CN1126237C - 旁路电感电流纹波的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种开关电源领域中的旁路电感电流纹波装置，包括储能电感L和直直功率变换拓扑电路，还包括一组线圈(N_P)，与储能电感上L磁芯上的原电感线圈(N_S)相耦合，且同名端相连，连接点与直直功率变换拓扑电路相连；线圈N_P的非同名端与电感(Lext)相连；电感(Lext)另一端与电容(C)相连；电容(C)另一端接开关电源内部参考地。本发明克服了现有技术的缺点，达到了电感量或电容量小、整机体积小、重量轻、成本低廉和闭环控制性能好的效果。

Description

旁路电感电流纹波的装置

本发明涉及电源领域，尤其涉及开关电源领域。

目前，随着现代电力电子技术的飞速发展，高效率、高可靠和小体积、轻重量的高频开关电源及其技术得到广泛应用，特别是在通信电源系统的设计和制造方面占据了绝对的统治地位。任何事物的发展都有它的两面性，技术的发展也不例外，大量高频开关技术在通信电源系统中普及应用，使得开关电源系统内固有的含有丰富谐波分量的高频谐波电流串入输入供电电网和输出负载上，形成干扰，造成所谓的谐波污染，严重影响供电电源的供电质量和负载的正常运作。在绿色环保概念逐渐深入人心的今天，如何降低开关电源内部产生的高频开关电流的谐波含量，如何滤除阻挡高频谐波电流分量的外泄，以防止高频谐波电流对电网和负载造成干扰，逐渐得到人们越来越多的重视。同时，国际和国内都颁布了相应的标准，对开关电源装置的谐波及其所造成的干扰包括传导和辐射，提出了越来越高的要求。事实上，现在的开关电源的设计中都包含了一个重要的部分，即输入输出滤波器的设计。比如在降压型(BUCK)的直直变换器中，为把输入电流由含有丰富谐波分量的脉冲电流改变为谐波分量较小的连续直流，在直流供电电源和降压型(BUCK)变换器之间插入了一无源低通二阶的LC滤波器，如图1中所示的输入电感L₁和输入电容C₁，它可以看成一个储能网络，向直直变换器提供较大的瞬时能量，以达到平滑输入电流的目的。为加强滤波效果，要求电感和电容都具有较大的容量，这就增加了滤波器的体积和重量，减小了整机的功率密度，滤波器的成本也相应提高。另外，较大的输入电感和电容对闭环控制的直直变换器系统的稳定性设计会带来麻烦，容易引起系统不稳定。同时，闭环系统的动态响应指标也受到一定程度的影响。在图2中所示的降压型(BUCK)的直直变换器中，电感L₂和电容C₂组成了低通二阶LC输出滤波器，在要求低输出电压纹波的场合，特别是在通信电源系统中，为降低输出电压的纹波，使输出电压符合各项杂音指标，要求输出滤波器的电感和电容都具有较大的容量，同样增加了滤波器的体积和重量，减小了整机的功率密度，滤波器的成本也相应提高。另外，较大的输出电感和电容对闭环控制的直直变换器系统的稳定性设计也会带来麻烦，容易引起系统不稳定。同时，闭环系统的动态响应指标也受到一定程度的影响。在图2所示的带功率因数校正(PFC-power factor corrector)级交流—直流高频开关整流器中，其前级变换电路一般都是升压型(BOOST)的直直变换器，流过升压电感L₂中的电流除了含有输入电源V_IN的基波分量外，还有一定大小的反映变换器开关频率的高频分量，此高频分量的大小完全取决于升压电感L₂的大小。为滤除此高频分量串入输入电源V_IN，一般在供电电源和升压型(BOOST)变换器之间插入了一无源低通二阶的LC滤波器，如图中的输入电感L₁和输入电容C₁。特别是在出于设计方面的一些考虑，要求升压电感L₂取值较小的场合，更需要在升压型(BOOST)的直直变换器前置低通输入滤波器，以消除高频开关电流对输入电源V_IN的影响。同理输入滤波器的设计对整机的功率密度，成本和闭环控制性能都会产生一定的影响。

本发明的目的在于提供一种电感量或电容量小、整机体积小、重量轻、成本低廉和闭环控制性能好的旁路电感电流纹波的装置，以克服现有的旁路电感电流纹波装置中输入输出滤波器电感量或电容量大、整机体积和重量过大、成本高以及闭环控制性能差的缺点。

为了实现上述目的，本发明构造了一种旁路电感电流纹波装置，包括储能电感L和直直功率变换拓扑电路，其特征在于，在所述的储能电感上L的磁芯上还包括一组线圈N_P，该线圈与所述储能电感上L磁芯上的原电感线圈N_S的匝数分别为N_P和N_S，两组线圈之间紧密耦合，两组线圈的同名端相连，其相连点与所述的直直功率变换拓扑电路相连；所述线圈N_P储的非同名端与电感Lext的一端相连；所述电感Lext的另一端与电容C的一端相连；所述电容C的另一端接开关电源内部的参考地。

所述各器件的参数满足下述公式： $\mathrm{Lext}=\mathrm{Lc}(\frac{\mathrm{Ns}}{\mathrm{Np}}-1)$

其中Lext是电感的电感量；

Lc是储能电感L相对于新增线圈N_P的激磁电感。

在本发明所述的装置中，通过储能电感的新增线圈N_P与外加的电感Lext、外加电容C相串联构成的旁路储能电感上高频开关谐波电流支路，可以明显地减少开关电源内部产生的高频开关谐波电流的外泄，降低整机对供电电网和负载的干扰。同时，电源内的输入输出滤波器的设计更为简化，滤波电感的电感量和滤波电容的电容量也可以减小或去除，从而降低了整机的体积重量，节省了输入输出滤波器的成本，便于整机闭环控制系统的设计，提高了整机的动态响应指标。

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

图1是现有技术中的降压型(BUCK)直直变换器；

图2是现有技术中的升压型(BOOST)直直变换器；

图3是本发明所构造的旁路电感电流纹波装置示意图；

图4是本发明在降压型(BUCK)的直直变换器上的实施例结构图；

图5是本发明在升压型(BOOST)的直直变换器上的实施例结构图。

图1和图2是现有技术中所采用的降压型(BUCK)和升压型(BOOST)直直变换器，如前所述，要使输入和输出部分取得较好的滤波效果，防止开关电源内部的高频谐波电流分量对供电电源和负载造成干扰，要求低通LC滤波器的电感和电容都具有较大的容量，这就增加了滤波器的体积和重量，减小了整机的功率密度，滤波器的成本也相应提高。另外，较大的电感和电容对闭环控制的直直变换器系统的稳定性设计会带来麻烦，容易引起系统不稳定，整机闭环系统的动态响应指标也受到一定程度的影响。

图3是本发明所构造的旁路电感电流纹波装置结构图，众所周知，开关电源内部的输入和输出一般都有储能电感，流过电感上的电流包括产生有效功率的基波分量和外泄的高频开关谐波电流分量，本发明所述装置的目的就是将电感电流的有效基波分量和高频开关谐波电流分量分离开，将高频开关谐波电流分量在开关电源内部短路，外泄到开关电源外部的供电电源和负载上的就只有电感电流的有效基波分量了，从而滤除或阻挡开关电源内部产生的高频开关谐波电流。本发明的具体做法是：在原储能电感L的磁芯上再增加一组线圈，此线圈与原电感线圈绕组的匝数分别为N_P和N_S，两组线圈之间紧密耦合，两组线圈的同名端相连，其相连点与直直功率变换的内部拓扑电路相接。储能电感新增线圈的非同名端与一外加的小电感Lext的一端相连，电感Lext的另一端与一外加电容C的一端相连，电容C的另一端接开关电源内部的参考地。储能电感的新增线圈与外加的电感Lext、外加电容C相串联构成了旁路储能电感上高频开关谐波电流的支路。本发明所述的旁路储能电感上高频开关谐波电流的支路上各器件的参数关系如下： $\mathrm{Lext}=\mathrm{Lc}(\frac{\mathrm{Ns}}{\mathrm{Np}}-1)$

其中Lext是外加小电感的电感量。

Lc是储能电感L相对于新增线圈侧(N_P绕组)的激磁电感。

采用上述图3所构造的方案后，储能电感L新增线圈侧(N_P绕组)将旁路掉储能电感L的高频谐波电流分量，储能电感L的原有线圈侧(N_S绕组)仅流过储能电感L的基波有效分量，从而达到滤除或阻挡开关电源内部产生的高频开关谐波电流的目的。

图4和图5是本发明在降压型(BUCK)和升压型(BOOST)的直直变换器上实施方式的结构图。储能电感L1的Np1绕组、电感Lext1和电容C3，分别对应于图3发明示意图中的储能电感L的Np绕组、电感Lext和电容C。输入低通滤波器中的电感L1和电容C1与图1中对应的输入低通滤波器的电感和电容相比，其电感量和电容量都可以减小，但是流入供电电源Vin中的电流，即输入电感L1的Ns1绕组侧的电流只有输入电感L1电流的有效基波分量，降压型(BUCK)直直变换器内部所需的高频谐波电流分量则由输入电感L1的Np1绕组侧，即输入电感L1的高频谐波电流的旁路支路(包括电感L1的Np1绕组、电感Lext1和电容C3)来提供，所以小的输入滤波电感和电容同样可以很好地滤除了降压型(BUCK)直直变换器内部的高频谐波电流对供电电源造成的谐波污染，起到比图1中的输入滤波器更好地输入滤波效果。同样，在降压型(BUCK)直直变换器地输出滤波部分用带有高频谐波电流旁路支路的电感L2替换图1中对应的输出滤波电感，其高频谐波电流的旁路支路包括电感L2的Np2绕组、电感Lext2和电容C4，分别对应于图3发明示意图中的电感L的Np绕组、电感Lext和电容C。替换后，输出滤波电感L2上的高频谐波电流通过其旁路支路(包括电感L2的Np2绕组、电感Lext2和电容C4)，输出滤波电感L2上的基波电流有效分量，即输出滤波电感L2的Ns2绕组侧的电流通过负载，产生有效输出。所以图4中输出低通滤波器的电感L2和电容C2与图1中对应的输出低通滤波器的电感和电容相比，其电感量和电容量可以大幅减小，但是其输出滤波效果却比图1中原有输出滤波技术的滤波效果更好，消除了降压型(BUCK)直直变换器内部的高频谐波电流对负载的干扰。

如图5，升压型(BOOST)的直直变换器的升压电感L2用带有高频谐波电流旁路支路的电感替换后，其高频谐波电流的旁路支路包括电感L2的Np2绕组、电感Lext1和电容C3，分别对应于图3发明示意图中的电感L的Np绕组、电感Lext和电容C。升压电感L2上的高频谐波电流通过其旁路支路(包括电感L2的Np2绕组、电感Lext1和电容C3)，升压电感L2上的基波电流有效分量，即升压电感L2的Ns2绕组侧的电流通过供电电源Vin，消除了升压型(BOOST)的直直变换器内部的高频谐波电流对供电电源造成的谐波污染。所以图5中升压电感L2与图2中对应的升压电感相比，其电感量可以减小，同时图5与图2相比，其输入低通滤波器(包括图2中的电感L1和电容C1)可以省去，但是其输入滤波效果并不减弱。

本发明所公开的一种旁路电感电流纹波的装置，可以普遍应用于开关电源系统中，特别是在要求储能电感的电感量较小的场合，能很好地旁路电感上的高频谐波电流分量，使之不外泄到开关电源外部，对供电电源和负载造成干扰，同时又能减少输入输出滤波器的体积重量，降低整机成本，提高整机的闭环动态响应性能指标。

Claims (2)

1一种旁路电感电流纹波的装置，包括储能电感(L)和直直功率变换拓扑电路，其特征在于，在所述的储能电感(L)上的磁芯上还包括一组线圈(N_P)，该线圈(N_P)与所述储能电感(L)上磁芯上的原电感线圈(N_S)的匝数分别为N_P和N_S，两组线圈之间耦合，两组线圈的同名端相连，其相连点与所述的直直功率变换拓扑电路相连；所述线圈(N_P)的非同名端与电感(Lext)的一端相连；所述电感(Lext)的另一端与电容(C)的一端相连；所述电容(C)的另一端接开关电源内部的参考地；

所述各器件的参数满足下述公式： $\mathrm{Lext}=\mathrm{Lc}(\frac{\mathrm{Ns}}{\mathrm{Np}}-1)$

其中Lext是电感的电感量；

      Lc是储能电感(L)相对于线圈(N_P)的激磁电感。

2根据权利要求1所述的旁路电感电流纹波的装置，其特征在于，线圈(N_P)和原电感线圈(N_S)之间的耦合为紧密型耦合。

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