CN111245225A - 一种电源变换系统及其控制电路和电流调节方法 - Google Patents

一种电源变换系统及其控制电路和电流调节方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种电源变换系统，包括第一电压变换电路，第一电压变换电路的输入端耦接整流电路的输出端用于接收母线电压，其特征在于，第一电压变换电路包括参考信号自适应调整电路，参考信号自适应调整电路用于将第一电压变换电路的输入端的输入电流波形自适应逐周期地调整成在母线电压的谷底位置呈对称分布。本发明还公开一种电源变换控制电路和一种用于电源变换电路的输入电流调节方法，本发明解决了当前技术中存在的非隔离式电压变换器电源在满足负载供能的前提下，系统损耗较大的问题。

Description

一种电源变换系统及其控制电路和电流调节方法
技术领域
本发明属于电源电路技术领域，涉及一种电源变换系统，还涉及上述一种电源变换系统的控制电路和电流调节方法。
背景技术
申请人于2019年11月14日申请了申请号为201911115165.2，名称为《一种用于非隔离式AC-DC电压变换系统的电压变换电路及变换方法》的发明专利，其包含依次耦接的整流电路、第一电压变换电路和第二电压变换电路；整流电路将市电的交流电压Vac整流成直流母线电压Vbus，母线电压周期为半工频周期。第一电压变换电路用于将直流母线电压转换成较低的变换电压VDD，变换电压VDD作为第二电压变换电路的输入电压进行后级变换提供驱动负载的输出电压Vout。其中第一电压变换电路包括主晶体管Q，第一电压变换电路的输出端耦接有第一电容C1。在工作中，直流母线电压Vbus小于参考值Vref时导通主晶体管Q，用于对电容C1进行充电，提高VDD。当VDD达到预设阈值时，关断主晶体管Q，将此时母线电压Vbus命名为V1。在实际应用时，当负载较大时，主晶体管Q关断地晚，V1可能远大于Vref。当负载较小时，主晶体管Q关断地早，V1可能小于Vref。这两种情况下，在满足负载供能的前提下，系统损耗都较大。
发明内容
本发明的目的是提供一种电源变换系统用于解决当前技术中存在的一个或多个问题，主要用于解决非隔离式电压变换器电源在满足负载供能的前提下，系统损耗较大的问题。
本发明的第二个目的是提供一种电源变换系统的电源变换控制电路；
本发明的第三个目的是提供一种电源变换系统的输入电流调节方法。
根据本发明的一个方面，一种电源变换系统，包括第一电压变换电路(12)，第一电压变换电路(12)的输入端耦接整流电路(11)的输出端用于接收母线电压；第一电压变换电路(12)包括参考信号自适应调整电路(12-1)，参考信号自适应调整电路(12-1)用于将第一电压变换电路(12)的输入端的输入电流波形自适应逐周期地调整成在母线电压的谷底位置呈对称分布。
在一个实施例中，一种电源变换系统进一步包括第二电压变换电路，第一电压变换电路(12)的输出端与第二电压变换电路(13)的输入端耦接，第二电压变换电路为DC-DC控制电路。
在一个实施例中，参考信号自适应调整电路(12-1)基于母线电压产生参考电压，第一电压变换电路(12)通过比较参考电压和母线电压控制第一电压变换电路的主晶体管(2)的导通。
在一个实施例中，第一电压变换电路(12)进一步包括：主晶体管(2)，主晶体管(2)的第一端耦接整流电路(11)的输出端，主晶体管(2)的第二端作为第一电压变换电路的输出端；第一比较器(3)，参考信号自适应调整电路(12-1)的输出端耦接第一比较器(3)的正相输入端，整流电路(11)的输出端耦接第一比较器(3)的反相输入端；以及触发电路，具有置位输入端、复位输入端和输出端，第一比较器(3)的输出端耦接触发电路的置位输入端，触发电路的输出端耦接主晶体管(2)的控制端。
在一个实施例中，参考信号自适应调整电路(12-1)包括采样电路(9)、电压保持模块、第三比较器(8)和计算模块(10)，采样电路(9)的输入端与整流电路(11)的输出端耦接，采样电路(9)用于获取当主晶体管Q(2)关断时的母线电压，采样电路(9)的输出端与第三比较器(8)的正相输入端耦接，第三比较器(8)的输出端与计算模块(10)的第一输入端耦接，电压保持模块的输入端耦接计算模块(10)的输出端，电压保持模块的输出端耦接计算模块(10)的第二输入端和第三比较器(8)的反相输入端，计算模块(10)根据输入数据计算出参考电压并在参考信号自适应调整电路(12-1)的输出端提供参考电压。
在一个实施例中，计算模块(10)中的计算方式为当主晶体管关断时的母线电压大于当前参考电压Vref，增大参考电压Vref；当主晶体管Q(2)关断时的母线电压(V1)小于当前参考电压，减小参考电压。
在一个实施例中，第一电压变换电路(12)还包括第二比较器(5)和第四比较器(6)，第二比较器(5)和第四比较器(6)的输出端分别与或门(7)的两个输入端相连，或门(7)的输出端与触发电路(4)的复位输入端耦接，第二比较器(5)的正相输入端与主晶体管Q(2)的输出端耦接，第二比较器(5)的反相输入端耦接第一参考电压；第四比较器(6)的正相输入端与整流电路的输出端耦接，第四比较器(6)的反相输入端耦接第二参考电压。
根据本发明的另一个方面，一种电源变换控制电路用于控制电压变换电路的主晶体管，电压变换电路的输入端耦接整流电路(11)的输出端用于接收母线电压，电源变换控制电路包括参考信号自适应调整电路(12-1)，参考信号自适应调整电路(12-1)用于将电压变换电路(12)的输入端的输入电流波形调整成在母线电压的谷底位置呈对称分布。
在一个实施例中，参考信号自适应调整电路(12-1)基于主晶体管关断时的母线电压与当前存储的参考电压产生新的参考电压，当母线电压下降至新的参考电压时，导通主晶体管。
根据本发明的另一个方面，一种电源变换控制电路用于控制电压变换电路的主晶体管，电压变换电路的输入端耦接整流电路(11)的输出端用于接收母线电压，电源变换控制电路包括：参考信号自适应调整电路(12-1)，根据母线电压产生参考电压；第一比较器(3)，用于比较参考信号自适应调整电路(12-1)输出的参考信号和母线电压；以及触发电路，耦接第一比较器(3)，触发电路用于基于第一比较器(3)的输出导通主晶体管(2)。
在一个实施例中，参考信号自适应调整电路(12-1)根据主晶体管(2)关断时的母线电压和当前参考电压调整参考电压。
在一个实施例中，参考信号自适应调整电路(12-1)包括：采样电路(9)、电压保持模块、第三比较器(8)和计算模块(10)，采样电路(9)的输入端与整流电路(11)的输出端耦接，采样电路(9)用于获取当主晶体管Q(2)关断时的母线电压，采样电路(9)的输出端与第三比较器(8)的正相输入端耦接，第三比较器(8)的输出端与计算模块(10)的第一输入端耦接，电压保持模块的输入端耦接计算模块(10)的输出端，电压保持模块的输出端耦接计算模块(10)的第二输入端和第三比较器(8)的反相输入端，计算模块(10)根据输入数据计算出参考电压并在参考信号自适应调整电路(12-1)的输出端提供参考电压。
根据本发明的又一个方面，一种用于电源变换电路的输入电流调节方法包括：将交流电压整流成直流母线电压；当母线电压下降至参考电压时，导通电压变换电路的主晶体管；当电压变换电路的输出满足预设条件时，关断主晶体管；以及基于母线电压和当前参考电压调整参考电压，将电压变换电路的输入端的输入电流波形调整成在母线电压的谷底位置呈对称分布。
在一个实施例中，基于母线电压和当前参考电压调整参考电压，将电压变换电路的输入端的输入电流波形调整成在母线电压的谷底位置呈对称分布的方法包括基于主晶体管关断时的母线电压和当前参考电压产生新的参考电压，并在母线电压下降到新的参考电压时导通主晶体管。
本发明的有益效果包括但不限于如下：
在母线电压为馒头波的情况下，第一电压变换电路的输入电流波形自适应逐周期地调整成在母线电压Vbus的谷底位置呈对称分布，即由不对称状态变化成对称状态。如当负载变化时或系统刚启动时，通过测试输入电流波形，会发现若最初周期内母线电压谷底期间的两个相邻的电流脉冲波形不对称，系统会自适应调整电流，改善电流的不对称性，使得在若干周期后，输入电流在每个母线电压Vbus呈对称分布。
电流对时间的积分对应电压VDD的升高值。目的是将电压VDD升高到预定的值。那么相同总面积的两部分电流积分下，电流越对称，电流的平方值对时间的积分会越小，功耗P＝I*I*R对时间的积分也就越小，从而降低系统损耗。
附图说明
图1是本发明一种自适应谷底对称导通的电源变换系统中一种实施例的结构图；
图2是本发明一种自适应谷底对称导通的电源变换系统中第一电压变换电路一种实施例的电路结构图；
图3是本发明一种自适应谷底对称导通的电源变换系统的实施例1中输入电流与母线电压Vbus的关系图。
图中，1.第一电容，2.主晶体管Q，3.第一比较器，4.RS触发器，5.第二比较器，6.第四比较器，7.或门，8.第三比较器，9.采样电路，10.计算模块，11.整流电路，12.第一电压变换电路，12-1.参考信号自适应调整电路，13.第二电压变换电路，14.第一电感，15第二电容，16.采样保持电路。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
该部分的描述只针对几个典型的实施例，本发明并不仅局限于实施例描述的范围。相同或相近的现有技术手段与实施例中的一些技术特征进行相互替换也在本发明描述和保护的范围内。
说明书中的“耦接”既包含直接连接，也包含间接连接，如通过电传导媒介如金属的连接或通过公知的一些能实现相同功能的有源器件、无源器件的连接。
本发明一种自适应谷底对称导通的电源变换系统，如图1，包括第一电压变换电路12和第二电压变换电路13。其中第一电压变换电路12的输入端耦接整流电路11的输出端用于接收母线电压，第一电压变换电路12的输出端提供第一输出电压VDD。第一电压变换电路12的输出端耦接第一电容1，第一电压变换电路12的输出端与第二电压变换电路13的输入端耦接。当然第一电容1也可视为第一电压变换电路12的一部分。其中第一电压变换电路12包括参考信号自适应调整电路12-1，参考信号自适应调整电路12-1用于将第一电压变换电路12的输入端的输入电流Iin波形自适应逐周期地调整成在母线电压的谷底位置呈对称分布(参见图3)。具体地，参考信号自适应调整电路(12-1)可基于母线电压Vbus控制第一电压变换电路的主晶体管的导通时机，使得输入电流Iin的波形逐周期地调整成在母线电压的谷底位置呈对称分布。
在一个实施例中，第二电压变换电路为DC-DC控制电路，用于将第一电压变换电路12输出的第一输出电压VDD转换成用于驱动负载的输出电压Vout。
在一个实施例中，电源变换系统仅包含第一电压变换电路或包含其他结构的电压变换电路。
如图2，第一电压变换电路12包括参考信号自适应调整电路12-1，主晶体管2，第一比较器3和触发电路4。其中参考信号自适应调整电路12-1基于母线电压Vbus产生参考电压Vref，第一比较器3比较参考电压Vref和母线电压Vbus，通过触发电路4控制第一电压变换电路的主晶体管2的导通。
图示实施例中第一电压变换电路12的结构为：
主晶体管2的第一端耦接整流电路(11，如图1所示)的输出端用于接收母线电压Vbus，主晶体管2的第二端作为第一电压变换电路12的输出端用于提供第一输出电压VDD。
整流电路11的输出端与参考信号自适应调整电路12-1的输入端耦接，参考信号自适应调整电路12-1的输出端耦接第一比较器3的正相输入端，整流电路11的输出端耦接第一比较器3的反相输入端。第一比较器3用于比较参考信号自适应调整电路12-1输出的参考电压Vref和母线电压Vbus。第一比较器3的输出端耦接触发电路4，触发电路4用于基于第一比较器3的输出导通主晶体管2。在一个实施例中，触发电路4为RS触发器，具有置位输入端S端、复位输入端R端和输出端Q，其中第一比较器3耦接RS触发器4的S端，RS触发器4的Q端能够驱动主晶体管2导通。
参考信号自适应调整电路12-1包括采样电路9、电压保持模块、第三比较器8和计算模块10，采样电路9的输入端与整流电路11的输出端耦接，采样电路9用于获取当主晶体管Q2关断时的母线电压Vbus，采样电路9输出端与第三比较器8的正相输入端耦接，第三比较器8的输出端与计算模块10的第一输入端耦接，电压保持模块的输入端耦接计算模块10的输出端，电压保持模块的输出端耦接计算模块10的第二输入端和第三比较器8的反相输入端，计算模块10能够根据输入数据计算出参考电压Vref，即根据采样保持的参考电压Vref和主晶体管2关断时的母线电压Vbus调整参考电压Vref。
计算模块10中的计算方式为当主晶体管Q2关断时的母线电压V1大于当前参考电压，增大参考电压；当主晶体管Q2关断时的母线电压V1小于当前参考电压，减小参考电压。增大或减小的值可为阶梯式调整，如每次增大或减小相同的量，如1-5伏特。增大或减小也可根据预设算法进行调整，如先调整较大的量再进行精细调整。
第一电压变换电路12还可进一步包括第二比较器5和第四比较器6，第二比较器5和第四比较器6的输出端分别与或门7的两个输入端相连，或门7的输出端与RS触发器4的R端耦接，第二比较器5的正相输入端与主晶体管2的输出端耦接，第二比较器5的反相输入端耦接第一参考电压Vth1；第四比较器6的正相输入端与整流电路的输出端耦接，第四比较器6的反相输入端耦接第二参考电压Vth2。当第一输出电压VDD大于第一参考电压Vth1时，关断主晶体管2。或者当母线电压Vbus过高时关断主晶体管2。
在一个实施例中，第一参考电压的取值范围为10V～100V。在一个实施例中，第二参考电压的取值范围为50V～100V。
在一个实施例中，图2中的电压变换电路12制作在一个电子封装体中。在一个实施例中，电子封装体包括控制电路芯片和晶体管芯片，其中控制电路芯片制作了图2所示的电压变换电路12中除了主晶体管2之外的电路，晶体管芯片上制作了主晶体管2。在一个实施例中，一种电源变换控制电路用于控制电压变换电路12的主晶体管2，电源变换控制电路包括参考信号自适应调整电路12-1，其中参考信号自适应调整电路12-1用于将电压变换电路12的输入端的输入电流Iin波形逐周期地调整成在母线电压Vbus的谷底位置呈对称分布。
电源变换控制电路还进一步包括第一比较器3和触发电路4，其中第一比较器3用于比较参考信号自适应调整电路12-1输出的参考电压Vref和母线电压Vbus。触发电路4耦接第一比较器3，触发电路4用于基于第一比较器3的输出导通主晶体管2，当母线电压Vbus下降至参考电压Vref时，控制主晶体管2导通。触发电路4进一步耦接关断控制电路，当第一输出电压VDD满足预设条件如上升至预设参考值时可关断主晶体管2。参考信号自适应调整电路12-1用于获得主晶体管2关断时的母线电压V1，将该母线电压V1与存储的参考电压Vref相比较，根据比较结果调整参考电压Vref，将该参考电压作为下一周期的参考电压Vref用于控制主晶体管2的导通。
在本发明的一种使用方式中，将整流电路11的输入端接市电交流电，第二电压变换电路13的输出端接入负载设备，也可以将第二电压变换电路13的输出端通过第一电感14接入负载设备，第一电感14还通过第二电容15接地。
下面结合一个实施例阐述本发明的原理。当整流电路11的输出电压，即母线电压Vbus小于参考电压Vref时，比较器3输出高电平，RS触发器4被置位，RS触发器4输出高电平，主晶体管Q2导通。当电压VDD达到预设阈值Vth1或Vbus过大(Vbus大于Vth2)时，比较器5或比较器6输出高电平，OFF信号为高电平，RS触发器4被复位，RS触发器4输出低电平，关断主晶体管Q2。
当主晶体管Q2关断时(OFF信号上升沿)，采样电路9对母线电压Vbus进行采样获得采样电压信号V1。参考信号自适应调整电路12-1的比较电路8比较采样电压信号V1与前一周期的参考电压Vref，计算模块10基于比较结果输出更新后的参考电压Vref。第三比较器8将V1与原Vref进行比较或进行误差计算，当V1大于Vref，计算模块10增加Vref的值，作为下个半工频周期导通的参考信号；当V1小于Vref时，降低Vref的值，作为下个半工频周期导通的参考信号；直至V1与Vref相等或接近(差值小于预设值)。当V1与Vref相等或接近时，可实现主晶体管Q在母线电压Vbus谷底的对称导通。由于导通时产生输入电流，且输入电压Vbus越大输入电流也越大，因此输入电压与输入电流具有对应的关系，因此主晶体管Q2在母线电压Vbus谷底的对称导通使得输入电流Iin也在母线电压Vbus谷底呈对称分布，参见图3所示。应当理解，这里的“对称”可理解为一种趋近对称的趋势，由于电流波形受很多参数影响和干扰，输入电流在母线电压的谷底位置“呈对称分布”可为大致的对称。
在本发明的一个实施例中，一种用于电压变换电路的输入电流调节方法包括：将交流电压整流成直流母线电压；当母线电压下降至参考电压时，导通电压变换电路的主晶体管；当电压变换电路的输出满足预设条件时，关断主晶体管；以及基于母线电压和当前参考电压调整参考电压，将电压变换电路的输入端的输入电流波形逐周期地调整成在母线电压的谷底位置呈对称分布。在一个实施例中，当电压变换电路的输出电压上升到预设参考值时，关断主晶体管。在一个实施例中，基于母线电压和当前参考电压调整参考电压的步骤包括基于主晶体管关断时的母线电压和当前参考电压调整参考电压。在一个实施例中，当主晶体管关断时的母线电压大于存储的参考电压，则增大参考电压；当主晶体管关断时的母线电压小于存储的参考电压，则降低参考电压。
上述这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。实施例中所涉及的效果或优点等相关描述可因具体条件参数的不确定而可能在实验例中不能体现，不用于对实施例进行限制。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。

Claims (11)

1.一种电源变换系统，包括第一电压变换电路(12)，所述第一电压变换电路(12)的输入端耦接整流电路(11)的输出端用于接收母线电压，其特征在于，所述第一电压变换电路(12)包括参考信号自适应调整电路(12-1)，所述参考信号自适应调整电路(12-1)用于将所述第一电压变换电路(12)的输入端的输入电流波形自适应逐周期地调整成在母线电压的谷底位置呈对称分布。
2.如权利要求1所述的一种电源变换系统，其特征在于，进一步包括第二电压变换电路，所述第一电压变换电路(12)的输出端与第二电压变换电路(13)的输入端耦接，所述第二电压变换电路为DC-DC控制电路。
3.如权利要求1所述的一种电源变换系统,其特征在于，所述参考信号自适应调整电路(12-1)基于母线电压产生参考电压，第一电压变换电路(12)通过比较所述参考电压和所述母线电压控制第一电压变换电路的主晶体管(2)的导通。
4.如权利要求1或3所述的一种电源变换系统，其特征在于，所述第一电压变换电路(12)进一步包括：
主晶体管(2)，所述主晶体管(2)的第一端耦接所述整流电路(11)的输出端，所述主晶体管(2)的第二端作为所述第一电压变换电路的输出端；
第一比较器(3)，所述参考信号自适应调整电路(12-1)的输出端耦接第一比较器(3)的正相输入端，所述整流电路(11)的输出端耦接第一比较器(3)的反相输入端；以及
触发电路，具有置位输入端、复位输入端和输出端，所述第一比较器(3)的输出端耦接所述触发电路的置位输入端，所述触发电路的输出端耦接所述主晶体管(2)的控制端。
5.如权利要求1或3所述的一种电源变换系统，其特征在于，所述参考信号自适应调整电路(12-1)包括采样电路(9)、电压保持模块、第三比较器(8)和计算模块(10)，所述采样电路(9)的输入端与整流电路(11)的输出端耦接，所述采样电路(9)用于获取当主晶体管Q(2)关断时的母线电压，所述采样电路(9)的输出端与所述第三比较器(8)的正相输入端耦接，所述第三比较器(8)的输出端与计算模块(10)的第一输入端耦接，所述电压保持模块的输入端耦接计算模块(10)的输出端，所述电压保持模块的输出端耦接所述计算模块(10)的第二输入端和所述第三比较器(8)的反相输入端，所述计算模块(10)根据输入数据计算出参考电压并在参考信号自适应调整电路(12-1)的输出端提供所述参考电压。
6.如权利要求5所述的一种电源变换系统，其特征在于，所述计算模块(10)中的计算方式为当主晶体管关断时的母线电压大于当前参考电压Vref，增大参考电压Vref；当主晶体管Q(2)关断时的母线电压(V1)小于当前参考电压，减小参考电压。
7.如权利要求5所述的一种电源变换系统，其特征在于，所述第一电压变换电路(12)还包括第二比较器(5)和第四比较器(6)，所述第二比较器(5)和第四比较器(6)的输出端分别与或门(7)的两个输入端相连，所述或门(7)的输出端与触发电路(4)的复位输入端耦接，所述第二比较器(5)的正相输入端与主晶体管Q(2)的输出端耦接，所述第二比较器(5)的反相输入端耦接第一参考电压；所述第四比较器(6)的正相输入端与整流电路的输出端耦接，所述第四比较器(6)的反相输入端耦接第二参考电压。
8.一种电源变换控制电路，用于控制电压变换电路的主晶体管，所述电压变换电路的输入端耦接整流电路(11)的输出端用于接收母线电压，其特征在于，所述电源变换控制电路包括参考信号自适应调整电路(12-1)，所述参考信号自适应调整电路(12-1)用于将所述电压变换电路(12)的输入端的输入电流波形调整成在母线电压的谷底位置呈对称分布。
9.一种电源变换控制电路，用于控制电压变换电路的主晶体管，所述电压变换电路的输入端耦接整流电路(11)的输出端用于接收母线电压，其特征在于，所述电源变换控制电路包括：
参考信号自适应调整电路(12-1)，根据主晶体管(2)关断时的母线电压和当前参考电压调整所述参考电压；
第一比较器(3)，用于比较所述参考电压和所述母线电压；以及
触发电路，耦接所述第一比较器(3)，所述触发电路用于基于第一比较器(3)的输出导通所述主晶体管(2)。
10.如权利要求8或9所述的电源变换控制电路，其特征在于，所述参考信号自适应调整电路(12-1)包括：采样电路(9)、电压保持模块、第三比较器(8)和计算模块(10)，所述采样电路(9)的输入端与整流电路(11)的输出端耦接，所述采样电路(9)用于获取当主晶体管Q(2)关断时的母线电压，所述采样电路(9)的输出端与所述第三比较器(8)的正相输入端耦接，所述第三比较器(8)的输出端与计算模块(10)的第一输入端耦接，所述电压保持模块的输入端耦接计算模块(10)的输出端，所述电压保持模块的输出端耦接所述计算模块(10)的第二输入端和所述第三比较器(8)的反相输入端，所述计算模块(10)根据输入数据计算出参考电压并在参考信号自适应调整电路(12-1)的输出端提供所述参考电压。
11.一种用于电源变换电路的输入电流调节方法，其特征在于，所述输入电流调节方法包括：
将交流电压整流成直流母线电压；
当母线电压下降至参考电压时，导通电压变换电路的主晶体管；
当电压变换电路的输出满足预设条件时，关断所述主晶体管(2)；以及
基于母线电压产生所述参考电压，使所述电压变换电路的输入端的输入电流波形在母线电压的谷底位置呈对称分布。
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