性元件与后级功率电路的第二感性元件没有串联在直流输入电压的同一个回路中，其中，第一感性元件与第二感性元件有公共的节点，且功率开关S1直接连接至所述节点。由于两级功率电路共用一个功率开关，因此，依据本发明的交流-直流功率变换器可以称之为单级功率变换器。储能电容C1，耦接于前级功率电路和后级功率电路，并连接在前级功率电路的回路中，且在前级功率电路处于储能和续流状态时，均对储能电容C1进行充电。其中，当直流输入电压Vin小于储能电容C1上的电压时，由储能电容C1为负载R供电。
优选地，当直流输入电压Vin大于储能电容C1上的电压时，直流输入电压Vin为前级功率电路和后级功率电路供电，两者同时工作。且在每一个开关周期内，交流-直流功率变换器的直流输入的至少部分能量直接通过后级功率电路的一次功率转换传输至负载R。在前级功率电路工作时，通过前级功率电路的回路为储能电容C1充电；当直流输入电压Vin小于储能电容C1上的电压VC1时，后级电路通过获取所述储能电容C1上的能量为负载R供电，前级功率电路不工作，或者，由所述直流输入电压Vin为前级功率电路供电。在本发明实施例中，当直流输入电压Vin小于储能电容C1上的电压VC1时，前级功率电路没有工作回路。
如图1所示，交流-直流功率变换器还包括第一二极管D1，其阳极连接至储能电容C1的正极，其阴极连接至整流电路11的第一输出端，整流电路11的第二输出端接地，且功率开关S1与第一二极管D1的阴极连接。在本发明实施例中，前级功率电路为buck电路拓扑。第一感性元件为第一电感Lb，第二感性元件为第一变压器T1。具体地，前级功率电路包括：第一电感Lb，其一端连接至功率开关S1的第一端，另一端与第二二极管D2的阳极连接，同时，第二二极管D2的阴极连接至储能电容C1的正极，且功率开关S1的第二端连接至所述整流电路11的第一输出端，也即第一二极管D1的阴极，储能电容C1的负极接地。
本发明实施例的后级功率电路包括第一变压器T1、第三二极管D3、第四二极管D4、第二电感Lf，同时还包括连接至后级功率电路输出端的输出电容Co，负载R。具体地，第一变压器T1，其原边绕组Lp的第一端与功率开关S1的第一端以及第一电感Lb的公共节点连接，第二端连接至地，第三二极管D3，其阳极连接至所述第一变压器T1的副边绕组Ls的一端，另一端与第四二极管D4阴极连接，第四二极管D4阳极连接至副边地，第二电感Lf，其一端连接至第三二极管D3以及第四二极管D4的公共节点，另一端连接至输出电容Co，其中，功率开关S1、第一变压器T1、第三二极管D3、第四二极管D4、以及第二电感Lf构成forward电路拓扑。
当直流输入电压Vin大于储能电容C1上的电压VC1时，由功率开关S1、第一电感Lb、第二二极管D2构成第一路径，即buck电路拓扑，由功率开关S1、第一变压器T1、第三二极管D3、第四二极管D4、以及第二电感Lf构成第二路径，即forward电路拓扑。当功率开关S1导通时，直流输入电压Vin通过第一路径对第一电感Lb进行储能，以及对储能电容C1进行充电，储能电容C1处于储能状态，与此同时，直流输入电压Vin也通过第二路径对第一变压器T1的原边绕组Lp进行储能，以在其副边绕组Ls上产生压降，用以给负载R供电；当功率开关S1关断时，第一路径中的第一电感Lb通过储能电容C1以及第一变压器T1去磁，将其上的能量释放给储能电容C1，也即此阶段内储能电容C1还是处于储能状态，与此同时，第二电感Lf上储存的能量，也释放给负载R。
当直流输入电压Vin小于储能电容C1上的电压VC1时，储能电容C1、第一二极管D1、功率开关S1、第一变压器T1、第三二极管D3、第四二极管D4、以及第二电感Lf构成第三路径。当功率开关S1导通时，储能电容C1通过第三路径对第一变压器T1的原边绕组Lp进行储能，以在其副边绕组Ls上产生压降，用以给负载R供电，此时，储能电容C1处于放电状态，如图2所示，此阶段内输入电流Iin为零，且前级的buck电路不工作；当功率开关S1关断时，第二电感Lf上储存的能量，释放给负载R。
至此可知，本发明的交流-直流功率变换器，其两级功率级电路只需一个功率开关和控制电路即可实现能量的传输过程，此外，通过在直流输入电压Vin大于储能电容C1上的电压VC1时，利用前级功率电路为储能电容C1充电，且直流输入的至少部分能量直接通过后级功率电路的一次功率转换传输至负载R；当直流输入电压Vin小于储能电容C1上的电压VC1时，后级电路通过获取所述储能电容C1上的能量为负载R供电，从而使得本发明的交流-直流功率变换器，具有输出纹波较低、能量转换效率高、器件应力低等优点，同时PFC也得到了优化。
参考图2，所示为依据本发明的交流-直流功率变换器的第二实施例的结构框图。其与第一实施例的区别仅在于，后级功率电路结构不同，其他电路部分均相同，在此不再赘述。在本发明实施例中，前级功率电路为buck电路拓扑。第一感性元件为第一电感Lb，第二感性元件为第三电感Lbb。
本发明实施例的后级功率电路包括第三电感Lbb、第五二极管D5、同时还包括连接至后级功率电路的输出端的输出电容Co，负载R。具体地，第三电感Lbb，其第一端与功率开关S1的第一端以及第一电感Lb的公共节点连接，第二端连接至地，第五二极管D5，其阴极与第三电感Lbb以及功率开关S1的公共节点连接，阳极与输出电容Co连接，其中，功率开关S1、第三电感Lbb以及第五二极管D5构成buck-boost电路拓扑。
当直流输入电压Vin大于储能电容C1上的电压VC1时，由功率开关S1、第一电感Lb、第二二极管D2构成第一路径，即buck电路拓扑，由功率开关S1、第三电感Lbb以及第五二极管D5构成第二路径，即buck-boost电路拓扑。当功率开关S1导通时，直流输入电压Vin通过第一路径对第一电感Lb进行储能，以及对储能电容C1进行充电，储能电容C1处于储能状态，与此同时，直流输入电压Vin也通过第二路径对第三电感Lbb进行储能；当功率开关S1关断时，第一路径中的第一电感Lb通过储能电容C1以及第三电感Lbb去磁，将其上的能量释放给储能电容C1，也即此阶段内储能电容C1还是处于储能状态，与此同时，第三电感Lbb上储存的能量，也释放给负载R。
当直流输入电压Vin小于储能电容C1上的电压VC1时，储能电容C1、第一二极管D1、功率开关S1、第三电感Lbb以及第五二极管D5构成第三路径。当功率开关S1导通时，储能电容C1通过第三路径对第三电感Lbb进行储能，此时，储能电容C1处于放电状态，且前级的buck电路不工作；当功率开关S1关断时，第三电感Lbb上储存的能量，释放给负载R。
参考图3，所示为本发明第三实施例的交流-直流功率变换器的结构框图。在本发明实施例中，第一感性元件为第三电感Lbb，第二感性元件为第一电感Lb。
本实施例中的交流-直流功率变换器在工作时，当直流输入电压Vin大于储能电容C1上的电压VC1时，若功率开关S1导通，则前级功率电路和后级功率电路同时处于工作状态，直流输入电压Vin为前级功率电路供电，直流输入电压Vin为后级功率电路供电，并在此阶段内，交流-直流功率变换器通过前级功率电路的续流回路为储能电容C1充电，并且，后级功率电路直接将直流输入的部分能量通过一次功率转换传输至负载R。若功率开关S1关断，则前级功率变换电路和后级功率电路同时处于续流状态。当直流输入电压Vin小于储能电容C1上的电压VC1时，若功率开关S1导通，则直流输入电压Vin为前级功率电路供电，储能电容C1为后级功率电路，此时前级功率电路和后级功率电路均处于工作状态，若功率开关S1关断，则前级功率变换电路和后级功率电路同时处于续流状态。
具体地，前级功率电路包括：第三电感Lbb，其与功率开关S1以及直流输入电压Vin构成第一回路，第一回路用于利用直流输入电压Vin给第三电感Lbb储能，第六二极管D6，其阴极与储能电容C1的正极相连，阳极连接至地，其用于为第三电感Lbb续流。
后级功率电路包括第一电感Lb，其一端连接至功率开关S1，另一端通过负载与第七二极管D7的阳极连接，第七二极管D7的阴极连接至地，且第七二极管用于利用直流输入电压Vin给第一电感Lb储能提供回路。第八二极管D8，其阳极与储能电容C1的正极相连，阴极与功率开关S1相连，并且，所述第八二极管D8用于在所述直流输入电压Vin小于储能电容上的电压VC1时，利用储能电容C1给第一电感Lb储能提供回路。
如图3所示，当直流输入电压Vin大于储能电容C1上的电压VC1时，当功率开关S1导通时，由第三电感Lbb、功率开关S1以及滤波电容Cin构成的第一回路导通，直流输入电压Vin通过第一回路对第三电感Lbb进行储能，与此同时，由第一电感Lb、功率开关S1、滤波电容Cin、第七二极管D7以及负载R构成的第二回路也处于导通状态，直流输入电压Vin通过第二回路对第一电感Lb进行储能。当功率开关S1关断时，第三电感Lbb通过由第三电感Lbb、第六二极管D6、储能电容C1以及第九二极管D9构成的第三回路对储能电容C1进行充电，以及进行去磁，将其上的能量释放给储能电容C1，也即此阶段内储能电容C1是处于储能状态的。与此同时，第一电感Lb也通过由第一电感Lb、第九二极管D9以及负载R构成的第四回路，将其上储存的能量，释放给负载R。
当直流输入电压Vin小于储能电容C1上的电压VC1时，当功率开关S1导通时，由第三电感Lbb、功率开关S1以及滤波电容Cin构成的第一回路导通，直流输入电压Vin通过第一回路对第三电感Lbb进行储能，与此同时，第八二极管D8、功率开关S1、第一电感Lb、负载R、以及储能电容C1构成的第五回路也处于导通状态，第五回路利用储能电容C1给第一电感Lb储能，以此可以解决输出电压或输出电流由于输入电压变化较大，而导致的纹波大的问题。当功率开关S1关断时，第三电感Lbb通过由第三电感Lbb、第六二极管D6、储能电容C1以及第九二极管D9构成的第三回路对储能电容C1进行充电，以及进行去磁，将其上的能量释放给储能电容C1，也即此阶段内储能电容C1是处于储能状态的。与此同时，第一电感Lb也通过由第一电感Lb、第九二极管D9以及负载R构成的第四回路，将其上储存的能量，释放给负载R。
至此可知，本发明的交流-直流功率变换器，其两级功率级电路只需一个功率开关和控制电路即可实现能量的传输过程，此外，通过利用前级功率电路在续流时为储能电容C1充电，且直流输入的至少部分能量直接通过后级功率电路的一次功率转换传输至负载R；当直流输入电压Vin小于储能电容C1上的电压VC1时，后级电路通过获取储能电容C1上的能量为负载R供电，从而使得本发明的交流-直流功率变换器，具有输出纹波较低、能量转换效率高、器件应力低等优点，同时具有输入电压越高，功率开关的峰值电流越高的特性，使得平均输入电流近似跟随输入电压，且输入电流没有死区，从而PF也得到了优化。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种交流-直流功率变换器，其特征在于，包括：
功率开关，被配置为作为前级功率电路和后级功率电路的公共的主功率开关，其中，负载与所述后级功率电路相连接，且所述前级功率电路的第一感性元件与所述后级功率电路的第二感性元件没有串联在直流输入电压的同一个回路中，其中，所述前级功率级电路为buck电路拓扑；
储能电容，其耦接于所述前级功率电路和所述后级功率电路；当直流输入电压小于所述储能电容上的电压时，所述储能电容为所述后级功率电路供电，且所述前级功率电路不工作；
其中，所述第一感性元件与所述第二感性元件有公共的节点，且所述功率开关直接连接至所述节点。
2.根据权利要求1所述的交流-直流功率变换器，其特征在于，当直流输入电压大于所述储能电容上的电压时，在每一开关周期内，直流输入的至少部分能量直接通过所述后级功率电路的一次功率转换传输至负载。
3.根据权利要求1所述的交流-直流功率变换器，其特征在于，当所述功率开关导通时，所述直流输入电压对所述第一感性元件进行储能，并通过所述输入电压和所述储能电容中的至少一个同时对所述第二感性元件进行储能。
4.根据权利要求2所述的交流-直流功率变换器，其特征在于，所述直流输入电压为所述前级功率电路供电，所述直流输入电压或所述储能电容为所述后级功率电路供电。
5.根据权利要求4所述的交流-直流功率变换器，其特征在于，当所述直流输入电压大于所述储能电容上的电压时，所述直流输入电压为所述前级功率电路和所述后级功率电路供电。
6.根据权利要求1所述的交流-直流功率变换器，其特征在于，所述交流-直流功率变换器包括第一二极管，其阳极连接至所述储能电容的正极，其阴极连接至所述直流输入电压的第一输出端，且所述功率开关与所述第一二极管的阴极连接。
7.根据权利要求6所述的交流-直流功率变换器，其特征在于，所述前级功率电路包括：
第一感性元件，其一端连接至所述功率开关的第一端，另一端与第二二极管的阳极连接，所述功率开关的第二端连接至所述直流输入电压的第一输出端；
所述第二二极管，其阴极连接至所述储能电容的正极。
8.根据权利要求7所述的交流-直流功率变换器，其特征在于，所述后级功率电路包括：
第一变压器，其原边绕组的一端与所述功率开关以及所述第一感性元件的公共节点连接；
第三二极管，其阳极连接至所述第一变压器的副边绕组的一端；
第四二极管，其阴极连接至所述第三二极管的阴极；
第二电感，其一端连接至所述第四二极管的阴极；
其中，所述功率开关、所述第一变压器、所述第三二极管、所述第四二极管、以及所述第二电感构成forward电路拓扑。
9.根据权利要求7所述的交流-直流功率变换器，其特征在于，所述后级功率电路包括：
第二感性元件，其第一端与所述功率开关以及所述第一感性元件的公共节点连接，其第二端连接至地；
第五二极管，其阴极与所述第二感性元件以及所述功率开关的公共节点连接。
10.根据权利要求1所述的交流-直流功率变换器，其特征在于，所述前级功率电路包括：
第一感性元件，其与所述功率开关以及所述直流输入电压构成第一回路，所述第一回路用于利用所述直流输入电压给所述第一感性元件储能。
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