CN114977769A - 高性能ac-dc电源变换器以及控制方法 - Google Patents

高性能ac-dc电源变换器以及控制方法 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种高性能AC‑DC电源变换器以及控制方法。该高性能AC‑DC电源变换器包括整流模块，用于对输入的AC电流进行整流；滤波模块，用于对整流模块的处理结果进行滤波；PFC模块，用于消除所述滤波模块中的谐波；斩波模块，用于对所述PFC模块的处理结果进行斩波；隔离模块，提供电流隔离或者磁隔离；还包括：第一控制子系统，用于根据所述PFC模块中的输入电压、输入电流和输出电压控制所述PFC模块中的电路；第二控制子系统，用于根据所述隔离模块中的输入电流和输出电压控制所述隔离模块。本申请解决了提高电能利用率，降低谐波污染的技术问题。

Description

高性能AC-DC电源变换器以及控制方法
技术领域
本申请涉及AC-DC电源变换器领域，具体而言，涉及一种高性能AC-DC电源变换器以及控制方法。
背景技术
电能的高效利用和低谐波污染越来越受到各国的重视。AC-DC开关功率因数校正(Power Factor Correction，简称PFC)预调整器可实现电能变换的高功率因数、低总谐波含量，因此一直是电力电子领域的研究热点。
相关技术中，AC-DC电源变换器的性能无法满足相关需求。
针对相关技术中提高电能利用率，降低谐波污染的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
本申请的主要目的在于提供一种高性能AC-DC电源变换器，以解决提高电能利用率，降低谐波污染的问题。
为了实现上述目的，根据本申请的一个方面，提供了一种高性能AC-DC电源变换器。
根据本申请的高性能AC-DC电源变换器包括：整流模块，用于对输入的AC电流进行整流；滤波模块，用于对整流模块的处理结果进行滤波；PFC模块，用于消除所述滤波模块中的谐波；斩波模块，用于对所述PFC模块的处理结果进行斩波；隔离模块，提供电流隔离或者磁隔离；还包括：第一控制子系统，用于根据所述PFC模块中的输入电压、输入电流和输出电压控制所述PFC模块中的电路；第二控制子系统，用于根据所述隔离模块中的输入电流和输出电压控制所述隔离模块。
进一步地，所述第一控制子系统，包括：电压采样单元、电压整流滤波单元以及谐波滤波单元。
进一步地，所述第二控制子系统，包括：反激变换器控制单元、谐振LLC变换器控制单元。
进一步地，所述PFC模块，包括：
无源PFC电路，所述无源PFC电路包括多个无源低通滤波器；
有源PFC电路，所述有源PFC电路包括升压变换器。
进一步地，所述隔离模块，包括反激变换器单元或者谐振LLC变换器。
进一步地，所述整流模块，包括：半桥整流单元或者全桥整流单元。
进一步地，所述斩波模块，包括：将所述PFC模块的处理结果斩波转换成高频脉冲串信号。
为了实现上述目的，根据本申请的另一方面，提供了一种高性能AC-DC电源变换器的控制方法，用于所述的高性能AC-DC电源变换器。
根据本申请的高性能AC-DC电源变换器的控制方法，包括：
根据PFC模块中的输入电压、输入电流和输出电压控制所述PFC模块中的电路；
根据隔离模块中的输入电流和输出电压控制所述隔离模块。
为了实现上述目的，根据本申请的又一方面，提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，其中，所述计算机程序被设置为运行时执行所述方法。
为了实现上述目的，根据本申请的再一方面，提供了一种电子装置，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器被设置为运行所述计算机程序以执行所述的方法。
在本申请实施例中高性能AC-DC电源变换器以及控制方法，采用整流模块，用于对输入的AC电流进行整流；滤波模块，用于对整流模块的处理结果进行滤波；PFC模块，用于消除所述滤波模块中的谐波；斩波模块，用于对所述PFC模块的处理结果进行斩波；隔离模块，提供电流隔离或者磁隔离的方式，通过第一控制子系统，用于根据所述PFC模块中的输入电压、输入电流和输出电压控制所述PFC模块中的电路以及第二控制子系统，用于根据所述隔离模块中的输入电流和输出电压控制所述隔离模块，达到了提高性能的目的，从而实现了低成本控制的技术效果，进而解决了提高电能利用率，降低谐波污染的技术问题。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，使得本申请的其它特征、目的和优点变得更明显。本申请的示意性实施例附图及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1是根据本申请实施例的电源变换器的适用场景示意图；
图2是根据本申请实施例的高性能AC-DC电源变换器的结构示意图；
图3是根据本申请实施例的高性能AC-DC电源变换器的控制方法流程示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在本申请中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本申请及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。
并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本申请中的具体含义。
此外，术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“相连”、“套接”应做广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
如图1所示，包括AC-DC电源变换器、多个DC-DC电源变换器，通过以高电压、低电流方式传输AC电压，可以减少传输损耗。在实际使用场景中，由于不能直接使用高电压，所以需要通过几个变电站分阶段进行变压(降压)，最后转换成100V或200V后进入场景。这些转换也因AC更简单，所以传输的是AC电压。
如图2所示，本申请实施例的高性能AC-DC电源变换器，包括：整流模块201，用于对输入的AC电流进行整流；滤波模块202，用于对整流模块的处理结果进行滤波；PFC模块203，用于消除所述滤波模块中的谐波；斩波模块204，用于对所述PFC模块的处理结果进行斩波；隔离模块205，提供电流隔离或者磁隔离；还包括：第一控制子系统206，用于根据所述PFC模块中的输入电压、输入电流和输出电压控制所述PFC模块中的电路；第二控制子系统207，用于根据所述隔离模块中的输入电流和输出电压控制所述隔离模块。
所述整流模块201，用于对输入的AC电流进行整流。对于输入AC需要进行整流处理，之后滤波模块202，用于对整流模块的处理结果进行滤波。
所述PFC模块203，用于消除所述滤波模块中的谐波，功率因数校正(PFC)开关电源设计中的第二个阶段是功率因数校正(PFC)。功率因数校正电路与交流电源到直流电源的实际转换关系不大，但却是大多数商用电源的关键部件。
所述斩波模块204，用于对所述PFC模块的处理结果进行斩波。输入电压不再降低，而是在输入端进行整流和滤波。然后电压通过斩波器，再将其转换成高频脉冲串。在电压达到输出之前，它会被再次过滤和整流。此外，还包括隔离模块205，用于提供电流隔离或者磁隔离。通常而言，安全隔离可以通过磁隔离输入和输出电路来实现。隔离AC/DC电源中使用最广泛的电路是反激变换器和谐振LLC变换器，其具体包括了电流隔离或磁隔离。
所述第一控制子系统205，用于根据所述PFC模块中的输入电压、输入电流和输出电压控制所述PFC模块中的电路。通过所述第一控制子系统205对于PFC模块进行控制，从而提高电能利用率。
所述第二控制子系统206，用于根据所述隔离模块中的输入电流和输出电压控制所述隔离模块。通过所述第二控制子系统206对所述隔离模块进行控制，隔离开关电源与非隔离开关电源。无论功率因数校正电路是否存在，功率转换的最后一步是将整流后的直流电压逐步降低到适合预期应用的幅度。因为输入的交流波形已经在输入端整流，所以直流电压输出将会很高：如果没有功率因数校正，整流器的输出直流电压将为320V左右。如果有有源功率因数校正电路，升压变换器的输出将是稳定的400V或更高。这两种情况都是极其危险的，对于通常需要显著降低电压的大多数应用而言则意义不大。
所述第一控制子系统对于PFC模块进行控制，AC-DC开关功率因数校正预调整器可实现电能变换的高功率因数、低总谐波含量。
所述第二控制子系统对于隔离模块进行控制，在反激变换器和谐振LLC变换器都存在的情况下，对两者分别进行控制。
从以上的描述中，可以看出，本申请实现了如下技术效果：
采用整流模块，用于对输入的AC电流进行整流；滤波模块，用于对整流模块的处理结果进行滤波；PFC模块，用于消除所述滤波模块中的谐波；斩波模块，用于对所述PFC模块的处理结果进行斩波；隔离模块，提供电流隔离或者磁隔离的方式，通过第一控制子系统，用于根据所述PFC模块中的输入电压、输入电流和输出电压控制所述PFC模块中的电路以及第二控制子系统，用于根据所述隔离模块中的输入电流和输出电压控制所述隔离模块，达到了提高性能的目的，从而实现了低成本控制的技术效果，进而解决了提高电能利用率，降低谐波污染的技术问题。
根据本申请实施例，所述第一控制子系统，包括：电压采样单元、电压整流滤波单元以及谐波滤波单元。在所述第一控制子系统中的电压采样单元、电压整流滤波单元以及谐波滤波单元，能够对于所述PFC模块中的输入电压、输入电流和输出电压进行采集、整流滤波、谐波滤波等，从而根据得到的输入电压、电流以及输出电压进行PFC模块的控制。
根据本申请实施例，所述第二控制子系统，包括：反激变换器控制单元、谐振LLC变换器控制单元。
具体实施时，反激变换器控制单元的激变换器主要用于低功耗应用。反激变换器是一种隔离的buck-boost变换器，输出电压可以高于输入电压，也可以低于输入电压，这取决于变压器在一次绕组和二次绕组之间的匝数比。反激变换器的工作原理与升压变换器非常相似。当开关闭合时，初级线圈由输入端充电，产生磁场。当开关断开时，初级电感器中的电荷转移到次级绕组，次级绕组向电路注入电流，为负载供电。对于所述反激变换器控制单元，能够控制隔离模块中的输入电流和输出电压控制所述隔离模块。
进一步地，谐振LLC变换器控制单元，谐振LLC转换器在大功率应用中更为常用。LLC变换器是基于谐振原理，即当它与滤波器的固有频率相匹配时，对某一频率的放大。在这种情况下，LLC转换器的谐振频率由串联的电感器和电容器(LC滤波器)和变压器初级电感器(L)的附加效应而定。对于所述谐振LLC变换器控制单元，能够控制隔离模块中的输入电流和输出电压控制所述隔离模块。
根据本申请实施例，所述PFC模块，包括：无源PFC电路，所述无源PFC电路包括多个无源低通滤波器；有源PFC电路，所述有源PFC电路包括升压变换器。
具体实施时，无源PFC电路是由无源低通滤波器组成的，它试图消除高次谐波。然而，电源，特别是在大功率应用中，仅仅使用无源PFC无法满足谐波噪声的国际规定，必须采用有源功率校正。故，有源PFC改变电流波形，使之跟随电压变化。谐波被移到更高的频率，使其更容易滤除。在这种情况下，最广泛使用的电路是升压变换器，也称为升压变换器。
根据本申请实施例，所述隔离模块，包括反激变换器单元或者谐振LLC变换器。反激变换器是一种隔离的buck-boost变换器，输出电压可以高于输入电压，也可以低于输入电压，这取决于变压器在一次绕组和二次绕组之间的匝数比。反激变换器的工作原理与升压变换器非常相似。当开关闭合时，初级线圈由输入端充电，产生磁场。当开关断开时，初级电感器中的电荷转移到次级绕组，次级绕组向电路注入电流，为负载供电。
根据本申请实施例，所述整流模块，包括：半桥整流单元或者全桥整流单元。正弦波是交流电(AC)最典型的波形，前半个周期为正，其余周期为负。如果反向或消除负半周期，则电流停止交替，变成直流电。这可以通过一个叫做矫正的过程来实现。整流可以通过使用无源半桥整流器来实现，用二极管消除正弦波的负半部分。二极管允许电流在正半波期间流过，但当电流反向流动时，二极管会阻断电流方向。此外，全整流波的平均输出电压比半桥整流器的高，但离为电子设备供电所需的恒定直流波形仍有很大差距。虽然这是一个直流波，但由于电压波形，供电是低效的，因为电压波的值变化非常快和频繁。这种周期性的直流电压变化被称为纹波。减少或消除纹波是一个有效的电源供应的关键。减少纹波最简单和最常用的方法是在整流器输出端使用一个大电容器，称为储能电容器或平滑滤波器。电容器在电压峰值时存储电压，然后向负载提供电流，直到其电压小于现在上升的整流电压波。得到的波形更接近所需的形状，可以认为是没有交流分量的直流电压。这个最终的电压波形现在可以用来给直流电供电设备。
根据本申请实施例，所述斩波模块，包括：将所述PFC模块的处理结果斩波转换成高频脉冲串信号。具体实施时，所述斩波模块将所述PFC模块的处理结果斩波转换成高频脉冲串信号。
需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
根据本申请实施例，还提供了一种用于实施上述高性能AC-DC电源变换器的高性能AC-DC电源变换器的控制方法，如图3所示，该方法包括：
步骤S301，根据PFC模块中的输入电压、输入电流和输出电压控制所述PFC模块中的电路。
通过对于PFC模块进行控制，从而提高电能利用率。
步骤S302，根据隔离模块中的输入电流和输出电压控制所述隔离模块。
对所述隔离模块进行控制，隔离开关电源与非隔离开关电源。
显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本申请的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本申请不限制于任何特定的硬件和软件结合。
本申请的实施例还提供了一种存储介质，该存储介质中存储有计算机程序，其中，该计算机程序被设置为运行时执行上述任一项方法实施例中的步骤。
可选地，在本实施例中，上述存储介质可以被设置为存储用于执行以下步骤的计算机程序：
S1，根据PFC模块中的输入电压、输入电流和输出电压控制所述PFC模块中的电路。
通过对于PFC模块进行控制，从而提高电能利用率。
S2，根据隔离模块中的输入电流和输出电压控制所述隔离模块。
对所述隔离模块进行控制，隔离开关电源与非隔离开关电源。
可选地，在本实施例中，上述存储介质可以包括但不限于：U盘、只读存储器(Read-Only Memory，简称为ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，简称为RAM)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储计算机程序的介质。
本申请的实施例还提供了一种电子装置，包括存储器和处理器，该存储器中存储有计算机程序，该处理器被设置为运行计算机程序以执行上述任一项方法实施例中的步骤。
可选地，上述电子装置还可以包括传输设备以及输入输出设备，其中，该传输设备和上述处理器连接，该输入输出设备和上述处理器连接。
可选地，在本实施例中，上述处理器可以被设置为通过计算机程序执行以下步骤：
S1，根据PFC模块中的输入电压、输入电流和输出电压控制所述PFC模块中的电路。
通过对于PFC模块进行控制，从而提高电能利用率。
S2，根据隔离模块中的输入电流和输出电压控制所述隔离模块。
对所述隔离模块进行控制，隔离开关电源与非隔离开关电源。
可选地，本实施例中的具体示例可以参考上述实施例及可选实施方式中所描述的示例，本实施例在此不再赘述。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高性能AC-DC电源变换器，其特征在于，包括：
整流模块，用于对输入的AC电流进行整流；
滤波模块，用于对整流模块的处理结果进行滤波；
PFC模块，用于消除所述滤波模块中的谐波；
斩波模块，用于对所述PFC模块的处理结果进行斩波；
隔离模块，提供电流隔离或者磁隔离；
还包括：
第一控制子系统，用于根据所述PFC模块中的输入电压、输入电流和输出电压控制所述PFC模块中的电路；
第二控制子系统，用于根据所述隔离模块中的输入电流和输出电压控制所述隔离模块。
2.根据权利要求1所述的高性能AC-DC电源变换器，其特征在于，所述第一控制子系统，包括：电压采样单元、电压整流滤波单元以及谐波滤波单元。
3.根据权利要求1所述的高性能AC-DC电源变换器，其特征在于，所述第二控制子系统，包括：反激变换器控制单元、谐振LLC变换器控制单元。
4.根据权利要求1所述的高性能AC-DC电源变换器，其特征在于，所述PFC模块，包括：
无源PFC电路，所述无源PFC电路包括多个无源低通滤波器；
有源PFC电路，所述有源PFC电路包括升压变换器。
5.根据权利要求1所述的高性能AC-DC电源变换器，其特征在于，所述隔离模块，包括反激变换器单元或者谐振LLC变换器。
6.根据权利要求1所述的高性能AC-DC电源变换器，其特征在于，所述整流模块，包括：半桥整流单元或者全桥整流单元。
7.根据权利要求1所述的高性能AC-DC电源变换器，其特征在于，所述斩波模块，包括：将所述PFC模块的处理结果斩波转换成高频脉冲串信号。
8.一种高性能AC-DC电源变换器的控制方法，其特征在于，用于如权利要求1-7任一项所述的高性能AC-DC电源变换器，所述方法包括：
根据PFC模块中的输入电压、输入电流和输出电压控制所述PFC模块中的电路；
根据隔离模块中的输入电流和输出电压控制所述隔离模块。
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，其中，所述计算机程序被设置为运行时执行所述权利要求1至7任一项所述的方法。
10.一种电子装置，包括存储器和处理器，其特征在于，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器被设置为运行所述计算机程序以执行所述权利要求1至7任一项所述的方法。
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