CN112689364B - 电源转换器 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种电源转换器，通过在整流电路和谐振电路之间设置无源的升压电路，可以使得电源转换器实现良好的功率因数、低的总谐波失真，且输出纹波较小以适应LED驱动电源的应用场合。

Description

电源转换器
技术领域
本发明涉及电力电子技术，具体涉及一种电源转换器。
背景技术
近年来，用户对LED驱动电源要求越来越高，例如，低谐波、高PF值、无频闪、体积小、效率高、成本低，由于普通的LED驱动电源采用传统的桥式整流、电容滤波电路会使AC输入电流产生严重的波形畸变，向电网注入大量的高次谐波，因此电网侧的功率因数不高，大量的高次谐波对电网和其它电气设备造成严重谐波污染与干扰，使得其它电气设备无法正常工作，因此为了减少谐波干扰，在LED驱动电源中增加了功率因数校正电路(即PFC)，用于提高LED驱动电源中的功率因数从而减少谐波干扰。
现有的各种无源开关功率因数校正(PFC)电路通常通过使负载的输出电流具有高的纹波含量来使产品能够以较低成本满足法令规定。然而，在许多应用中，希望通过输出负载的电流基本恒定且具有较低的纹波含量。例如，在LED照明的情况下，具有低纹波含量的恒定输出电流具有能提供高效率且长寿命以及没有闪烁的高质量光输出的优点。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种电源转换器，以适应LED驱动电源的应用场合。
根据本发明实施例的第一方面，提供一种电源转换器，包括：
整流电路，其用以对交流输入电压进行整流，以输出直流母线电压；
谐振电路，其包括开关电路以及谐振电感，且用以将所述直流母线电压转换为输出电压或输出电流以向负载供电；
升压电路，其连接在所述整流电路和所述谐振电路之间，所述升压电路包括第一电容以及第二电容，并复用所述整流电路中的至少一个二极管构成电荷泵PFC电路，其中，通过所述第一电容将所述谐振电感耦接至所述整流电路。
优选地，所述升压电路由流经所述谐振电感的电感电流驱动，用以获得较高的功率因数。
优选地，所述升压电路还包括连接在所述整流电路和所述开关电路之间的第一二极管。
优选地，所述第一电容的一端连接至所述第一二极管与所述整流电路的输出端的公共节点。
优选地，所述升压电路中，通过分时复用所述整流电路中与所述整流电路的一个输出端连接的两个二极管之一，且与所述第一电容、第一二极管以及第二电容共同构成电荷泵PFC电路。
优选地，所述升压电路中，通过复用所述整流电路中与所述整流电路的负输入端连接的两个二极管，且与所述第一电容以及第二电容共同构成电荷泵PFC电路。
优选地，所述第一二极管的阳极连接至所述整流电路的正输出端，阴极连接至所述开关电路的正输入端，所述第一电容的一端与所述第一二极管的阳极与所述整流电路的正输出端的公共节点连接。
优选地，所述第一二极管的阴极连接至所述整流电路的负输出端，阳极连接至所述开关电路的负输入端，所述第一电容的一端与所述第一二极管的阴极与所述整流电路的负输出端的公共节点连接。
优选地，所述第二电容连接至所述整流电路的两个输出端之间。
优选地，所述第二电容并联连接至所述第一二极管的两端。
优选地，所述第一电容的一端与所述整流电路的负输入端连接，另一端与所述谐振电感耦接。
优选地，所述第二电容的一端与所述整流电路的负输入端和所述第一电容的公共节点连接，另一端连接至所述整流电路的正输出端或负输出端。
优选地，所述开关电路的两个输入端之间跨接一储能电容。
优选地，所述开关电路的输出端与所述谐振电感耦接，且用于获取表征所述输出电流的电流检测信号的检测电路与所述谐振电感串联连接。
优选地，还包括控制电路，用以根据所述电流检测信号，生成所述开关电路中功率晶体管的控制信号，以使得所述输出电压或输出电流满足负载的供电要求。
本发明的电源转换器，通过在整流电路和谐振电路之间设置无源的升压电路，可以使得电源转换器实现良好的功率因数、低的总谐波失真，且输出纹波较小以适应LED驱动电源的应用场合。
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为本发明的第一实施例的电源转换器的电路图；
图2为本发明的第二实施例的电源转换器的电路图；
图3为本发明的第三实施例的电源转换器的电路图；
图4为本发明的第四实施例的电源转换器的电路图；
图5为本发明的第五实施例的电源转换器的电路图；
图6为本发明的第六实施例的电源转换器的电路图。
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1为本发明的第一实施例的电源转换器的电路图，如图1所示，电源转换器包括整流电路11，整流电路11用以对交流输入电压Vac进行整流，以输出直流母线电压Vbus。电源转换器还包括谐振电路12，其包括开关电路以及谐振电感Lr，并利用升压电路13中的容性器件构成LLC谐振电路，用以将直流母线电压Vbus转换为输出电压或输出电流以向负载供电。谐振电路12中的开关电路用以将直流母线电压Vbus转换为逆变电压，然后，经过负载整流电路将逆变电压整流为输出电压以向负载供电。在本发明实施例中，开关电路包括串联连接的第一功率晶体管S1以及第二功率晶体管S2，其中，第一功率晶体管S1的一端连接至整流电路11的正输出端，第二功率晶体管S2的一端连接至整流电路的负输出端，并在第一功率晶体管S1以及第二功率晶体管S2的公共节点处输出所述逆变电压。负载整流电路经所述谐振电感Lr接收逆变电压，在本发明中，负载整流电路包括变压器T、二极管D9以及二极管D10，可以理解的是，其他能实现隔离整流的电路结构均在本发明的保护范围之内。
电源转换器还包括升压电路13，其连接在整流电路11和所述谐振电路12之间，且由流经谐振电感Lr的电感电流驱动，用以获得较高的功率因数。
通常，整流电路11输出的直流母线电压Vbus的波形具有波峰和波谷，通过使用升压电路13将附加电荷泵送到直流母线电压Vbus，使得其波形更为平滑且波峰和波谷更小。在上述电源转换器电路中，由于负载电流可以经过变压器折算到原边绕组上，而变压器的原边绕组与谐振电感串联连接，而升压电路13由流经谐振电感Lr的电感电流驱动，故几乎所有的负载电流都被升压电路13利用以提供附加电荷。因此，本发明实施例的电源转换器电路可以实现良好的功率因数、低的总谐波失真、以及负载电流或电压中的低纹波含量。具体地，升压电路13，利用电容分时充电和放电，将电网能量转移给储能电容，使输入平均电流为正弦波，并与交流输入电压Vac同相位以将功率因数提高。在本发明中，开关电路的两个输入端之间被设置为跨接一储能电容C3。
电源转换器1还包括检测电路Rs。具体地，开关电路的输出端，即第一功率晶体管S1以及第二功率晶体管S2的公共节点与谐振电感Lr耦接，且用于获取表征输出电流的电流检测信号的检测电路Rs与谐振电感Lr串联连接。电源转换器1还包括控制电路(图中未示出)，控制电路用以根据电流检测信号，生成开关电路中功率晶体管S1以及S2的控制信号，以使得电源转换器的输出电压或输出电流满足负载的供电要求。在一种实施方式中，检测电路Rs的一端直接连接至开关电路的输出端，另一端直接与谐振电感Lr连接；在另一种实施方式中，检测电路Rs的一端直接连接至升压电路13，另一端通过变压器T的原边绕组Lp与谐振电感Lr连接。本领域技术人员应可以理解，在本发明的范围内存在不同的电路变化。实施例中示出的电路组件可以以不同的布置或顺序放置，但是仍然落入本发明的范围内，并且提供在所描述的实施例中最初布置或排序的电路所描述的功能。
优选地，电源转换器还包括输入电路10，具体地，输入电路10的输入端接入供电电网以接收交流输入电压Vac，输入电路10的输出端分别与整流电路11的第一输入端(即正输入端)、第二输入端(即负输入端)电连接，整流电路11经输入电路10获取供电电网中的电能后进行整流并输出直流母线电压Vbus。在本发明实施例中，输入电路10由包括两个电容和一个电感构成的“π”型低通滤波器组成。通常，低通滤波器的输入频率带宽将低于电源转换器的开关频率，但高于市电电压供应频率。低通滤波器的输出端连接到整流电路11的两个输入端。
在一种优选实施方式中，如图1中所示，升压电路13具有第一电容C1以及第二电容C2两个容性器件，其中，通过第一电容C1将谐振电感Lr耦接至整流电路11。具体地，在本发明实施例中，升压电路13包括一端与整流电路11的正输出端连接，另一端与谐振电感Lr耦接的第一电容C1、第二电容C2连接至整流电路11的两个输出端(正输出端和负输出端)之间。升压电路13还包括第一二极管D5，第一二极管D5的阳极连接至第一电容C1与整流电路11的正输出端的公共节点，阴极连接至所述开关电路的正输入端。第一电容C1耦接至谐振电感Lr，这里，具体地，是指第一电容C1通过变压器T的原边绕组Lp与谐振电感Lr的一端连接，而谐振电感Lr的另一端连接至检测电路Rs，然后检测检测电路Rs再与开关电路的输出端连接。所述开关电路的正输入端指第一功率晶体管S1的一端，其中，第二功率晶体管S2的一端连接至参考地，也即所述开关电路负输入端。
升压电路13中，升压电路复用整流电路中的二极管构成电荷泵PFC电路，在本发明实施例中，升压电路13通过分时复用整流电路11中与所述整流电路的正输出端连接的两个二极管之一，且与第一电容C1、第一二极管D5以及第二电容C2共同构成电荷泵PFC电路。具体地，当输入交流电压Vac处于正半周时，二极管D1导通，故此时二极管D1与第一电容C1、第二电容C2以及第一二极管D5构成所述电荷泵PFC电路；当输入交流电压Vac处于负半周时，二极管D2导通，故此时二极管D2与第一电容C1、第二电容C2以及第一二极管D5构成所述电荷泵PFC电路。
所述电荷泵PFC电路的工作过程为：在一个开关周期的第一时段，将谐振电感Lr、开关电路以及第一电容C1共同作用等效的正弦波电流源Is(连接于二极管D1或二极管D2与第一二极管D5的公共节点与参考地之间，从公共节点流向参考地为正方向)，其电流大于零，第二电容C2放电，使得二极管D1与第一二极管D5的公共节点处的电压Vm下降到直流母线电压Vbus；在紧接着的第二时段，第一二极管D5导通，电压Vm维持在直流母线电压Vbus，升压电路13的输入电流Iin即为电流源Is的电流，并且，在此阶段，电流源Is的电流与所述公共节点的电压Vm正相关，即输入电流Iin与直流母线电压Vbus的大小正相关；在紧接着的第三时段，电流源Is的电流反向，第二电容C2被充电，二极管D2与第一二极管D5的公共节点处的电压Vm上升到储能电容C3两端的电压；在紧接着的第四时段，第一二极管D5导通，公共节点处的电压Vm维持在储能电容C3两端的电压。
由此可知，当直流母线电压Vbus越低时，即输入电压Vac电压越小时，其交流输入电流就会越小，反之，在AC电压峰值，即输入电压Vac电压最大时，交流输入电流就会最大，从而使得输入电流波形跟踪输入电压的波形，进而使得系统的PF得到改善。
至此可知，本发明的电源转换器，通过在整流电路和谐振电路之间设置无源的升压电路，可以使得电源转换器实现良好的功率因数、低的总谐波失真，且输出纹波较小以适应LED驱动电源的应用场合。
图2为本发明的第二实施例的电源转换器的电路图，如图2所示，本发明实施例的电源转换器，与第一实施例的区别仅在于：升压电路23中，第二电容C2并联连接至第一二极管D5的两端，其他电路结构及工作原理均与第一实施例中相同，在此不再赘述。
在上面两个实施例中，升压电路均包括第一电容C1、第二电容C2以及第一二极管D5，且第一二极管D5的阳极连接至第一电容C1与整流电路11的正输出端的公共节点，阴极连接至所述开关电路的正输入端。在接下来的两个实施例中，仅对第一二极管D5的设置位置做了改变，同时，第一电容C1的连接方式也适应性地做了调整。
图3为本发明的第三实施例的电源转换器的电路图，如图3所示，本发明实施例的电源转换器，与第一实施例的区别在于：升压电路33中，升压电路中第一二极管D5的阴极连接至整流电路11的负输出端，阳极连接至所述开关电路的负输入端，从而，适应性地，第一电容C1的一端与第一二极管D5的阴极与整流电路11的负输出端的公共节点连接，另一端则同样地耦接至谐振电感Lr。其他电路结构及工作原理均与第一实施例中相同，在此不再赘述。
升压电路33中，升压电路复用整流电路中的二极管构成电荷泵PFC电路，在本发明实施例中，升压电路13通过分时复用整流电路11中与所述整流电路的负输出端连接的两个二极管之一，且与第一电容C1、第一二极管D5以及第二电容C2共同构成电荷泵PFC电路。具体地，当输入交流电压Vac处于正半周时，二极管D4导通，故此时二极管D4与第一电容C1、第二两容C2以及第一二极管D5构成所述电荷泵PFC电路；当输入交流电压Vac处于负半周时，二极管D3导通，故此时二极管D3参与所述电荷泵PFC电路的工作。
图4为本发明的第四实施例的电源转换器的电路图，如图4所示，本发明实施例的电源转换器，与上述第三实施例的区别仅在于：升压电路43中，第二电容C2并联连接至第一二极管D5的两端，其他电路结构及工作原理均与第三实施例中相同，在此不再赘述。
在上面四个实施例中，升压电路均包括第一电容C1、第二电容C2以及第一二极管D5，且第一电容C1的一端均连接至第一二极管D5与整流电路11的输出端的公共节点，第二电容C2连接至整流电路11的两个输出端之间，或者，并联连接至第一二极管D5的两端。在接下来的两个实施例中，升压电路仅包括第一电容C1以及第二电容C2，不用额外设置二极管，升压电路可以通过复用整流电路11中的二极管，构成电荷泵PFC电路，以使得电源转换器实现良好的功率因数。
图5为本发明的第五实施例的电源转换器的电路图，如图5所示，本发明实施例的电源转换器，升压电路33包括第一电容C1以及第二电容C2，其中，第一电容C1的一端与整流电路11的负输入端(二极管D2与D4的公共节点)连接，另一端与谐振电感Lr耦接。第二电容C2的一端与整流电路11的负输入端以及第一电容C1的公共节点连接，另一端连接至整流电路11的正输出端(二极管D1与D2的公共节点)。
升压电路53中，通过复用整流电路11中与整流电路11的负输入端连接的两个二极管D2和D4，且与所述第一电容C1以及第二电容C2共同构成电荷泵PFC电路。电荷泵PFC电路的工作原理与本发明的第一实施例相同，在此不再赘述。
图6为本发明的第六实施例的电源转换器的电路图，如图6所示，本发明实施例的电源转换器，与第五实施例的区别仅在于：升压电路63中，第二电容C2的一端与整流电路11的负输入端以及第一电容C1的公共节点连接，另一端连接至整流电路11的负输出端(二极管D3与D4的公共节点)。其他电路结构及工作原理均与第五实施例中相同，在此不再赘述。
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 (14)

1.一种电源转换器，包括：
整流电路，其用以对交流输入电压进行整流，以输出直流母线电压；
谐振电路，其包括开关电路，谐振电感，以及连接在所述开关电路和所述谐振电感之间的检测电路，且用以将所述直流母线电压转换为输出电压或输出电流以向负载供电；
储能电容，跨接在所述开关电路的两个输入端之间；
升压电路，其连接在所述整流电路和所述谐振电路之间，所述升压电路包括第一电容以及第二电容，并分时复用所述整流电路中的至少一个二极管构成电荷泵PFC电路，其中，通过所述第一电容将所述谐振电感耦接至所述整流电路，第一电容的一端与谐振电路中的谐振电感连接，另一端与所述整流电路的输入或输出端连接；所述谐振电路利用所述升压电路中的容性器件构成LLC谐振电路；所述升压电路利用电容分时充电和放电，将电网能量转移给所述储能电容，使输入平均电流为正弦波，并与所述交流输入电压同相位以将功率因数提高。
2.根据权利要求1所述的电源转换器，其特征在于，所述升压电路由流经所述谐振电感的电感电流驱动，用以获得较高的功率因数。
3.根据权利要求1所述的电源转换器，其特征在于，所述升压电路还包括连接在所述整流电路和所述开关电路之间的第一二极管。
4.根据权利要求3所述的电源转换器，其特征在于，所述第一电容的一端连接至所述第一二极管与所述整流电路的输出端的公共节点。
5.根据权利要求3所述的电源转换器，其特征在于，所述升压电路中，通过分时复用所述整流电路中与所述整流电路的一个输出端连接的两个二极管之一，且与所述第一电容、第一二极管以及第二电容共同构成电荷泵PFC电路。
6.根据权利要求1所述的电源转换器，其特征在于，所述升压电路中，通过分时复用所述整流电路中与所述整流电路的负输入端连接的两个二极管，且与所述第一电容以及第二电容共同构成电荷泵PFC电路。
7.根据权利要求3所述的电源转换器，其特征在于，所述第一二极管的阳极连接至所述整流电路的正输出端，阴极连接至所述开关电路的正输入端，所述第一电容的一端与所述第一二极管的阳极与所述整流电路的正输出端的公共节点连接。
8.根据权利要求3所述的电源转换器，其特征在于，所述第一二极管的阴极连接至所述整流电路的负输出端，阳极连接至所述开关电路的负输入端，所述第一电容的一端与所述第一二极管的阴极与所述整流电路的负输出端的公共节点连接。
9.根据权利要求7或8所述的电源转换器，其特征在于，所述第二电容连接至所述整流电路的两个输出端之间。
10.根据权利要求7或8所述的电源转换器，其特征在于，所述第二电容并联连接至所述第一二极管的两端。
11.根据权利要求1所述的电源转换器，其特征在于，所述第一电容的一端与所述整流电路的负输入端连接，另一端与所述谐振电感耦接。
12.根据权利要求11所述的电源转换器，其特征在于，所述第二电容的一端与所述整流电路的负输入端和所述第一电容的公共节点连接，另一端连接至所述整流电路的正输出端或负输出端。
13.根据权利要求1所述的电源转换器，其特征在于，所述开关电路的输出端与所述谐振电感耦接，且用于获取表征所述输出电流的电流检测信号的检测电路与所述谐振电感串联连接。
14.根据权利要求13所述的电源转换器，其特征在于，还包括控制电路，用以根据所述电流检测信号，生成所述开关电路中功率晶体管的控制信号，以使得所述输出电压或输出电流满足负载的供电要求。
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