CN117375408A - 一种单级非隔离式高效率驱动电源 - Google Patents

一种单级非隔离式高效率驱动电源 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种单级非隔离式高效率驱动电源，所述驱动电源包括依次连接的交流电源Vin、桥式整流电路、Boost电路和DC‑DC变换电路，所述Boost电路包括电感L1、储能电容C1、二极管D1、二极管D2和开关管Q1，所述DC‑DC变换电路包括开关管Q1、储能电感L2、隔直电容C2、续流二极管D3、续流二极管D4、输出滤波电感L3、输出滤波电容C3和负载RL，所述Boost电路中的电感L1在电流断续模式下工作，实现输入功率因数校正，通过上述交流电源Vin、桥式整流电路、Boost电路和DC‑DC变换电路的电路设计，在开关管导通或者关断期间均能向负载传输能量，持续为负载供电，大大提高了供电效率，通过采用电感代替变压器，减小了电路体积、降低了成本、提高了电路可靠性。

Description

一种单级非隔离式高效率驱动电源
技术领域
本发明涉及电力电子应用技术领域，尤其是涉及一种单级非隔离式高效率驱动电源。
背景技术
近年来，驱动电源的应用越来越广泛，在新能源、汽车、医疗、电子等领域得到广泛发展，驱动电源按其拓扑形式可分为单级式驱动电源、两级式驱动电源和多级式驱动电源，其中，两级式驱动电源和多级式驱动电源所需要的开关器件数目较多，各级间的控制电路较为复杂，而单级式驱动电源则是将PFC单元和DC-DC单元集成在一个变换器中，所采用的开关器件数目少，成本低，且控制电路简单，功率密度高，因此，基于单级式结构开发高效率、高集成度、高可靠性且性能优良的驱动电源是今后发展的趋势。
但是，现有的单级式驱动电源只有在开关管导通或者关断期间才能向负载传输能量，导致供电效率较低；另一方面，单级式驱动电源中的变压器具有体积大、成本高等问题，还会降低电路的可靠性。
发明内容
为了提高驱动电源的供电效率，同时减小电路体积、降低成本、提高电路可靠性，本申请提供一种单级非隔离式高效率驱动电源。
本申请提供一种单级非隔离式高效率驱动电源，采用如下的技术方案：
所述单级非隔离式高效率驱动电源，包括依次连接的交流电源Vin、桥式整流电路、Boost电路和DC-DC变换电路；
所述Boost电路包括电感L1、储能电容C1、二极管D1、二极管D2和开关管Q1；电感L1一端连接桥式整流电路的正极输出端，电感L1另一端分别连接二极管D1的阳极和二极管D2的阳极，储能电容C1的正极连接二极管D1的阴极，储能电容C1的负极分别连接桥式整流电路的负极输出端和开关管Q1的源极，二极管D2的阴极连接开关管Q1的漏极；
所述DC-DC变换电路包括开关管Q1、储能电感L2、隔直电容C2、续流二极管D3、续流二极管D4、输出滤波电感L3、输出滤波电容C3和负载RL；储能电感L2的一端分别连接二极管D1的阴极、储能电容C1的正极以及隔直电容C2的负极，储能电感L2的另一端分别连接二极管D2的阴极、开关管Q1的漏极、续流二极管D3的阳极以及续流二极管D4的阴极，隔直电容C2的正极分别连接续流二极管D3的阴极以及输出滤波电感L3的一端，输出滤波电感L3的另一端分别连接输出滤波电容C3的正极以及负载RL的一端，输出滤波电容C3的负极分别连接负载RL的另一端以及续流二极管D4的阳极。
通过采用上述技术方案，一方面，驱动电源在开关管通断期间均有能量向负载传递，可以持续为负载供电，大大提高了供电效率；同时，通过采用储能电感取代变压器，具有以下优点：使得整个电路更加小型化，便于集成在微型电路板上；电感的损耗相对而言更小，可进一步提高电源供电效率；电感无变压器铁芯，不会出现铁芯饱和和异常鸣响等问题，电路可靠性进一步提高；由于电感内部结构简单，调节范围更广，可以满足更多应用场景的需求；相对于传统变压器，电感的成本较低，可以降低整个电路的成本。另一方面，Boost电路和DC-DC变换电路共用一个开关管Q1，进一步降低了成本，提高了驱动电源的集成度，而且还可以减少电路中元件之间的电压和电流波动，减小损耗，提高供电效率，同时由于减少了电路中开关管的数量，还可以降低故障率，提高电路的可靠性，此外，由于只需要对单个开关管进行驱动，降低了多管驱动的程序复杂性，便于设计。
在一个具体的可实施方案中，所述桥式整流电路包括二极管DR1、二极管DR2、二极管DR3和二极管DR4；二极管DR1的阳极分别连接交流电源Vin正极以及二极管DR3的阴极，二极管DR1的阴极分别连接二极管DR2的阴极以及电感L1的一端，二极管DR2的阳极分别连接交流电源Vin负极以及二极管DR4的阴极，二极管DR3的阳极分别连接二极管DR4的阳极以及储能电容C1的负极。
在一个具体的可实施方案中，所述驱动电源在开关管Q1的一个开关周期内的工作过程依次包括五个工作模态，具体为：第一工作模态、第二工作模态、第三工作模态、第四工作模态和第五工作模态。
在一个具体的可实施方案中，所述第一工作模态包括：
第一工作模态[t0-t1]：t0时刻，电感L1、储能电感L2和输出滤波电感L3上的电流均为0，开关管Q1导通；所述交流电源Vin为电感L1充电，电感L1的电流iL1线性上升；所述储能电容C1将存储的一部分能量为储能电感L2充电，储能电感L2的电流iL2线性上升；所述储能电容C1将存储的另一部分能量与隔直电容C2中存储的能量一同为输出滤波电容C3充电以及为负载RL供电，输出滤波电感L3的电流iL3线性上升。
通过采用上述技术方案，当驱动电源处于第一工作模态时，开关管Q1处于导通状态，此时是由储能电容C1与隔直电容C2一同为负载RL供电。
在一个具体的可实施方案中，所述第二工作模态包括：
第二工作模态[t1-t2]：t1时刻，开关管Q1关断；所述交流电源Vin和电感L1一同为储能电容C1充电，电感L1的电流iL1线性下降；所述储能电感L2为隔直二极管C2充电，储能电感L2的电流iL2线性下降；所述输出滤波电感L3为输出滤波电容C3充电以及为负载RL供电，输出滤波电感L3的电流iL3线性下降。
通过采用上述技术方案，当驱动电源处于第二工作模态时，开关管Q1处于关断状态，此时是由输出滤波电感L3为负载RL供电。
在一个具体的可实施方案中，所述第三工作模态包括：
第三工作模态[t2-t3]：t2时刻，电感L1放电结束；所述储能电感L2为隔直二极管C2充电，储能电感L2的电流iL2线性下降；所述输出滤波电感L3为输出滤波电容C3充电以及为负载RL供电，输出滤波电感L3的电流iL3线性下降。
通过采用上述技术方案，当驱动电源处于第三工作模态时，开关管Q1处于关断状态，此时是由输出滤波电感L3为负载RL供电。
在一个具体的可实施方案中，所述第四工作模态包括：
第四工作模态[t3-t4]：t3时刻，输出滤波电感L3放电结束；所述储能电感L2为隔直二极管C2充电，储能电感L2的电流iL2线性下降；输出滤波电容C3为负载RL供电。
通过采用上述技术方案，当驱动电源处于第四工作模态时，开关管Q1处于关断状态，此时是由输出滤波电容C3为负载RL供电。
在一个具体的可实施方案中，所述第五工作模态包括：
第五工作模态[t4-t5]：t4时刻，储能电感L2放电结束；所述输出滤波电容C3为负载RL供电。
通过采用上述技术方案，当驱动电源处于第五工作模态时，开关管Q1处于关断状态，此时是由输出滤波电容C3为负载RL供电，驱动电源在五个模态下，无论开关管Q1在导通或者关断期间均能向负载传输能量，可以持续为负载供电，大大提高了供电效率。
在一个具体的可实施方案中，所述电感L1、储能电感L2和输出滤波电感L3均在电流断续模式下工作；所述电感L1在电流断续模式下工作，实现输入功率因数校正。
通过采用上述技术方案，减少了线路损耗，使开关电源最有效的传递能量给负载。
在一个具体的可实施方案中，所述储能电容C1的电压为直流电压叠加脉动纹波电压的工作形式，使用小容值的电容代替电解电容。
通过采用上述技术方案，使得驱动电源系统纹波和损耗都进一步降低，体积进一步减小，给负载提供纹波更小的电压。
综上所述，本申请的技术方案至少包括以下有益技术效果：
1、相比于传统的反激式驱动电源和正激式驱动电源而言，本发明的单级非隔离式高效率驱动电源，在开关管通断期间均有能量向负载传递，可以持续为负载供电，大大提高了供电效率；同时，本发明的单级非隔离式高效率驱动电源通过采用储能电感取代变压器，具有以下优点：使得整个电路更加小型化，便于集成在微型电路板上；电感的损耗相对而言更小，可进一步提高电源供电效率；电感无变压器铁芯，不会出现铁芯饱和和异常鸣响等问题，电路可靠性进一步提高；由于电感内部结构简单，调节范围更广，可以满足更多应用场景的需求；相对于传统变压器，电感的成本较低，可以降低整个电路的成本；
2、Boost电路和DC-DC变换电路共用一个开关管Q1，进一步降低了成本，提高了驱动电源的集成度，而且还可以减少电路中元件之间的电压和电流波动，减小损耗，提高供电效率，同时由于减少了电路中开关管的数量，还可以降低故障率，提高电路的可靠性，此外，由于只需要对单个开关管进行驱动，降低了多管驱动的程序复杂性，便于设计。
附图说明
图1是本申请实施例中一种单级非隔离式高效率驱动电源拓扑结构图；
图2为本申请实施例中一种单级非隔离式高效率驱动电源在开关管Q1的一个开关周期内电感L1、储能电感L2和输出滤波电感L3的电流波形；
图3为本申请实施例中一种单级非隔离式高效率驱动电源第一工作模态的等效电路；
图4为本申请实施例中一种单级非隔离式高效率驱动电源第二工作模态的等效电路；
图5为本申请实施例中一种单级非隔离式高效率驱动电源第三工作模态的等效电路；
图6为本申请实施例中一种单级非隔离式高效率驱动电源第四工作模态的等效电路；
图7为本申请实施例中一种单级非隔离式高效率驱动电源第五工作模态的等效电路。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请实施方式作进一步地详细说明。
参照图1，一种单级非隔离式高效率驱动电源，包括依次连接的交流电源Vin、桥式整流电路、Boost电路和DC-DC变换电路。
所述桥式整流电路包括二极管DR1、二极管DR2、二极管DR3和二极管DR4；二极管DR1的阳极分别连接交流电源Vin正极以及二极管DR3的阴极，二极管DR1的阴极分别连接二极管DR2的阴极以及电感L1的一端，二极管DR2的阳极分别连接交流电源Vin负极以及二极管DR4的阴极，二极管DR3的阳极分别连接二极管DR4的阳极以及储能电容C1的负极。
所述Boost电路包括电感L1、储能电容C1、二极管D1、二极管D2和开关管Q1；电感L1一端连接桥式整流电路的正极输出端，即电感L1一端分别连接二极管DR1的阴极以及二极管DR2的阴极，电感L1另一端分别连接二极管D1的阳极和二极管D2的阳极，储能电容C1的正极连接二极管D1的阴极，储能电容C1的负极分别连接桥式整流电路的负极输出端和开关管Q1的源极，即储能电容C1的负极分别连接二极管DR2的阳极、二极管DR4的阳极和开关管Q1的源极，二极管D2的阴极连接开关管Q1的漏极。
所述DC-DC变换电路包括开关管Q1、储能电感L2、隔直电容C2、续流二极管D3、续流二极管D4、输出滤波电感L3、输出滤波电容C3和负载RL；储能电感L2的一端分别连接二极管D1的阴极、储能电容C1的正极以及隔直电容C2的负极，储能电感L2的另一端分别连接二极管D2的阴极、开关管Q1的漏极、续流二极管D3的阳极以及续流二极管D4的阴极，隔直电容C2的正极分别连接续流二极管D3的阴极以及输出滤波电感L3的一端，输出滤波电感L3的另一端分别连接输出滤波电容C3的正极以及负载RL的一端，输出滤波电容C3的负极分别连接负载RL的另一端以及续流二极管D4的阳极。
因此，可以看出，相比于传统的反激式驱动电源和正激式驱动电源而言，本发明的单级非隔离式高效率驱动电源，在开关管通断期间均有能量向负载传递，可以持续为负载供电，大大提高了供电效率；同时，本发明的单级非隔离式高效率驱动电源通过采用储能电感取代变压器，具有以下优点：使得整个电路更加小型化，便于集成在微型电路板上；电感的损耗相对而言更小，可进一步提高电源供电效率；电感无变压器铁芯，不会出现铁芯饱和和异常鸣响等问题，电路可靠性进一步提高；由于电感内部结构简单，调节范围更广，可以满足更多应用场景的需求；相对于传统变压器，电感的成本较低，可以降低整个电路的成本。
另外，Boost电路和DC-DC变换电路共用一个开关管Q1，进一步降低了成本，提高了驱动电源的集成度，而且还可以减少电路中元件之间的电压和电流波动，减小损耗，提高供电效率，同时由于减少了电路中开关管的数量，还可以降低故障率，提高电路的可靠性，此外，由于只需要对单个开关管进行驱动，降低了多管驱动的程序复杂性，便于设计。
进一步的，电感L1、储能电感L2和输出滤波电感L3均在电流断续模式下工作；电感L1在电流断续模式下工作，实现了输入功率因数校正功能(PFC)，减少了线路损耗，使开关电源最有效的传递能量给负载。
进一步的，所述储能电容C1的电压设计为直流电压叠加脉动纹波电压的工作形式，可以使用小容值的电容代替电解电容，使得驱动电源系统纹波和损耗都进一步降低，体积进一步减小，并给负载提供纹波更小的电压。
参照图2和图3，单级非隔离式高效率驱动电源在开关管Q1的一个开关周期内的工作过程依次包括五个工作模态，具体为：第一工作模态、第二工作模态、第三工作模态、第四工作模态和第五工作模态。下面对不同工作模态和模态之间的切换进行具体说明，t0-t5为开关管Q1的一个开关周期，其中t0-t1阶段，开关管Q1处于导通状态，t1-t5阶段，开关管Q1处于关断状态。
第一工作模态[t0-t1]：如图3所示，在一个完整周期开始时的t0时刻，电感L1、储能电感L2和输出滤波电感L3上的电流均为0，在t0时刻开关管Q1导通，t0-t1阶段共有三个导通路径工作：交流电源Vin、桥式整流电路、电感L1、二极管D2和开关管Q1构成对电感L1的充电回路，交流电源Vin为电感L1充电，电感L1的电流iL1线性上升；同时，储能电容C1、储能电感L2和开关管Q1构成对储能电感L2的充电回路，储能电容C1将存储的一部分能量为储能电感L2充电，储能电感L2的电流iL2线性上升；同时，储能电容C1、隔直电容C2、输出滤波电感L3、负载RL、输出滤波电容C3、续流二极管D4和开关管Q1构成对输出滤波电容C3和负载RL的充电回路，储能电容C1中存储的另一部分能量与隔直电容C2中存储的能量一同为输出滤波电容C3充电以及为负载RL供电，输出滤波电感L3的电流iL3线性上升；在t1时刻，电感L1、储能电感L2和输出滤波电感L3上的电流均达到峰值。
第二工作模态[t1-t2]：如图4所示，在t1时刻开关管Q1关断，t1-t2阶段共有三个导通路径工作：交流电源Vin、桥式整流电路、电感L1、二极管D1和储能电容C1构成对储能电容C1的充电回路，交流电源Vin和电感L1一同为储能电容C1充电，电感L1的电流iL1线性下降；同时，储能电感L2、隔直二极管C2和续流二极管D3构成对隔直二极管C2的充电回路，储能电感L2为隔直二极管C2充电，储能电感L2的电流iL2线性下降；同时，续流二极管D3、输出滤波电感L3、输出滤波电容C3、续流二极管D4和负载RL构成对输出滤波电容C3和负载RL的充电回路，输出滤波电感L3为输出滤波电容C3充电以及负载RL供电，输出滤波电感L3的电流iL3线性下降。
第三工作模态[t2-t3]：如图5所示，在t2时刻，电感L1放电结束，电感L1上的电流降至0，而储能电感L2和输出滤波电感L3还未放电结束，t2-t3阶段共有两个导通路径工作：储能电感L2、隔直二极管C2和续流二极管D3构成对隔直二极管C2的充电回路，储能电感L2为隔直二极管C2充电，储能电感L2的电流iL2线性下降；同时，续流二极管D3、输出滤波电感L3、输出滤波电容C3、续流二极管D4和负载RL构成对输出滤波电容C3和负载RL的充电回路，输出滤波电感L3为输出滤波电容C3充电以及负载RL供电，输出滤波电感L3的电流iL3线性下降。
第四工作模态[t3-t4]：如图6所示，在t3时刻，输出滤波电感L3也放电结束，输出滤波电感L3上的电流降至0，而储能电感L2还未放电结束，t3-t4阶段共有两个导通路径：储能电感L2、隔直二极管C2和续流二极管D3构成对隔直二极管C2的充电回路，储能电感L2为隔直二极管C2充电，储能电感L2的电流iL2线性下降；同时，输出滤波电容C3给负载RL供电。
第五工作模态[t4-t5]：如图7所示，在t4时刻，储能电感L2也放电结束，储能电感L2的电流iL2降至0，此时电感L1、储能电感L2和输出滤波电感L3均放电结束，电感L1、储能电感L2和输出滤波电感L3上的电流均为0，t4-t5阶段只有一个导通路径：输出滤波电容C3继续向负载RL供电，直到t5时刻完成整个周期内充放电。
在t5时刻开关管Q1将再次导通，驱动电源再次按照上述第一工作模态到第五工作模态的步骤运行，驱动电源进入下一个周期的供电，具体运行过程在此不再赘述。
在本实施例中，开关管Q1为NMOS管，在t0时刻开关管Q1接收到高电平驱动信号导通，在t1时刻开关管Q1接收到低电平驱动信号关断。
因此，可以看出，当处于第一工作模态时，开关管Q1处于导通状态，此时是由储能电容C1与隔直电容C2一同为负载RL供电；当处于第二工作模态时，开关管Q1处于关断状态，此时是由输出滤波电感L3为负载RL供电；当处于第三工作模态时，开关管Q1处于关断状态，此时是由输出滤波电感L3为负载RL供电；当处于第四工作模态时，开关管Q1处于关断状态，此时是由输出滤波电容C3为负载RL供电；当处于第五工作模态时，开关管Q1处于关断状态，此时是由输出滤波电容C3为负载RL供电。相较于传统的驱动电源只有在开关管导通或者关断期间才能向负载传输能量，本发明的驱动电源在五个模态下，无论开关管Q1在导通或者关断期间均能向负载传输能量，可以持续为负载供电，大大提高了供电效率。
另外，也可以看出，储能电感L2在开关管Q1导通和关断期间均保证有电流流过，储能电感L2的利用率较高。
以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种单级非隔离式高效率驱动电源，其特征在于，包括依次连接的交流电源Vin、桥式整流电路、Boost电路和DC-DC变换电路；
所述Boost电路包括电感L1、储能电容C1、二极管D1、二极管D2和开关管Q1；电感L1一端连接桥式整流电路的正极输出端，电感L1另一端分别连接二极管D1的阳极和二极管D2的阳极，储能电容C1的正极连接二极管D1的阴极，储能电容C1的负极分别连接桥式整流电路的负极输出端和开关管Q1的源极，二极管D2的阴极连接开关管Q1的漏极；
所述DC-DC变换电路包括开关管Q1、储能电感L2、隔直电容C2、续流二极管D3、续流二极管D4、输出滤波电感L3、输出滤波电容C3和负载RL；储能电感L2的一端分别连接二极管D1的阴极、储能电容C1的正极以及隔直电容C2的负极，储能电感L2的另一端分别连接二极管D2的阴极、开关管Q1的漏极、续流二极管D3的阳极以及续流二极管D4的阴极，隔直电容C2的正极分别连接续流二极管D3的阴极以及输出滤波电感L3的一端，输出滤波电感L3的另一端分别连接输出滤波电容C3的正极以及负载RL的一端，输出滤波电容C3的负极分别连接负载RL的另一端以及续流二极管D4的阳极。
2.根据权利要求1所述的单级非隔离式高效率驱动电源，其特征在于：所述桥式整流电路包括二极管DR1、二极管DR2、二极管DR3和二极管DR4；二极管DR1的阳极分别连接交流电源Vin正极以及二极管DR3的阴极，二极管DR1的阴极分别连接二极管DR2的阴极以及电感L1的一端，二极管DR2的阳极分别连接交流电源Vin负极以及二极管DR4的阴极，二极管DR3的阳极分别连接二极管DR4的阳极以及储能电容C1的负极。
3.根据权利要求1所述的单级非隔离式高效率驱动电源，其特征在于，所述驱动电源在开关管Q1的一个开关周期内的工作过程依次包括五个工作模态，具体为：第一工作模态、第二工作模态、第三工作模态、第四工作模态和第五工作模态。
4.根据权利要求3所述的单级非隔离式高效率驱动电源，其特征在于，所述第一工作模态包括：
第一工作模态[t0-t1]：t0时刻，电感L1、储能电感L2和输出滤波电感L3上的电流均为0，开关管Q1导通；所述交流电源Vin为电感L1充电，电感L1的电流iL1线性上升；所述储能电容C1将存储的一部分能量为储能电感L2充电，储能电感L2的电流iL2线性上升；所述储能电容C1将存储的另一部分能量与隔直电容C2中存储的能量一同为输出滤波电容C3充电以及为负载RL供电，输出滤波电感L3的电流iL3线性上升。
5.根据权利要求3所述的单级非隔离式高效率驱动电源，其特征在于，所述第二工作模态包括：
第二工作模态[t1-t2]：t1时刻，开关管Q1关断；所述交流电源Vin和电感L1一同为储能电容C1充电，电感L1的电流iL1线性下降；所述储能电感L2为隔直二极管C2充电，储能电感L2的电流iL2线性下降；所述输出滤波电感L3为输出滤波电容C3充电以及为负载RL供电，输出滤波电感L3的电流iL3线性下降。
6.根据权利要求3所述的单级非隔离式高效率驱动电源，其特征在于，所述第三工作模态包括：
第三工作模态[t2-t3]：t2时刻，电感L1放电结束；所述储能电感L2为隔直二极管C2充电，储能电感L2的电流iL2线性下降；所述输出滤波电感L3为输出滤波电容C3充电以及为负载RL供电，输出滤波电感L3的电流iL3线性下降。
7.根据权利要求3所述的单级非隔离式高效率驱动电源，其特征在于：所述第四工作模态包括：
第四工作模态[t3-t4]：t3时刻，输出滤波电感L3放电结束；所述储能电感L2为隔直二极管C2充电，储能电感L2的电流iL2线性下降；输出滤波电容C3为负载RL供电。
8.根据权利要求3所述的单级非隔离式高效率驱动电源，其特征在于：所述第五工作模态包括：
第五工作模态[t4-t5]：t4时刻，储能电感L2放电结束；所述输出滤波电容C3为负载RL供电。
9.根据权利要求2所述的单级非隔离式高效率驱动电源，其特征在于：所述电感L1、储能电感L2和输出滤波电感L3均在电流断续模式下工作；所述电感L1在电流断续模式下工作，实现输入功率因数校正。
10.根据权利要求2所述的单级非隔离式高效率驱动电源，其特征在于：所述储能电容C1的电压为直流电压叠加脉动纹波电压的工作形式，使用小容值的电容代替电解电容。
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