CN109617431A - 一种ac/dc电源系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种AC/DC电源系统，包括AC供电电源、功率因素矫正(PFC)电路、控制电路、母线电容、切换电路、DC/DC隔离功率级以及输出电容和输出负载。其中所述PFC模块的输入为AC电源、输出为母线电压，切换电路的输入为母线电压、输出有四个端子，每两个端子一组分别连接到两个DC/DC模块的输入端，DC/DC的输出端以并联的方式相连并给输出电容和负载供电。控制电路根据检测到的输入电压的有效值或峰值来设置PFC模块的输出电压，并跟据检测信号Vbus_s与PFC采样信号来控制PFC电路的工作从而实现PFC功能和稳定母线电压Vbus，同时根据检测到的输入电压的有效值或峰值来控制切换电路来改变DC/DC模块的接入方式，或通过控制信号直接改变后级DC/DC的工作模式，从而使电源系统工作在最佳工作状态。

Description

一种AC/DC电源系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及电力电子电路，尤其涉及一种AC-DC电源系统。
背景技术
忽略EMI滤波模块，图1所示为一种传统的AC-DC电源系统，桥式整流电路11将AC输入转换成直流电压供给Boost变换器12，所述Boost变换器提供功率因素矫正(PFC)功能以满足行业标准或者单纯地将波动较大的电压变换到一个稳定的电压或者变化范围较小的一个电压范围，后级DC/DC变换器13将所述Boost变换器的输出电压变换到负载所需的电压供给负载14，并实现隔离的作用。通常情况，AC输入范围为85～265VAC，当Boost变换器的输出为400V时我们称之为稳压型PFC，而当输出电压为200～400V时，我们称之为跟随型PFC。从后级性能以及设计难度而言，前级PFC输出电压越稳、范围越窄，后级拓扑越好选型，性能也越好，我们通常选用谐振类拓扑(如LLC)作为后级DC/DC功率级拓扑。但从单级PFC来上说，跟随型PFC性能好于稳压型PFC，低压效率更高，所需电感体积更小，同样的功率情况、工作模式、工作频率下，跟随型PFC的磁芯窗口面积积约为稳压型的60％。并且考虑到世界上两个典型的供电标准，即以中国为代表的一些国家的市电供电标准为220VAC，而以美国为代表的另外一些国家的市电供电标准为110VAC，因而同样的电源系统很难在两种电压输入情况下工作在最优工作状态。
因此，有必要也有可能对现有技术进行改进。
发明内容
有鉴如此，本发明提供一种AC/DC电源系统，并配以相应的控制方法，用以优化AC/DC电源供电系统的性能，该系统的特点是PFC级与DC/DC级同时自适应AC输入电压。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种AC/DC电源系统，包括AC供电电源、PFC电路、控制电路、母线电容、DC/DC隔离功率模块以及输出电容和输出负载；所述PFC电路的两个输入端分别连接AC供电电源的L端和N端，所述PFC电路的输出端输出母线电压，母线电容连接在PFC电路的输出端与地之间；DC/DC隔离功率模块的输入端连接PFC电路的输出端，DC/DC隔离功率模块有两个输出端，分别为输出正Vout+和输出负Vout-，输出电容和输出负载分别连接在输出正Vout+与输出负Vout-之间；
控制电路至少包括输入电压采样端口、母线电压采样端口、PFC采样信号端口、PFC开关控制端口和至少3个控制信号输出端口；输入电压采样端口连接到PFC电路的两个输入端，监测PFC电路的两个输入端之间的输入电压，并根据输入电压决定PFC的输出电压、通过控制信号输出端口连接到切换电路，通过切换电路控制DC/DC隔离功率模块的连接方式；同时，控制电路通过母线电压采样端口连接到PFC电路的输出端和地，监测母线电压；控制电路还通过PFC采样信号端口连接到PFC电路，监测PFC电路的电流信号，进而通过PFC开关控制端口控制PFC电路的工作频率与占空比，进一步稳定母线电压。
优选的，在PFC电路和DC/DC隔离功率模块之间增加了切换电路，所述切换电路的输入端连接所述PFC电路的输出端，所述换电路的输出端连接DC/DC隔离功率模块的输入端。
优选的，所述的PFC电路是具有功率因数矫正功能的电路，包括但不限于BoostPFC电路或无桥PFC电路。
优选的，所述的切换电路包括开关K1、开关K2和开关K3，开关K1的一端连接母线电压并作为切换电路的第一输出端连接DC/DC隔离功率模块的第一输入端，开关K2的一端与开关K3的一端连接并作为切换电路的第二输出端连接DC/DC隔离功率模块的第二输入端，开关K1的另一端与开关K3的另一端相连接并作为切换电路的第三输出端连接DC/DC隔离功率模块的第三输入端，开关K2的另一端接地并作为切换电路的第四输出端连接DC/DC隔离功率模块的第四输入端；开关K1的控制端连接控制电路的第一控制信号输出端口；开关K2的控制端连接控制电路的第二控制信号输出端口；开关K3的控制端连接控制电路的第三控制信号输出端口。
优选的，所述的开关K1、开关K2和开关K3是组合的多路机械开关、或是半导体开关的组合、或是继电器开关的组合。
优选的，所述的DC/DC隔离功率模块的第一种方案为：包括第一电源模块和第二电源模块，第一电源模块输入正作为DC/DC隔离功率模块的第一输入端，第一电源模块的输入负作为DC/DC隔离功率模块的第二输入端，第二电源模块的输入正作为DC/DC隔离功率模块的第三输入端，第二电源模块的输入负作为DC/DC隔离功率模块的第四输入端，第一电源模块的输出正连接第二电源模块的输出正并作为DC/DC隔离功率模块的输出正Vout+，第一电源模块的输出负连接第二电源模块的输出负并作为DC/DC隔离功率模块的输出负Vout-。
优选的，所述的第一电源模块和第二电源模块是半桥LLC电路，具有环路调节控制输出电压的功能，通过检测输出电压进行环路调节。
优选的，根据DC/DC隔离功率模块的第一种方案，对应的控制电路包括输入电压采样单元、Vbus电压采样单元和第一控制器，输入电压采样单元的正向输入端和负向输入端作为控制电路的输入电压采样端口分别连接AC供电电源的L端与N端，所述输入电压采样单元的输出端连接第一控制器的第一输入端；Vbus电压采样单元的正向输入端和负向输入端作为控制电路的母线电压采样端口分别连接连接母线电压Vbus和地，Vbus电压采样单元的输出端连接第一控制器的第二输入端；第一控制器的第三输入作为控制电路的PFC采样信号端口；第一控制器的第一输出端作为控制电路的PFC开关控制端口，第一控制器的第二输出端、第三输出端、第四输出端分别作为控制电路的第一控制信号输出端口、第二控制信号输出端口、第三控制信号输出端口。
优选的，所述的DC/DC隔离功率模块的第二种方案为：所述的第一电源模块和第二电源模块是半桥LLC电路，不具有环路调节控制输出电压的功能，第一电源模块至少包括第一控制端、第二控制端、第一采样信号输出端、第二采样信号输出端，第二电源模块至少包括第三控制端、第四控制端、第三采样信号输出端、第四采样信号输出端。
优选的，所述的DC/DC隔离功率模块的第三种方案为：所述的DC/DC隔离功率模块为全桥LLC电路。
优选的，所述的DC/DC隔离功率模块的第四种方案为：所述的DC/DC隔离功率模块为三电平LLC电路。
优选的，根据DC/DC隔离功率模块的第二至四种方案，对应的控制电路包括输入电压采样单元、Vbus电压采样单元、输出电压采样单元和第二控制器，输入电压采样单元的正向输入端和负向输入端作为控制电路的输入电压采样端口分别连接AC供电电源的L端与N端，所述输入电压采样单元的输出端连接第二控制器的第一输入端；Vbus电压采样单元的正向输入端和负向输入端作为控制电路的母线电压采样端口分别连接连接母线电压Vbus和地，Vbus电压采样单元的输出端连接第二控制器的第二输入端；第二控制器的第三输入作为控制电路的PFC采样信号端口；第二控制器的第一输出端作为控制电路的PFC开关控制端口，第二控制器的第二输出端、第三输出端、第四输出端分别作为控制电路的第一控制信号输出端口、第二控制信号输出端口、第三控制信号输出端口；
第二控制器还包括第五输出端、第六输出端、第七输出端、第八输出端，第五输出端至第八输出端分别连接DC/DC隔离功率模块的第一控制端至第四控制端；
第二控制器还包括第四输入端、第五输入端、第六输入端、第七输入端、第八输入端，输出电压采样单元正向输入端连接输出正Vout+，输出电压采样单元的负向输入端连接输出负Vout-，输出电压采样单元的输出端连接第二控制器的第四输入端，第五输入端至第八输入端分别连接DC/DC隔离功率模块的第一采样信号输出端至第四采样信号输出端。
一种AC/DC电源系统的控制方法，应用于DC/DC隔离功率模块为第一、二种方案时，控制电路中设置门槛值Vth，控制电路监测输入电压，并将输入电压与门槛值进行比较，当输入电压小于门槛值时，控制电路控制PFC电路以低电压模式输出Vbus_L，同时控制切换电路来改变第一电源模块与第二电源模块的接入方式，使第一电源模块与第二电源模块并联连接；而当输入电压大于门槛值时，控制电路控制PFC电路以高电压模式输出Vbus_H，同时控制切换电路来改变第一电源模块与第二电源模块的接入方式，使第一电源模块与第二电源模块串联连接；同时，控制电路通过母线电压采样端口监测母线电压，通过PFC采样信号端口监测PFC电路的电流信号，进而通过PFC开关控制端口控制PFC电路的工作频率与占空比，进一步稳定母线电压。
一种AC/DC电源系统的控制方法，应用于DC/DC隔离功率模块为第三种方案时，控制电路中设置门槛值Vth，控制电路监测输入电压，并将输入电压与门槛值进行比较，当输入电压小于门槛值时，控制电路控制PFC电路以低电压模式输出Vbus_L，同时控制DC/DC隔离功率模块工作在全桥模式；而当输入电压大于门槛值时，控制电路控制PFC电路以高电压模式输出Vbus_H，同时控制DC/DC隔离功率模块工作在半桥模式；控制电路通过母线电压采样端口监测母线电压，通过PFC采样信号端口监测PFC电路的电流信号，进而通过PFC开关控制端口控制PFC电路的工作频率与占空比，进一步稳定母线电压。
一种AC/DC电源系统的控制方法，应用于DC/DC隔离功率模块为第四种方案时，控制电路中设置门槛值Vth，控制电路监测输入电压，并将输入电压与门槛值进行比较，当输入电压小于门槛值时，控制电路控制PFC电路以低电压模式输出Vbus_L，同时控制DC/DC隔离功率电路工作在半桥模式；而当输入电压大于门槛值时，控制电路控制PFC电路以高电压模式输出Vbus_H，同时控制DC/DC隔离功率电路工作在三电平模式；控制电路通过母线电压采样端口监测母线电压，通过PFC采样信号端口监测PFC电路的电流信号，进而通过PFC开关控制端口控制PFC电路的工作频率与占空比，进一步稳定母线电压。
与传统AC/DC电源系统相比，本发明所设计的AC/DC电源系统的后级DC/DC模块的输入电压减小1倍、MOS管的应力减小1倍、变压器匝数减小1倍，这意味着可以选取电压规格更低的MOS管，变压器匝数的减少也有利于变压器的平面化。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)自适应110VAC输入与220VAC输入，低压效率更高；
(2)PFC模块所需电感体积更小，更容易实现平面化；
(3)DC/DC级MOS管的电压应力减小1倍，所需电压规格更低，更容易选取高性能的MOS管；
(4)DC/DC级变压器的匝比减小1倍，匝数更少；
(5)MOS管电压规格的降低与变压器匝数的减少都更利于实现高频化和平面化；
(6)应用方便，实现简单。
附图说明
图1为传统的AC/DC电源系统框图；
图2为本发明的AC/DC电源系统的第一实施例电路原理图；
图3为本发明第一实施例的AC/DC电源系统的控制方法流程图；
图4-1为现有技术中普通Boost PFC电路原理图；
图4-2为现有技术中无桥PFC电路原理图；
图5为本发明第一实施例中的DC/DC隔离功率模块的其中一个电源模块的电路原理图；
图6为本发明的AC/DC电源系统的第二实施例电路原理图；
图7为本发明第二实施例中的DC/DC隔离功率模块的其中一个电源模块的电路原理图；
图8为本发明的AC/DC电源系统的第三实施例电路原理图；
图9为本发明第三实施例中的DC/DC隔离功率模块电路原理图；
图10为本发明第三实施例的AC/DC电源系统的控制方法流程图；
图11为本发明第三实施例的DC/DC隔离功率模块的工作时序图；
图12为本发明第四实施例的DC/DC隔离功率模块电路原理图；
图13为本发明第四实施例的AC/DC电源系统的控制方法流程图；
图14为本发明第四实施例的DC/DC隔离功率模块的工作时序图。
具体实施方式
第一实施例
图2所示为本发明的AC/DC电源系统的实施例1电路原理图，所述AC/DC电源系统包括AC供电电源、功率因素矫正电路21(简称PFC电路)、母线电容Cbus、切换电路22、控制电路23、DC/DC隔离功率模块30以及输出电容Cout和输出负载Rload。
所述DC/DC隔离功率模块30包括30a与30b两个完整的电源模块，30a与30b自身就具有环路调节控制输出电压的功能。所述PFC电路21的两个输入端分别连接AC供电电源的L端和N端，输出端输出母线电压Vbus。母线电容Cbus连接在PFC电路的输出端与地之间。切换电路22的输入端连接母线电压Vbus，22有四个输出端，分别连接DC/DC隔离功率模块的电源模块30a的输入端Vin1+与Vin1-、电源模块30b的输入端Vin2+、Vin2-，电源模块30a与30b的输出端Vout1+与Vout2+相连后连接到Vout+、Vout1-与Vout2-相连后连接到Vout-，输出电容和输出负载分别连接在Vout+与Vout-之间。
控制电路23包括输入电压采样单元、Vbus电压采样单元和控制器1，输入电压采样单元的正向输入端和负向输入端作为控制电路的输入电压采样端口分别连接AC供电电源的L端与N端，所述输入电压采样单元的输出端连接控制器的第一输入端；Vbus电压采样单元的正向输入端和负向输入端作为控制电路的母线电压采样端口分别连接连接母线电压Vbus和地，输出端连接控制器的第二输入端；控制器的第三输入作为控制电路的PFC采样信号端口连接PFC电路的PFC采样信号，监测PFC电路的工作电压和工作电流；控制器的第一输出端输出PFC开关控制信号Ctr控制PFC电路的频率以及占空比，控制器的第二输出端、第三输出端、第四输出端分别作为控制电路的第一控制信号输出端口、第二控制信号输出端口、第三控制信号输出端口，分别输出控制信号Ctr1、Ctr2、Ctr3到切换电路22。
图3所示为本发明第一实施例的AC/DC电源系统的控制方法的简要流程图。
所述控制电路23监测输入电压、母线电压Vbus以及PFC电路中的PFC采样信号，通过输出PFC开关控制信号控制PFC电路的工作频率(fs)与占空比(D)，从而实现PFC功能和稳定母线电压Vbus；所述控制电路的控制器1中设置门槛值Vth，并用检测到的输入电压的有效值或峰值来跟设定的门槛值进行比较，当输入电压小于设定的门槛值时，控制电路23控制PFC电路21以低电压模式输出Vbus_L，同时控制切换电路来改变电源模块30a与电源模块30b的接入方式，使30a与30b两个模块并联连接；而当输入电压大于设定的门槛值时，控制电路23控制PFC模块21以高电压模式输出Vbus_H，同时控制切换电路来改变电源模块30a与电源模块30b的接入方式，使30a与30b两个模块串联；从而使电源系统工作在最佳工作状态。
优选的，控制电路设置的门槛电压对应的输入电压有效值为130VAC，但不排除其它接近的电压值；
优选的，控制电路控制PFC电路21的输出低电压Vbus_L为200V、高电压Vbus_H为400V，但也不排除其它接近的电压值。
优选的，切换电路包括3个开关，分别为K1、K2和K3，K1的一端连接母线电压Vbus并作为切换电路的第一输出端连接电源模块30a的输入端Vin1+，K2的一端与K3的一端连接并作为切换电路的第二输出端连接电源模块30a的输入端Vin1-，K1的另一端与K3的另一端相连接并作为切换电路的第三输出端连接电源模块30b的输入端Vin2+，K2的另一端接地并作为切换电路的第四输出端连接电源模块30b的输入端Vin1-；K1的控制端连接控制器的第二输出端；K2的控制端连接控制器的第三输出端；K3的控制端连接控制器的第四输出端。
优选的，切换电路的开关可以是组合的多路机械开关；
优选的，切换电路的开关可以是半导体开关的组合；
优选的，切换电路的开关还可以是继电器开关的组合。
对切换电路开关的控制是为了实现对后级DC/DC模块连接方式的控制，控制结果如下表所示：
优选的，PFC电路可以是图4-1所示现有技术中普通Boost PFC电路，包括整流桥DB1、电感L、开关管TR、驱动电路1和二极管D，整流桥的两个输入端分别连接AC供电电源的L端和N端，电感L的一端连接整流桥DB1的正输出端，整流桥DB1的负输出端接地，电感L的另一端分别连接开关管TR的漏极和二极管D的阳极，开关管TR的源极接地；驱动电路1的输入端连接控制电路输出的PFC开关控制信号ctr，驱动电路1的输出端连接开关管TR的栅极，控制开关管TR的开通和关断；电感电流信号IL从电感L的另一端引出作为PFC采样信号提供给控制器1进行PFC功能控制；二极管D的阴极作为PFC电路的输出端输出电压Vbus。
优选的，PFC电路也可以是以图4-2所示图腾柱无桥PFC电路为代表的无桥PFC电路，包括驱动电路2、开关管TRa、开关管TRb、电感L、二极管Da和二极管Db；电感L的一端作为PFC电路的一个输入端连接AC供电电源的L端，电感L的另一端连接开关管TRa的源极和开关管TRb的漏极，开关管TRa的漏极作为PFC电路的输出端输出电压Vbus，开关管TRb的源极接地；二极管Da的阳极与二极管Db的阴极的连接点作为PFC电路的另一个输入端连接AC供电电源的N端，二极管Da的阴极连接开关管TRa的漏极，二极管Db的阳极接地。驱动电路2的两个输入端分别连接控制电路输出的两路控制信号Ctra和Ctrb，输出两路控制信号Vgsa和Vgsb分别给开关管TRa的栅极和开关管TRb的栅极，控制开关管TRa和开关管TRb的开通和关断。当PFC电路中有两个开关管时，控制电路就会通过PFC开关控制端口输出两路控制信号，即Ctra和Ctrb。电感电流信号IL从电感L的另一端引出作为PFC采样信号提供给控制器1进行PFC功能控制。
PFC电路并不局限于以上两种，凡是能实现功率因数矫正功能的电路，都适用于本发明。
优选的，DC/DC隔离功率模块基于现有的半桥LLC电路，LLC电路是目前窄电压输入时最常用的拓扑。DC/DC隔离功率模块中的电源模块30a或30b相同，其中一个的电路原理图如图5所示，包含两个输入端Vin+与Vin-、两个输出端Vout+与Vout-、输入电容Cin、输出电容Co、驱动电路3、开关管TR1、开关管TR2、谐振电感Lr、变压器T1、谐振电容Cr、整流管D1、整流管D2和输出电压采样单元；以30a为例进行说明，Vin+接Vin1+，Vin-接Vin1-；Vin+与Cin的正输入端以及TR1的漏极相连；Cin的负输入端连接Vin-，TR1的源极与TR2的漏极相连，TR2的源极接地；Lr的一端与TR1与TR2的中点相连、Lr的另一端接变压器T1的原边绕组的一端，变压器T1的原边绕组的另一端连接电容Cr的一端，电容Cr接地。二极管D1的阳极连接变压器T1的副边绕组的一端，二极管D2的阳极连接变压器T1的副边绕组的另一端，二极管D1的阴极连接二极管D2的阴极并作为DC/DC隔离功率模块的输出正Vout+，变压器T1的副边绕组的中心抽头引出作为DC/DC隔离功率模块的输出正Vout-。谐振电流信号Ir从电容Cr的另一端引出接控制器2的第一输入端、谐振电压信号Vcr从电容的一端引出接控制器2的第二输入端。输出电压采样单元的正向输入端和负向输入端分别连接输出正Vout+和输出负Vout-，输出电压信号Vo_s接控制器2的第三输入端，IN1与IN2为控制器2输出的两个控制信号，IN1与IN2分别连接到驱动电路3的两个输入端并通过驱动电路控制TR1与TR2的开关，从而稳定电压模块的输出电压。
电源模块30a为现有的半桥LLC电路，其工作原理在此不赘述。
第二实施例
图6所示为本发明的AC/DC电源系统的第二实施例电路原理图，所述AC/DC电源系统包括AC供电电源、功率因素矫正电路21(简称PFC电路)、母线电容Cbus、切换电路22、控制电路62、DC/DC隔离功率模块61以及输出电容Cout和输出负载Rload。
与第一实施例不同的是，所述DC/DC隔离功率模块61包括61a与61b两个电源模块，所述61a与61b本身不含输出电压采样单元，控制和检测功能在控制电路62中实现。电源模块61a的两个输入端Vin1+与Vin1-分别连接切换电路的第一输出端和切换电路的第二输出端，电源模块61b的两个输入端Vin2+和Vin2-分别连接切换电路的第三输出端和切换电路的第四输出端，电源模块61a与61b的输出端Vout1+与Vout2+相连后连接到Vout+、Vout1-与Vout2-相连后连接到Vout-。
优选的，在第一实施例的基础上，将DC/DC隔离功率模块中的输出电压采样单元转移到了控制电路62中，控制电路62中的控制器3相对于第一实施例中的控制器1还增加了Vo_s、Sa1、Sa2、……、San信号采样输入端、第五输出端、第六输出端、第七输出端、第八输出端，n≥4。输出电压采样单元正向输入端连接输出电压Vout+，输出电压采样单元的负向输入端连接输出电压Vout-，输出电压采样单元的输出端连接控制器3的第四输入端Vo_s，第五输出端、第六输出端、第七输出端、第八输出端分别输出控制信号Ctr4、Ctr5、Ctr6和Ctr7到DC/DC隔离功率模块61。控制电路3根据输入电压检测信号Vac_s来设置PFC模块的输出电压，并跟据检测信号Vbus_s与PFC采样信号来控制PFC电路的工作从而实现PFC功能和稳定母线电压Vbus，同时根据检测到的输入电压的有效值或峰值来控制切换电路来改变DC/DC模块的接入方式，同时根据Vo_s、Sa1、Sa2、……、San这些采样信号来输出控制信号Ctr4、Ctr5、Ctr6和Ctr7来控制DC/DC模块功率管的开关来稳定输出电压。
优选的，DC/DC隔离功率模块其中一个电源模块61a或61b为图7所示的半桥LLC电路，以61a为例进行说明，与第一实施例不同的是，电源模块61a中驱动电路的控制信号来自控制电路62的Ctr4和Ctr5，谐振电流信号Ir从电容Cr的另一端引出，谐振电压信号Vcr从电容的一端引出，并分别通过控制器3的信号采样输入端Sa1、Sa2提供给控制电路，控制器3根据采样信号输出开关控制信号Ctr4和Ctr5。同理，电源模块61b中驱动电路的控制信号来自控制电路62的Ctr6和Ctr6，电源模块61b中的谐振电流信号谐振电压信号分别通过控制器3的信号采样输入端Sa3、Sa4提供给控制电路，控制器3根据采样信号输出开关控制信号Ctr6和Ctr7。
本实施例中控制电路包含PFC控制功能、切换电路控制功能、DC/DC电压转换功能、均压功能、均流功能以及保护功能，所述控制器62功能更复杂，但更集中，更全面，有利于集中管理。
第三实施例
图8所示为本发明的AC/DC电源系统第三实施例电路原理图，所述AC/DC电源系统包括AC供电电源、功率因素矫正电路21、母线电容Cbus、控制电路82、DC/DC隔离功率模块81以及输出电容Cout和输出负载Rload。所述隔离功率模块81本身不含输出电压采样单元。所述PFC电路21的输入端连接AC供电电源，PFC电路的输出正和输出负分别连接DC/DC隔离功率模块81的输入正Vin+和输入负Vin-，PFC电路的输出正的电压为母线电压Vbus，Cbus的两端分别连接到DC/DC功率电路81的输入Vin+与Vin-，所述DC/DC隔离功率模块81的输出端为Vout+与Vout-，输出电容和输出负载分别连接在Vout+与Vout-之间。
与第二实施例相同的是，控制电路对AC输入的采样和对Vbus电压的采样以及对PFC电路的信号采样和开关控制方式与实施例二一致，在此不再赘述。
与第二实施例不同的是，本实施例没有第二实施例中的切换电路，DC/DC隔离功率模块为图9所示的全桥LLC电路，控制信号来自控制电路82，控制电路82的控制方式也略有不同。信号采样输入端Vo_S的信号来自输出电压采样单元，信号采样输入端Sa1、Sa2、……、San的采样信号来自DC/DC隔离功率模块(如Ir、Vcr等)，控制器3根据采样到的信号输出控制信号Ctr1、Ctr2、……、Ctrn到DC/DC隔离功率模块来控制开关管的开关，n≥4。
DC/DC隔离功率模块包括开关管TR41、开关管TR42、开关管TR43、开关管TR44、变压器T1、电容Cr、电感Lr、二极管D1、二极管D2和驱动电路4，驱动电路的4个输入端分别连接控制信号Ctr1、Ctr2、Ctr3、Ctr4，并分别输出Vgs41、Vgs42、Vgs43、Vgs44到开关管TR41的栅极、开关管TR42的栅极、开关管TR43的栅极和开关管TR44的栅极。TR41的漏极和TR43的漏极连接Vin+，TR41的源极分别连接TR42的漏极和Lr的一端，Lr的另一端接变压器T1的原边绕组的一端，变压器T1的原边绕组的另一端连接电容Cr的一端，电容Cr的另一端连接TR43的源极和TR44的漏极，TR42的源极和TR44的源极接地。二极管D1的阳极连接变压器T1的副边绕组的一端，二极管D2的阳极连接变压器T1的副边绕组的另一端，二极管D1的阴极连接二极管D2的阴极并作为DC/DC隔离功率模块81的输出正Vout+，变压器T1的副边绕组的中心抽头引出作为DC/DC隔离功率模块81的输出正Vout-。谐振电流信号Ir从电容Cr的另一端引出，谐振电压信号Vcr从电容的一端引出，并分别通过控制器3的信号采样输入端Sa1、Sa2提供给控制电路，控制器3根据采样信号输出开关控制信号Ctr1和Ctr2。电源模块61b中的谐振电流信号谐振电压信号分别通过控制器3的信号采样输入端Sa3、Sa4提供给控制电路，控制器3根据采样信号输出开关控制信号Ctr6和Ctr7。
图10所示为本发明第三实施例的AC/DC电源系统的控制方法的简要流程图。
所述控制电路82监测输入电压、母线电压Vbus以及PFC电路中的采样信号，通过输出PFC开关控制信号控制PFC电路的工作频率(fs)与占空比(D)，从而实现PFC功能和稳定母线电压Vbus；所述控制电路设置门槛值Vth，并用检测到的输入电压的有效值或峰值来跟设定的门槛值进行比较，当输入电压小于设定的门槛值时，控制电路82控制PFC电路21以低电压模式输出Vbus_L，同时控制DC/DC隔离功率模块工作在全桥模式(高增益模式)；而当输入电压大于设定的门槛值时，控制电路23控制PFC电路21以高电压模式输出Vbus_H，同时控制DC/DC隔离功率模块工作在半桥模式(低增益模式)。
优选的，控制电路设置的门槛电压对应的输入电压有效值为130VAC，但不排除其它接近的电压值；
优选的，控制电路控制PFC电路21的输出低电压Vbus_L为200V、高电压Vbus_H为400V，但也不排除其它接近的电压值。
图11所示为第三实施例的一种典型工作时序，当Vac<Vth时，PFC电路输出Vbus_L，开关管TR41与TR44同步开关、开关管TR42与TR43同步开关，开关管TR41与TR42互补开关，DC/DC隔离功率模块工作在全桥模式，谐振腔两端的电压为±Vbus_L；当Vac>Vth时，PFC电路输出Vbus_H，开关管TR43常关、TR44常开、TR41与TR42互补开关，DC/DC隔离功率模块工作在半桥模式，谐振腔两端的电压为Vbus_H与0V；相对于全桥工作模式，半桥工作模式的传输增益减小一半，正好与电压升高一倍对应起来，如此，LLC电路在两种模式下都工作在谐振频率附近，工作频率范围变化不会很宽；这相当于拓宽了LLC电路的工作电压范围；
输入电压低时工作电流大，工作于全桥模式；输入电压高时工作电流小，工作于半桥模式，这有利于开关管的充分利用；
但是，全桥模式下开关管的电压应力为Vbus_L，全桥模式与半桥模式下开关管的电压应力都是Vbus_H，开关管的应力变化明显。
第四实施例
在第三实施例的基础上，我们将DC/DC隔离功率模块的全桥LLC电路换成图12所示的三电平LLC电路，则成了第四实施例。
本实施例中DC/DC隔离功率模块包括开关管TR51、开关管TR52、开关管TR53、开关管TR54、变压器T1、电容Cr、电容C1、电容C2、电容C3、电感Lr、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4和驱动电路5，驱动电路5的4个输入端分别连接控制信号Ctr1、Ctr2、Ctr3、Ctr4，并分别输出Vgs51、Vgs52、Vgs53、Vgs54到开关管T5R1的栅极、开关管TR52的栅极、开关管TR53的栅极和开关管TR54的栅极。
C1与C2串联后一端接Vin+、另一端接Vin-；D4的阴极与D3的阳极串联后与C3并联；D3和D4的连接点与C1和C2的连接点相连；TR51、TR52、TR53、TR54依次串联，TR51的源极接TR52的漏极、TR52的源极接TR53的漏极、TR53的源极接TR54的漏极、TR51的漏极接Vin+，TR54的源极接Vin-；D3阴极接TR51与TR52的连接点，D4的阳极接TR53与TR54的连接点，TR52与TR53的连接点连接Lr的一端，Lr的另一端接变压器T1的原边绕组的一端，变压器T1的原边绕组的另一端连接电容Cr的一端，电容Cr的另一端连接C1与C2的连接点。二极管D1的阳极连接变压器T1的副边绕组的一端，二极管D2的阳极连接变压器T1的副边绕组的另一端，二极管D1的阴极连接二极管D2的阴极并作为DC/DC隔离功率模块81的输出正Vout+，变压器T1的副边绕组的中心抽头引出作为DC/DC隔离功率模块81的输出正Vout-。
此时图13所示为依据本发明的AC/DC电源系统的第四实施例的控制方法的简要流程，图14所示为一种典型的工作时序，当Vac<Vth时，PFC电路输出Vbus_L，开关管TR51与TR54常开，开关管TR52与TR53互补工作，DC/DC隔离功率电路工作在半桥模式；而当当Vac>Vth时，PFC电路输出Vbus_H，开关管TR51与TR54互补工作、开关管TR52与TR53互补工作、同时TR51与TR52间存在一定相位差，DC/DC隔离功率电路工作在三电平模式；
在所述半桥模式下，MOS管的应力为Vbus，实际上为Vbus_L；在所述三电平模式，下MOS管的应力为Vbus/2，实际上为Vbus_H/2；这意味着MOS管的应力减小，可以用到更高的电压场合；
同时，在半桥模式下，谐振腔两端的电压为Vbus/2与-Vbus/2；在三电平模式下谐振腔的电压为Vbus/2、0与-Vbus/2；三电平模式下变换器电压增益减小，这也正好匹配三电平模式下输入电压的升高，如此，LLC电路在两种模式下都工作在谐振频率附近，工作频率范围变化不会很宽；这相当于拓宽了LLC电路的工作电压范围；
另外，半桥模式下开关管的电压应力为Vbus_L，三电平模式下开关管的电压应力为Vbus_H/2，开关管的应力基本不变，这意味着可以采用电压规格更低的开关管，模块性能将会提高。
以上公开仅为本发明的具体实施例，但是本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员在未脱离本发明的核心思想的前提下对本发明进行的若干修饰均应该落在本发明权利要求的保护范围之类。

Claims (15)

1.一种AC/DC电源系统，其特征在于：包括AC供电电源、PFC电路、控制电路、母线电容、DC/DC隔离功率模块以及输出电容和输出负载；所述PFC电路的两个输入端分别连接AC供电电源的L端和N端，所述PFC电路的输出端输出母线电压，母线电容连接在PFC电路的输出端与地之间；DC/DC隔离功率模块的输入端连接PFC电路的输出端，DC/DC隔离功率模块有两个输出端，分别为输出正Vout+和输出负Vout-，输出电容和输出负载分别连接在输出正Vout+与输出负Vout-之间；
控制电路至少包括输入电压采样端口、母线电压采样端口、PFC采样信号端口、PFC开关控制端口和至少3个控制信号输出端口；输入电压采样端口连接到PFC电路的两个输入端，监测PFC电路的两个输入端之间的输入电压，并根据输入电压决定PFC的输出电压、通过控制信号输出端口连接到切换电路，通过切换电路控制DC/DC隔离功率模块的连接方式；同时，控制电路通过母线电压采样端口连接到PFC电路的输出端和地，监测母线电压；控制电路还通过PFC采样信号端口连接到PFC电路，监测PFC电路的电流信号，进而通过PFC开关控制端口控制PFC电路的工作频率与占空比，进一步稳定母线电压。
2.根据权利要求1所述的一种AC/DC电源系统，其特征在于：在PFC电路和DC/DC隔离功率模块之间增加了切换电路，所述切换电路的输入端连接所述PFC电路的输出端，所述换电路的输出端连接DC/DC隔离功率模块的输入端。
3.根据权利要求1或2所述的一种AC/DC电源系统，其特征在于：所述的PFC电路是具有功率因数矫正功能的电路，包括但不限于Boost PFC电路或无桥PFC电路。
4.根据权利要求2所述的一种AC/DC电源系统，其特征在于：所述的切换电路包括开关K1、开关K2和开关K3，开关K1的一端连接母线电压并作为切换电路的第一输出端连接DC/DC隔离功率模块的第一输入端，开关K2的一端与开关K3的一端连接并作为切换电路的第二输出端连接DC/DC隔离功率模块的第二输入端，开关K1的另一端与开关K3的另一端相连接并作为切换电路的第三输出端连接DC/DC隔离功率模块的第三输入端，开关K2的另一端接地并作为切换电路的第四输出端连接DC/DC隔离功率模块的第四输入端；开关K1的控制端连接控制电路的第一控制信号输出端口；开关K2的控制端连接控制电路的第二控制信号输出端口；开关K3的控制端连接控制电路的第三控制信号输出端口。
5.根据权利要求4所述的一种AC/DC电源系统，其特征在于：所述的开关K1、开关K2和开关K3是组合的多路机械开关、或是半导体开关的组合、或是继电器开关的组合。
6.根据权利要求2所述的一种AC/DC电源系统，其特征在于：所述的DC/DC隔离功率模块包括第一电源模块和第二电源模块，第一电源模块输入正作为DC/DC隔离功率模块的第一输入端，第一电源模块的输入负作为DC/DC隔离功率模块的第二输入端，第二电源模块的输入正作为DC/DC隔离功率模块的第三输入端，第二电源模块的输入负作为DC/DC隔离功率模块的第四输入端，第一电源模块的输出正连接第二电源模块的输出正并作为DC/DC隔离功率模块的输出正Vout+，第一电源模块的输出负连接第二电源模块的输出负并作为DC/DC隔离功率模块的输出负Vout-。
7.根据权利要求6所述的一种AC/DC电源系统，其特征在于：所述的第一电源模块和第二电源模块是半桥LLC电路，具有环路调节控制输出电压的功能，通过检测输出电压进行环路调节。
8.根据权利要求7所述的一种AC/DC电源系统，其特征在于：所述的控制电路包括输入电压采样单元、Vbus电压采样单元和第一控制器，输入电压采样单元的正向输入端和负向输入端作为控制电路的输入电压采样端口分别连接AC供电电源的L端与N端，所述输入电压采样单元的输出端连接第一控制器的第一输入端；Vbus电压采样单元的正向输入端和负向输入端作为控制电路的母线电压采样端口分别连接连接母线电压Vbus和地，Vbus电压采样单元的输出端连接第一控制器的第二输入端；第一控制器的第三输入作为控制电路的PFC采样信号端口；第一控制器的第一输出端作为控制电路的PFC开关控制端口，第一控制器的第二输出端、第三输出端、第四输出端分别作为控制电路的第一控制信号输出端口、第二控制信号输出端口、第三控制信号输出端口。
9.根据权利要求6所述的一种AC/DC电源系统，其特征在于：所述的第一电源模块和第二电源模块是半桥LLC电路，不具有环路调节控制输出电压的功能，第一电源模块至少包括第一控制端、第二控制端、第一采样信号输出端、第二采样信号输出端，第二电源模块至少包括第三控制端、第四控制端、第三采样信号输出端、第四采样信号输出端。
10.根据权利要求1所述的一种AC/DC电源系统，其特征在于：所述的DC/DC隔离功率模块为全桥LLC电路。
11.根据权利要求1所述的一种AC/DC电源系统，其特征在于：所述的DC/DC隔离功率模块为三电平LLC电路。
12.根据权利要求9至11任意一项所述的一种AC/DC电源系统，其特征在于：所述的控制电路包括输入电压采样单元、Vbus电压采样单元、输出电压采样单元和第二控制器，输入电压采样单元的正向输入端和负向输入端作为控制电路的输入电压采样端口分别连接AC供电电源的L端与N端，所述输入电压采样单元的输出端连接第二控制器的第一输入端；Vbus电压采样单元的正向输入端和负向输入端作为控制电路的母线电压采样端口分别连接连接母线电压Vbus和地，Vbus电压采样单元的输出端连接第二控制器的第二输入端；第二控制器的第三输入作为控制电路的PFC采样信号端口；第二控制器的第一输出端作为控制电路的PFC开关控制端口，第二控制器的第二输出端、第三输出端、第四输出端分别作为控制电路的第一控制信号输出端口、第二控制信号输出端口、第三控制信号输出端口；
第二控制器还包括第五输出端、第六输出端、第七输出端、第八输出端，第五输出端至第八输出端分别连接DC/DC隔离功率模块的第一控制端至第四控制端；
第二控制器还包括第四输入端、第五输入端、第六输入端、第七输入端、第八输入端，输出电压采样单元正向输入端连接输出正Vout+，输出电压采样单元的负向输入端连接输出负Vout-，输出电压采样单元的输出端连接第二控制器的第四输入端，第五输入端至第八输入端分别连接DC/DC隔离功率模块的第一采样信号输出端至第四采样信号输出端。
13.一种权利要求6至9任意一项所述的AC/DC电源系统的控制方法，其特征在于：控制电路中设置门槛值Vth，控制电路监测输入电压，并将输入电压与门槛值进行比较，当输入电压小于门槛值时，控制电路控制PFC电路以低电压模式输出Vbus_L，同时控制切换电路来改变第一电源模块与第二电源模块的接入方式，使第一电源模块与第二电源模块并联连接；而当输入电压大于门槛值时，控制电路控制PFC电路以高电压模式输出Vbus_H，同时控制切换电路来改变第一电源模块与第二电源模块的接入方式，使第一电源模块与第二电源模块串联连接；同时，控制电路通过母线电压采样端口监测母线电压，通过PFC采样信号端口监测PFC电路的电流信号，进而通过PFC开关控制端口控制PFC电路的工作频率与占空比，进一步稳定母线电压。
14.一种权利要求10所述的AC/DC电源系统的控制方法，其特征在于：控制电路中设置门槛值Vth，控制电路监测输入电压，并将输入电压与门槛值进行比较，当输入电压小于门槛值时，控制电路控制PFC电路以低电压模式输出Vbus_L，同时控制DC/DC隔离功率模块工作在全桥模式；而当输入电压大于门槛值时，控制电路控制PFC电路以高电压模式输出Vbus_H，同时控制DC/DC隔离功率模块工作在半桥模式；控制电路通过母线电压采样端口监测母线电压，通过PFC采样信号端口监测PFC电路的电流信号，进而通过PFC开关控制端口控制PFC电路的工作频率与占空比，进一步稳定母线电压。
15.一种权利要求11所述的AC/DC电源系统的控制方法，其特征在于：控制电路中设置门槛值Vth，控制电路监测输入电压，并将输入电压与门槛值进行比较，当输入电压小于门槛值时，控制电路控制PFC电路以低电压模式输出Vbus_L，同时控制DC/DC隔离功率电路工作在半桥模式；而当输入电压大于门槛值时，控制电路控制PFC电路以高电压模式输出Vbus_H，同时控制DC/DC隔离功率电路工作在三电平模式；控制电路通过母线电压采样端口监测母线电压，通过PFC采样信号端口监测PFC电路的电流信号，进而通过PFC开关控制端口控制PFC电路的工作频率与占空比，进一步稳定母线电压。
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