CN111262420A - Ac/dc电源、整流电路及其控制方法 - Google Patents

Ac/dc电源、整流电路及其控制方法 Download PDF

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Abstract

公开了一种AC/DC电源、整流电路及其控制方法。通过整流电路中的滤波电路产生一供电电压，其在第一时间区间内跟随滤波电路接收的直流脉动电压，在第二时间区间内，供电电压的数值大于第一时间区间结束时刻的供电电压的数值，从而减小滤波电路的体积，进而减小整流电路的体积，提高AC/DC电源的功率密度。

Description

AC/DC电源、整流电路及其控制方法
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，具体地，涉及一种AC/DC电源、整流电路及其控制方法。
背景技术
目前在AC/DC且无PFC要求的应用场合下，一般采用两级式电源架构。图1示出了现有技术中的AC/DC电源的电路框图，前级为整流电路，包括整流桥，用以将交流输入电压Vac整流成直流脉动电压Vbus，其中直流脉动电压Vbus为交流输入电压Vac的绝对值。整流桥的输出端并联电容C以产生供电电压Vin。后级为DC/DC变换器，用以将供电电压Vin转换成需要的电压等级。图2示出了现有技术中整流电路的工作波形图。如图2所示，在t0时刻，直流脉动电压Vbus上升至电容C的电压(即供电电压Vin)，此后t0-t1期间，整流桥导通，供电电压Vin跟随直流脉动电压Vbus变化，交流输入电压Vac给电容C充电，同时向后级提供能量。在t1时刻，直流脉动电压Vbus下降至等于供电电压Vin，此后t1-t2期间，整流桥关断，电容C放电给后级提供能量，从而供电电压Vin线性下降，至t2时刻等于直流脉动电压Vbus。此后整流桥重新导通，重复上述过程。在上述过程中，交流输入电压Vac仅在t0-t1期间为后级提供能量。在此应用场合下，供电电压Vin需在一定范围内才能保证后级DC/DC变换器的正常工作。一方面为了满足低压输入满载情况下的电压要求，往往需要较大容值的电容。另一方面为了满足高压输入时的耐压要求，往往需要较高耐压的电容。高容值高耐压导致该电容体积较大，最终导致AC/DC电源的体积较大，降低了AC/DC电源的功率密度。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于根据整流后的直流脉动电压，设置整流电路中的滤波电路的工作模式，从而减小滤波电路的体积，进而减小整流电路的体积，提高AC/DC电源的功率密度。
根据本发明的第一方面，提出了一种整流电路，包括：
滤波电路，用以接收直流脉动电压，并产生供电电压，其中在第一时间区间内，所述供电电压的波形跟随所述直流脉动电压；在第二时间区间内，所述供电电压的数值大于所述第一时间区间结束时刻的所述供电电压的数值，从而减小所述滤波电路的体积。
进一步地，在所述第二时间区间内，所述供电电压的数值小于或等于最小的直流脉动电压的峰值。
进一步地，在所述第一时间区间的第一部分，所述滤波电路处于第一工作模式，在所述第一时间区间的第二部分和所述第二时间区间，所述滤波电路处于第二工作模式。
进一步地，在所述第一工作模式下，所述滤波电路具有第一电容值；在所述第二工作模式下，所述滤波电路具有第二电容值，其中所述第二电容值大于所述第一电容值。
进一步地，所述直流脉动电压在所述第一时间区间向所述整流电路的后级电路提供能量。
进一步地，所述第一时间区间的第一部分从所述直流脉动电压上升至第二阈值时开始到下降至第一阈值时结束，所述第一时间区间的第二部分从所述直流脉动电压上升至所述供电电压时开始到上升至所述第二阈值时结束。
进一步地，所述第二时间区间从所述直流脉动电压下降至所述第一阈值时开始，直到上升至所述供电电压时结束。
进一步地，所述第二阈值大于所述第一阈值，且小于或等于最小的直流脉动电压的峰值。
进一步地，所述滤波电路包括：
第一电容，并联连接在所述滤波电路的输入端；以及
第二电容，选择性地并联在所述滤波电路的输入端，且所述第二电容的容值大于所述第一电容的容值。
进一步地，在所述第一时间区间的第二部分和所述第二时间区间，所述第一电容与所述第二电容共同并联。
进一步地，在所述第一时间区间的第一部分，所述第二电容断开与所述第一电容的连接。
进一步地，滤波电路还包括：
第一开关，与所述第二电容串联，以将所述第二电容选择性地连接到所述滤波电路的输入端。
进一步地，当所述直流脉动电压下降至第一阈值时，所述第一开关受控导通，以将所述第一电容并联在所述滤波电路的输入端。
进一步地，当所述直流脉动电压上升至第二阈值时，所述第一开关受控关断，以断开所述第一电容与所述滤波电路的输入端的连接。
进一步地，所述整流电路还包括：
整流单元，用于接收交流输入电压并输出直流脉动电压。
根据本发明的第二方面，提出了一种AC/DC电源，包括：
上述任一项所述的整流电路；以及
DC/DC变换器，用以将所述供电电压变换为期望的电压等级以提供给负载。
根据本发明的第三方面，提出了一种用于控制整流电路的控制方法，包括：
根据整流后的直流脉动电压产生供电电压，其中在第一时间区间内，所述供电电压的波形跟随所述直流脉动电压；在第二时间区间内，所述供电电压的数值大于所述第一时间区间结束时刻的所述供电电压的数值，从而减小所述滤波电路的体积。
进一步地，所述控制方法还包括：
在所述第一时间区间的第一部分，所述滤波电路产生第一电容值以接收所述直流脉动电压；
在所述第二时间区间和所述第一时间区间的第二部分，所述滤波电路产生第二电容值以接收所述直流脉动电压，其中所述第二电容值大于所述第一电容值。
进一步地，所述第一时间区间的第一部分从所述直流脉动电压上升至第二阈值时开始到下降至第一阈值时结束，所述第一时间区间的第二部分从所述直流脉动电压上升至所述供电电压时开始到上升至所述第二阈值时结束；所述第二时间区间从所述直流脉动电压下降至所述第一阈值时开始，直到上升至所述供电电压时结束。
进一步地，所述第二阈值大于所述第一阈值，且小于或等于最小的直流脉动电压的峰值。
综上所述，通过整流电路中的滤波电路产生一供电电压，其在第一时间区间内跟随滤波电路接收的直流脉动电压，在第二时间区间内，供电电压的数值大于第一时间区间结束时刻的供电电压的数值，从而减小滤波电路的体积，进而减小整流电路的体积，提高AC/DC电源的功率密度。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1为现有技术中的AC/DC电源的电路图；
图2为现有技术中整流电路的工作波形图；
图3为本发明实施例的AC/DC电源的电路图；
图4为本发明实施例的整流电路的工作波形图；以及
图5为本发明实施例的整流电路的控制方法的流程图。
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。
图3为本发明实施例的AC/DC电源的电路框图。如图3所示，前级为整流电路1，后级为DC/DC变换器2。整流电路1包括整流单元11和滤波电路12。其中整流单元11用以接收交流输入电压Vac并将其整流成直流脉动电压Vbus，其中直流脉动电压Vbus为交流输入电压Vac的绝对值。具体地，整流单元11包括构成桥式整流的四个二极管。可以理解，四个二极管也可以由部分或全部地用功率管替代。整流单元11还可以包括无桥LLC电路等其他具有整流功能的电路，在此不作限制性说明。
滤波电路12连接在整流单元11的输出端，用以接收直流脉动电压Vbus，并产生供电电压Vin以提供给后级的DC/DC变换器，其中在第一时间区间内，供电电压Vin的波形跟随直流脉动电压Vbus；在第二时间区间内，供电电压Vin的数值大于第一时间区间结束时刻的供电电压Vin的数值，从而减小滤波电路12的体积。同时，在第二时间区间内，供电电压Vin小于或等于最小的直流脉动电压Vbus的峰值。具体地，滤波电路12有两种工作模式。在第一时间区间的第一部分，滤波电路12处于第一工作模式；在第一时间区间的第二部分和第二时间区间，滤波电路12处于第二工作模式。在第一工作模式下，滤波电路12具有第一电容值；在第二工作模式下，滤波电路12具有第二电容值，其中第二电容值大于第一电容值。在本实施例中，第一时间区间的第一部分从直流脉动电压Vbus上升至第二阈值Vth2时开始到下降至第一阈值Vth1时结束，第一时间区间的第二部分从直流脉动电压Vbus上升至供电电压Vin时开始到上升至第二阈值Vth2时结束。第二时间区间从直流脉动电压Vbus下降至第一阈值Vth1时开始，直到上升至供电电压Vbus时结束。其中第一阈值Vth1可以根据后级电路最小的工作电压设置，第二阈值Vth2大于第一阈值Vth1，且不大于最小的直流脉动电压Vbus的峰值。
在本实施例中，滤波电路12包括第一电容C1和第二电容C2，且第二电容C2的容值远大于第一电容C1的容值。其中第一电容C1并联连接在滤波电路12的输入端，第二电容C2选择性地与第一电容C1并联。即，第一电容C1在第一工作模式下单独并联连接在滤波电路12的输入端；在第二工作模式下，第一电容C1与第二电容C2共同并联在滤波电路12的输入端。
滤波电路12还包括开关S，与第二电容C2串联，以将第二电容C2选择性地并联到滤波电路12的输入端。开关S在第一工作模式下受控关断，在第二工作模式下受控导通。应理解，本发明实施例仅给出了滤波电路的一种实现方式，其他任何可以实现本功能的电路均在本发明的保护范围内。例如，第一电容也可以串联一个开关，该开关在第一工作阶段导通，并在第二工作阶段关断或者导通，其也不会影响电路的效果。
下面结合工作波形图具体阐述整流电路的工作过程。
图4示出了本发明实施例的整流电路的工作波形图。如图4所示，直流脉动电压Vbus在t0时刻上升至第二阈值Vth2，此后，滤波电路开始进入第一工作模式。开关S受控关断，即滤波电路12的输入端仅并联第一电容C1。在t0-t1期间(也即第一时间区间的第一部分)，由于第一电容C1的容值较小，因而供电电压Vin跟随直流脉动电压Vbus变化，此时由第一电容C1和交流输入电压Vac共同给后级提供能量。直流脉动电压Vbus上升至峰值后开始下降，至t1时刻，下降至第一阈值Vth1，至此第一时间区间的第一部分结束。此后，滤波电路12进入第二工作模式，开关S受控导通，以将第二电容C2并联在滤波电路12的输入端。由于第二电容C2的容值远大于第一电容C1的容值，因而此时供电电压Vin瞬间上升至近似等于第二电容C2两端的电压，也即第二阈值Vth2。在t1-t2期间内(即第二时间区间)，由于供电电压Vin大于直流脉动电压Vbus，因此整流单元11关断，因此第一电容C1和第二电容C2共同为后级提供能量，供电电压Vin也随着电容放电而线性下降。在此期间，直流脉动电压Vbus下降至零后上升，至t2时刻，上升至等于供电电压Vin，至此，第二时间区间结束。此后整流单元11导通。t2-t3期间(即第一时间区间的第二部分)，滤波电路12仍处于第二工作模式，交流输入电压Vac一方面给第一电容C1和第二电容C2充电，另一方面为后级提供能量。直流脉动电压Vbus继续上升，至t3时刻大于第二阈值Vth2，至此第一时间区间的第二部分结束。此后，滤波电路进入第一工作模式，开关S受控关断，此时第二电容C2两端的电压值为Vth2，也即第二电容C2承受的最大电压值为第二阈值Vth2。
由此，在本实施例中，交流输入电压Vac在第一时间区间的第一部分t0-t1以及第二部分t2-t3内均为后级提供能量，也即，交流输入电压Vac在每个周期为后级提供能量的时间与图2相比大大延长了，从而使得滤波电路中的电容(电容C1和C2)无需具有很大的容量，即可使得后级电路正常工作，因此有利于减小滤波电路的体积。同时，图2中由于电容C一直并联在整流电路的输出端，因此电容的耐压值等于最大的直流脉动电压的峰值，而在本实施例中，第二电容C2的耐压值为第二阈值Vth2，也即等于最小的直流脉动电压的峰值。应理解，这里的最大的直流脉动电压的峰值和最小的直流脉动电压的峰值指的是整流电路接收的不同电压等级的交流输入电压，因此直流脉动电压具有不同的电压范围，例如为了满足不同的负载需求，AC/DC电源可接收的交流输入电压在110V-220V之间，因此，最大的直流脉动电压的峰值为220V，最小的直流脉动电压的峰值为110V。根据现有技术中的整流电路，所需要的电容所承受的最大电压值为220V，而根据本发明的整流电路，第二电容所承受的最大电压值为110V，因此减小了第二电容的体积。此外，虽然第一电容的耐压值仍为220V，但由于其容值很小，因此体积很小。
图5为本发明实施例的整流电路的控制方法的流程图。该方法包括：
根据整流后的直流脉动电压产生供电电压，其中在第一时间区间内，所述供电电压的波形跟随所述直流脉动电压；在第二时间区间内，所述供电电压的数值大于所述第一时间区间结束时刻的所述供电电压的数值，从而减小所述滤波电路的体积。
具体地，在所述第一时间区间的第一部分，所述滤波电路产生第一电容值以接收所述直流脉动电压。
在所述第二时间区间和所述第一时间区间的第二部分，所述滤波电路产生第二电容值以接收所述直流脉动电压，其中所述第二电容值大于所述第一电容值。
其中，所述第一时间区间的第一部分从所述直流脉动电压上升至第二阈值时开始到下降至第一阈值时结束，所述第一时间区间的第二部分从所述直流脉动电压上升至所述供电电压时开始到上升至所述第二阈值时结束；所述第二时间区间从所述直流脉动电压下降至所述第一阈值时开始，直到上升至所述供电电压时结束。所述第二阈值大于所述第一阈值，且小于或等于最小的直流脉动电压的峰值。
综上所述，本发明的整流电路中滤波电路产生的供电电压在第一时间区间内跟随滤波电路接收的直流脉动电压，在第二时间区间内，供电电压的数值大于第一时间区间结束时刻的供电电压的数值，从而减小滤波电路的体积，进而减小了整流电路的体积，提高了AC/DC电源的功率密度。
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 (20)

1.一种整流电路，其特征在于，包括：
滤波电路，用以接收直流脉动电压，并产生供电电压，其中在第一时间区间内，所述供电电压的波形跟随所述直流脉动电压；在第二时间区间内，所述供电电压的数值大于所述第一时间区间结束时刻的所述供电电压的数值，从而减小所述滤波电路的体积。
2.根据权利要求1所述的整流电路，其特征在于，在所述第二时间区间内，所述供电电压的数值小于或等于最小的直流脉动电压的峰值。
3.根据权利要求1所述的整流电路，其特征在于，在所述第一时间区间的第一部分，所述滤波电路处于第一工作模式，在所述第一时间区间的第二部分和所述第二时间区间，所述滤波电路处于第二工作模式。
4.根据权利要求3所述的整流电路，其特征在于，在所述第一工作模式下，所述滤波电路具有第一电容值；在所述第二工作模式下，所述滤波电路具有第二电容值，其中所述第二电容值大于所述第一电容值。
5.根据权利要求1所述的整流电路，其特征在于，所述直流脉动电压在所述第一时间区间向所述整流电路的后级电路提供能量。
6.根据权利要求3所述的整流电路，其特征在于，所述第一时间区间的第一部分从所述直流脉动电压上升至第二阈值时开始到下降至第一阈值时结束，所述第一时间区间的第二部分从所述直流脉动电压上升至所述供电电压时开始到上升至所述第二阈值时结束。
7.根据权利要求6所述的整流电路，其特征在于，所述第二时间区间从所述直流脉动电压下降至所述第一阈值时开始，直到上升至所述供电电压时结束。
8.根据权利要求7所述的整流电路，其特征在于，所述第二阈值大于所述第一阈值，且小于或等于最小的直流脉动电压的峰值。
9.根据权利要求1所述的整流电路，其特征在于，所述滤波电路包括：
第一电容，并联连接在所述滤波电路的输入端；以及
第二电容，选择性地并联在所述滤波电路的输入端，且所述第二电容的容值大于所述第一电容的容值。
10.根据权利要求9所述的整流电路，其特征在于，在所述第一时间区间的第二部分和所述第二时间区间，所述第一电容与所述第二电容共同并联。
11.根据权利要求9所述的整流电路，其特征在于，在所述第一时间区间的第一部分，所述第二电容断开与所述第一电容的连接。
12.根据权利要求9所述的整流电路，其特征在于，所述滤波电路还包括：
第一开关，与所述第二电容串联，以将所述第二电容选择性地连接到所述滤波电路的输入端。
13.根据权利要求12所述的整流电路，其特征在于，当所述直流脉动电压下降至第一阈值时，所述第一开关受控导通，以将所述第一电容并联在所述滤波电路的输入端。
14.根据权利要求12所述的整流电路，其特征在于，当所述直流脉动电压上升至第二阈值时，所述第一开关受控关断，以断开所述第一电容与所述滤波电路的输入端的连接。
15.根据权利要求1所述的整流电路，其特征在于，还包括：
整流单元，用于接收交流输入电压并输出直流脉动电压。
16.一种AC/DC电源，其特征在于，包括：
权利要求1-15中任一项所述的整流电路；以及
DC/DC变换器，用以将所述供电电压变换为期望的电压等级以提供给负载。
17.一种用于控制整流电路的控制方法，其特征在于，包括：
根据整流后的直流脉动电压产生供电电压，其中在第一时间区间内，所述供电电压的波形跟随所述直流脉动电压；在第二时间区间内，所述供电电压的数值大于所述第一时间区间结束时刻的所述供电电压的数值，从而减小所述滤波电路的体积。
18.根据权利要求17所述的控制方法，其特征在于，还包括：
在所述第一时间区间的第一部分，所述滤波电路产生第一电容值以接收所述直流脉动电压；
在所述第二时间区间和所述第一时间区间的第二部分，所述滤波电路产生第二电容值以接收所述直流脉动电压，其中所述第二电容值大于所述第一电容值。
19.根据权利要求18所述的控制方法，其特征在于，所述第一时间区间的第一部分从所述直流脉动电压上升至第二阈值时开始到下降至第一阈值时结束，所述第一时间区间的第二部分从所述直流脉动电压上升至所述供电电压时开始到上升至所述第二阈值时结束；所述第二时间区间从所述直流脉动电压下降至所述第一阈值时开始，直到上升至所述供电电压时结束。
20.根据权利要求19所述的控制方法，其特征在于，所述第二阈值大于所述第一阈值，且小于或等于最小的直流脉动电压的峰值。
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