CN1243405C - 分布式电源系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种分布式电源系统，是在一功率因子校正变换器及一前端直流变换器之间连接一后备升压变换器，并与一二极管相并联，由于该后备升压变换器仅在保持时间段工作，在这段时间中，若功率因子校正变换器的输出电压逐渐下降，该后备升压变换器即会将此电压提升并稳定在设定输出电压值，进而供给前端直流变换器转换成直流电压，借此，以便能充分利用该功率因子校正变换器的储能电容的容量，而实现长的保持时间，并且减小前端直流变换器的输入电压变化范围，从而提高其效率和功率密度等诸多特点。

Description

分布式电源系统
技术领域
本发明涉及一种分布式电源系统，尤指一种用于有保持时间要求的分布式电源系统。或用于正常输入直流范围较窄，而又要求其输出电压可在输入电压偶尔短时间跌落期间保持不变的电源变换器上。
背景技术
请参阅图1，是一般分布式电源系统的架构图，其是由功率因子校正(Power Factor Correction，简称PFC)变换器1a、前端(Front End，FE)直流变换器2a及负载端变换器3a连接组成，其中功率因子校正变换器1a是将交流输入电压转换成高压直流电压(一般是400V)，并实现输入端功率因子校正；前端直流变换器2a是将前述的高压直流电压转换成直流电压(一般为48或12V)，并将该直流电压送至负载端变换器3a，以转换成对应负载所需要的电压；
前述的前端直流变换器2a于设计上，是在正常情况下，工作在较小的占空比，留有足够的余量，而使其在保持时间内，如20毫秒，当该功率因子校正变换器1a的储能电容放电，其输出电压由正常值400V下降至300V期间，由于该前端直流变换器2a工作仍在调节范围之内，故能保持输出电压不变。
但是，该电源系统在正常工作状态下，其前端直流变换器2a的占空比较小，相对地效率、功率密度均较低；功率因子校正变换器1a的储能电容能量利用率低。
另有同上述的系统架构图，其中前端直流变换器2a是采用不对称半桥(Asymmetric Half Bridge，AHB)电路拓扑，其变压器采用不对称绕组，如图2，在正常工作状态下，可提高该前端直流变换器2a的占空比，且在功率因子校正变换器1a输出的电压由正常值400V下降至300V期间，前端直流变换器2a输出电压不变；对于AHB变换器，理论上其占空比的变化范围在0-0.5，占空比愈小则变换器上、下半部对称工作状况愈“不对称”，组件应力越不平衡、效率越低，因此，在理想的工作状态下，该占空比应尽量接近0.5。
该AHB变换器在输出电压稳定不变的情况，其输入电压越高，则占空比越小，因此，若不加任何处理，为了实现保持时间，在该功率因子校正变换器1a的储能电容放电、输出电压由正常值400V下降至300V期间，它必须工作在调节范围内，始能保持输出电压不变。亦即，该AHB变换器在输入电压300V时占空比最大，如此亦造成其在正常工作时(输入电压400V)占空比很小，该AHB变换器工作效率差。
该电源系统的AHB变换器的输出纹波增大、副边互补支路功率分布更加不均衡；功率因子校正变换器1a的储能电容能量利用率低。
另有一如同上述的系统架构图，其中前端直流变换器2a采用AHB变换器，其变压器采用可变匝比(Range Winding)，如图3，即在输入电压由正常值400V下降至300V期间用开关改变变压器变匝比，以提高在正常工作状态下前端直流变换器2a的占空比；
但是，该电源系统在保持时间段，该AHB变换器的工作状态时有突变，输出电压易有波动；功率因子校正变换器1a的储能电容能量利用率低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种分布式电源系统，能够充分利用功率因子校正变换器的储能电容的容量，而实现长的保持时间，并且减小前端直流变换器的输入电压变化范围，从而提高其效率和功率密度。
本发明的另一目的在于提供一种分布式电源系统，其中的后备升压变换器仅在保持时间段工作，工作时间相当短，因此可设计在高频率高功率密度，体积很小，同时交流输入电压在正常时不工作(前端直流变换器的能量由二极管非由后备升压变换器传递时)，因而不消耗功率，可提高效率和功率密度。
为达成本发明的目的，本发明公开一种分布式电源系统，在功率因子校正变换器与前端直流变换器之间连接一后备升压(Boots)变换器，并与一二极管并联，该后备升压变换器是由一升压变换器电路、一控制器及一滞环比较器连接组成，由于该后备升压变换器仅在保持时间段工作，在这段时间，功率因子校正变换器的输出电压若逐渐下降，该后备升压变换器即会将此电压提升并稳定在设定输出电压值，供给前端直流变换器转换成直流电压，以此实现该前端直流变换器的输入电压变化范围很小，而该功率因子校正变换器的储能电容能量则能充分利用。
具体地讲，本发明公开一种分布式电源系统，是在一功率因子校正变换器与一前端直流变换器之间连接一后备升压变换器，并与一二极管相并联，该后备升压变换器包括：
一升压变换器电路，其具有一输入端、一输出端及一控制端，输入端连接于功率因子校正变换器的输出端，输出端连接于前端直流变换器的输入端；
一滞环比较器，连接于功率因子校正变换器的输出端，其在功率因子校正变换器的起动过程中，当该功率因子校正变换器的输出电压，尚未升至介于后备升压变换器设定输出电压和功率因子校正变换器正常输出电压之间的任意值时，禁止后备升压变换器工作；该功率因子校正变换器的输出电压降低至使该后备升压变换器不工作的电压值，禁止后备升压变换器工作；以及
一控制器，连接于滞环比较器的输出端与升压变换器电路的控制端，用以控制升压变换器电路的占空比。
所述的升压变换器电路是由金氧半导体、电感、二极管与电容连接组成，该金氧半导体的源极端接地；漏极端与电感一端、二极管一端相接，电感另一端与功率因子校正变换器的输出端连接，二极管另一端与电容一端、前端直流变换器的输入端连接，电容另一端接地；栅极端与控制器的输出端相连接。
所述的滞环比较器是由一比较电路及一参考电压组成。
附图说明
图1是传统分布式电源系统的架构图；
图2是于图1的前端直流变换器采用不对称半桥电路的电路图；
图3是于图1的前端直流变换器采用不对称半桥变换器的电路图；
图4是本发明的架构图；
图5是本发明滞环比较器的输出入电压的关系图；
图6是本发明的实施例图；
图7是本发明实施例于各点测量的波形图。
具体实施方式
为了更进一步了解本发明的特征及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，然而附图仅供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制。
请参阅图4，本发明是一能够充分利用功率因子校正变换器的储能电容的容量，而实现长的保持时间，并且减小前端直流变换器的输入电压变化范围，从而提高其效率和功率密度的分布式电源系统，该分布式电源系统是在功率因子校正变换器1及前端直流变换器2之间连接一后备升压变换器4，并与一二极管5相并联，该前端直流变换器2可为AHB或其它电路；后备升压变换器4设定输出电压V2set略低于功率因子校正变换器1的正常输出电压V1set。
该后备升压变换器4包括一升压变换器电路41、一滞环比较器42及一控制器43，其中：
升压变换器电路41是由开关组件Q2、电感L2、二极管D1及电容C2连接组成，该开关组件在本发明实施例中是一金氧半导体(场效应管)，其源极端接地，漏极端与电感L2一端、二极管D1一端相接，电感L2另一端与功率因子校正变换器1的输出端连接，二极管D1另一端与电容C2一端、前端直流变换器2的输入端连接，电容C2另一端接地。
滞环比较器42连接于功率因子校正变换器1的输出端，是由比较器、电阻连接及参考电压Vref组成，请参阅图6，其作用有二，参阅图5，在功率因子校正变换器1的起动过程中，当该功率因子校正变换器1的输出电压V1尚未升至Vhigh时(Vhigh设定为介于V2set和V1set之间的任意值)，禁止该后备升压变换器4工作；在该功率因子校正变换器1的输出电压V1降低至Vlow之后，禁止该后备升压变换器4工作，以避免后备升压变换器4的组件工作电流过大。
控制器43连接于滞环比较器42的输出端与开关组件Q2的栅极端，该控制器43用以控制开关Q2组件的占空比，当V1≤V2set时，该后备升压变换器4的输出稳定在V2set值，而当V1＞V2set时，该后备升压变换器4不工作，二极管5导通、传递功率。
当交流电压正常输入时，即功率因子校正变换器1的输出正常，该后备升压变换器4的占空比自然为零、不工作，二极管5导通，此时，该前端直流变换器2的输入电压为V1set。
当交流电压断电或大幅跌落时，功率因子校正变换器1的储能电容放电、输出电压下降，当降低至V2set时，该后备升压变换器4的占空比自然由零开始上升，将其输也电压稳定在V2set，二极管5关断，前端直流变换器2的输出电压保持不变。
当功率因子校正变换器1的输出电压继续降低至一定值Vlow(如为V1set的一半)时，该后备升压变换器4的开关组件Q2被滞环比较器42关断，前端直流变换器2的输入和输出电压迅速下降至零。
若交流电压断电时间不大设计的保持时间，则会随着交流电压的恢复，功率因子校正变换器1的输出电压回升，后备升压变换器4的占空比随之减小，当功率因子校正变换器1的输出电压高于V2set，后备升压变换器4的占空比自然减至零、二极管5导通，恢复正常工作状态，而此过程中该前端直流变换器2的输出电压稳定不变。
再参阅图6，是本发明的实施例图，其中功率因子校正变换器1中的储能电容为440微法拉、正常输出电压V1set为400V；前端直流变换器2采用AHB变换器、后备升压变换器4的开关频率为300KHz、电感L2磁芯为RM6、电容C2为10微法拉；控制器为UCC3813，测量的波形如图7，由该波形图可知，其保持时间为28.8毫秒，在保持时间内，功率因子校正变换器1的输出电压V1由400V降至220V(Vlow)、而AHB变换器2的输入电压V2变化值仅由400V降低至370V(V2set)。
据此，通过本发明实现保持时间的设计，能达到下述功效：
1.能够充分利用功率因子校正变换器的储能电容的能量，实现长的保持时间或减小该储能电容的容量。
2.提高变换器在正常工作状态下的效率，从而提高功率密度。
3.对前端直流变换器的性能没有不利影响。
4.通用于各种电路拓扑形式的前端直流变换器。
综上所述，通过本发明的电路设计，具有如下述诸多特点：
A.能够充分利用功率因子校正变换器的储能电容的能量，实现长的保持时间或减小该储能电容的容量。
B.使前端直流变换器工作在较大占空比，能够降低副边整流器的电压定额，提高效率和功率密度。
C.后备升压变换器工作时间短，因此可设计在高频率和高功率密度，体积很小，并且该变换器自然地投入和退出工作，在此过程中，没有任何的电压或电流过冲。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施例，本发明的特征并不局限于此，任何本发明领域内普通技术人员所做的显而易见的变化或修饰，皆涵盖在专利保护范围内。

Claims (4)

1.一种分布式电源系统，其特征在于，它包括：
一功率因子校正变换器，是将交流输入电压转换成高压直流电压；
一前端直流变换器，是将高压直流电压转换成直流电压，并将该直流电压送至负载端变换器，以转换成对应负载所需要的电压；以及
一后备升压变换器，连接于功率因子校正变换器的输出端与前端直流变换器的输入端之间，并与一二极管相并联，该后备升压变换器仅在保持时间段工作，在这段时间中，若该功率因子校正变换器的输出电压逐渐下降，该后备升压变换器会将此电压提升并稳定在一设定输出电压值，供给前端直流变换器，该后备升压变换器包括：
一升压变换器电路，其具有一输入端、一输出端及一控制端，输入端连接于功率因子校正变换器的输出端，输出端连接于前端直流变换器的输入端；
一滞环比较器，连接于功率因子校正变换器的输出端，其在功率因子校正变换器的起动过程中，当该功率因子校正变换器的输出电压，尚未升至介于后备升压变换器设定输出电压和功率因子校正变换器正常输出电压之间的任意值时，禁止后备升压变换器工作；该功率因子校正变换器的输出电压降低至使该后备升压变换器不工作的电压值，禁止后备升压变换器工作；以及
一控制器，连接于滞环比较器的输出端与升压变换器电路的控制端，用以控制升压变换器电路的占空比。
2.如权利要求1所述的分布式电源系统，其特征在于所述的前端直流变换器可为不对称半桥或其等效电路。
3.如权利要求1所述的分布式电源系统，其特征在于所述的升压变换器电路是由金氧半导体、电感、二极管与电容连接组成，该金氧半导体的源极端接地；漏极端与电感一端、二极管一端相接，电感另一端与功率因子校正变换器的输出端连接，二极管另一端与电容一端、前端直流变换器的输入端连接，电容另一端接地；栅极端与控制器的输出端相连接。
4.如权利要求1所述的分布式电源系统，其特征在于所述的滞环比较器是由一比较电路及一参考电压组成。
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