CN204304773U

CN204304773U - 一种切峰填谷滤波电路

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Publication number: CN204304773U
Application number: CN201420651578.9U
Authority: CN
Inventors: 韩腊生
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-11-03
Filing date: 2014-11-03
Publication date: 2015-04-29
Anticipated expiration: 2024-11-03

Abstract

一种切峰填谷滤波电路，由两个相对独立可控的电路回路组成，切峰电路回路和填谷电路回路，切峰填谷滤波是交流电源隔离变换，次级直流输出的交流纹波滤波实现切峰和填谷交流纹波滤波，切峰填谷的工作是将传输到次级的交流峰值部分的能量保存起来，再填入到交流低谷中，从而简化滤波电路、降低成本提高滤波质量。

Description

一种切峰填谷滤波电路

技术领域

本实用新型是一种切峰填谷滤波电路涉及交流电源高频变换直流电源输出滤波。

背景技术

随着电源变换技术的进步，直接(交流-直流)AC-DC高频变换电源技术已经出现(即交流输入不用桥式整流和功率因数校正PFC的AC-DC变换)，然而这变换方法在保证高功率因数运行的前提下，直流输出的交流(工频)纹波含量会相应增大，因此直流输出的滤波相对复杂，需要研究设计简单的更低成本的交流纹波滤波电路。

实用新型内容

见图1，这是一个带有切峰填谷滤波的直接(Uin)交流电源变换到直流电源电路，这种电路是现代软件编程数字化控制的，并有输入交流电源相位同步信号检测电路实现相位点等控制(将输入交流电压转换成正负方波数字信号直接连接到数字处理芯片电路，计算相位宽度时间，从宽度时间中计算精确的切峰填谷相位控制点)；

所述的相位同步信号检测电路见图5，Uin是交流电源输入，L、N是交流电源输入接点连接到波形变换电路，波形变换电路中其中有电压安全隔离和波形变换电路，波形变换电路有两个方波数字信号输出端YL和YN，(其中的安全隔离可以是变压器；波形变换电路正弦交流输入变换成方波输出)，输出端YL和YN是同步于输入交流电源正负半周宽度时间的正负方波数字信号输出(输出方波的宽度等于或接近输入交流半周宽度，延时很小)随交流输入的正负周期交替变化YL与YN同步变化输出；YL方波输出直接同步于输入L半周变化；YN方波输出直接同步于输入N半周变化(如在输入L半周YL低电平，YN高电平；在输入N半周YL高电平，YN低电平，)，输出YL和YN端可直接连接到处理芯片电路，如FPGA、CPLD芯片电路。

由于直接AC-DC高频变换，这种变换方法在高功率因数指标运行下的次级直流输出纹波含量相对大，需要增加设计交流纹波滤波，尽管有很多方法可以解决直流输出的交流纹波滤波，但简便的更低成本的纹波滤波电路，莫过于切峰填谷滤波技术。

图1的初级交流输入(Uin)高频开关工作变换的电压波形见Lspwm和Nspwm；Us是次级感应输出SPWM接近于等幅的电压波形；

电源变换电路(图1)中设计了切峰填谷滤波电路(下面主要结合图1电路来介绍)，切峰填谷滤波电路在次级的桥式之后(二极管D1-D4组成的)最佳应用可将本来的一个次级输出储能电感一分为二(储能电感L2和L3)由两个小体积电感代替(当然也可以不用L2或者L3的滤波设计，只用一个电感)，切峰工作电路由电感L2、电容C2、开关管Q1组成；填谷工作电路由电感L3、电容C2、开关管Q1组成，其中Q1开关管在一般情况下只需要现在的低成本的低压电流型MOSFET开关管就能实现(这与输出直流电压的高低还有关系；开关管Q1有G、D、S三个电极)；切峰填谷滤波电路依然适用输入交流(工频)隔离变换(交流-直流)AC-DC变换。

切峰填谷滤波技术的工作原理是：直接交流(工频)通过高频开关电路高频变换(Lspwm和Nspwm)高频SPWM电能量通过T1初级传输到次级的交流峰值部分的能量被存储起来，存储的能量在交流低谷到来时再释放到输出负载；

见图2，图中Us是传输到次级(近视等幅SPWM)的波形示意图；Us’波形是次级Us滤波后等效对应的初级输入交流的(电容C2上的)波形示意图；Vos 是切峰填谷说明图，其中a是切峰启动相位点，b可以是填谷相位启动点。

从图Vos中可以看到交流低谷Valley(黑色)的能量来自于交流峰值Peak的能量填入的，得到VO直流输出；

切峰：切峰工作，前面已经介绍了Us’是等效的对应的输入交流电源波形，在输入交流电源的a点相位上开关管Q1关断，成为一个只充电而不放电的单向充电储能电路，次级Us高频脉冲电能对C2直接充电储能或经储能电感L2对C2电容充电(谐振方式)将Peak部分能量存储到C2中；

一般C2电容上充电储能的最高电压V_C2≥Us(具体C2充电电压的高低还与L2电感量和C2容量有关，C2上的最低充电压要V_C2＞VO才有意义)，C2电容量的取值可(求得Peak部分所需切峰电荷能量Q)通过公式C＝Q/Us得到(V_C2≥Us，C2储能量是充电加L2储能放电之和；还要说明的是Q1关断后，并非a/b二点之间的(Peak)能全部被C2吸收，而是极大部分能量被C2吸收)。

填谷：填谷工作，在输入交流相位电压变化降低到(低谷)每相位点上(如b相位点)Q1开通，电容C2中的存储能量经储能电感L3对负载(Load)放电(谐振方式)，将存储在C2中的能量释放到低谷(Valley)；电容C2中的存储能量也可直接对负载(Load)放电(不用L3)；

开关管Q1是在特定状态下开关通断或者是在初级高频开关周期过程中没有能量传输到次级时刻段开关通断实现填谷工作。

(所述的谐振方式，是指线性变化或正弦规律变化。)

本实用新型的技术方案：

本实用新型技术方案是针对AC-DC隔离变换的次级输出交流纹波滤波而设计的一种切峰填谷电路，现有技术的次级波滤中的滤波电容的充电和放电电流是不可控制的，对于交流纹波滤波需要很大的电容容量或者是复杂的电路，由于滤波电容充放电流不能控制，电容的端电压总是随交流电压电流的波动而波动，本申请提出了次级滤波电容的充电和放电电流是可开关控制的滤波方法和电路改进，使滤波成本降低，产品体积减小，提高滤波质量(见图1电路的T1变压器次级切峰填谷滤波电路)，并且变压器正激方式工作次级整流后的电流不能直接对电容充电(相当于短路)，因此在次级输出对滤波电容(C2)的充电和放电回路由二个电感(L2，L3)串联在次级输出主回路中，使切峰填谷滤波电容(C2、Q1)开关电路置于二个串联电感之间，组成了完整高效的滤波电容(C2)的切峰充电储能回路和放电回路；

切峰和填谷滤波电路的工作原理是：基于交流电源相位信号控制，在交流峰值部分的能量到来时，开关管Q1是关断的，峰值能量对电容充电电流经Q1上的反并二极管形成回路(将峰值部分的一部分能量保存起来储能)，进入交流低谷时，开关管Q1打开放电(开关通断)，再将保存在电容C2中的峰值能量填入到低谷整平，使平稳的直流电压输出。

切峰填谷滤波电路，其特征，由电感L2、L3、电容C2、开关管Q1组成，电感L2的一端是切峰填谷滤波电路的电流电压输入端，电感L2的另一端连接到电感L3的一端和电容C2的一端，电容C2的另一端连接到开关管Q1的S极(源极)，开关管Q1的D极(漏极)是切峰填谷滤波电路的公共端(连接到次级电路的公共负极)，电感L3的另一端是切峰填谷滤波电路的电流电压输出端；

其中：切峰填谷滤波电路，其中的切峰和填谷工作是二个相对独立的工作回路(电容C2的充电和放电)；切峰电路是由电感L2、电容C2、开关管Q1组成；填谷电路是由开关管Q1、电容C2、电感L3组成；开关管Q1上有反并联的二极管电流旁路，二极管的正极连接S极，二极管的负极连接D极；切峰和填谷工作是基于输入交流电源相位同步信号而工作的。(见电路图1次级切峰填谷滤波电路)

相位同步信号的电路，其特征是，输入连接L和N连接到输入交流电源经波形变换电路，变换成对应于交流电源正负半周期宽度的二个方波输出信号YL和YN连接切峰填谷滤波电路的数字处理控制电路；切峰填谷滤波电路的工作控制是基于方波输出信号YL和YN而控制工作。(见电路图5)。

本切峰填谷滤波电路结构从原理上是完全可以双向工作的(电感串联是可以双向的输入或输出)，电感L2的一端可以是电流电压的输入端或输出端；电感L3的另一端可以是电流电压的输出端或输入端。

切峰填谷滤波电路，其特征可由电感L2、L3、电容C2、开关管Q1组成，电感L2的一端是切峰填谷滤波电路的电流电压输入端或输出端，电感L2的另一端连接到电感L3的一端和电容C2的一端，电容C2的另一端连接到开关管Q1的S极(源极)，开关管Q1的D极(漏极)是切峰填谷滤波电路的公共端，电感L3的另一端是切峰填谷滤波电路的电流电压输出端或输入端。(见电路图1次级切峰填谷滤波电路)

切峰填谷滤波电路，其特征由电感L2、L3、电容C2、开关管Q1组成，电感L2的一端连接到T1变压器的次级整流输出或D3和D4二极管负极输出端，电感L2的另一端连接到电感L3的一端和电容C2的一端，电容C2的另一端连接到开关管Q1的S极(源极)，开关管Q1的D极(漏极)连接到次级输出公共负极端，电感L3的另一端连接到电源输出滤波电容和直流输出端。(见电路图1 次级切峰填谷滤波电路)

所述的切峰，它的切峰工作是在对应的输入交流电源周期峰值部分的a相位点上使开关管Q1关断，Q1有反并联二极管，成为一个对C2电容只充电而不放电的单向充电储能电路，将传输到次级峰值Peak部分的电能对C2直接充电储能切峰或经储能电感L2对C2电容充电储能切峰；

所述的填谷，它的填谷工作是在输入交流相位电压降低，在合适的相位点上b点，开关管Q1开通或通断，使电容C2中存储电能量对负载(Load)直接放电或经储能电感L3对负载(Load)放电，将存储在C2中的能量释放到低谷(Valley)中。

所述的切峰电路其特征是由电感L2、电容C2、开关管Q1组成，电感L2的一端连接到次级整流输出或次级输出其它端，L2的另一端连接到电容C2的一端(正极)和电感L3的一端，电容C2的另一端(负极)连接到开关管Q1的电极(S极)，开关管Q1的另一电极(D极)连接到次级直流输出的(-)负极，其中开关管Q1还反并联了二极管，组成可控的切峰储能电路。

所述的填谷电路其特征是由电感L3、电容C2、开关管Q1组成，电感L3的一端连接到L2的另一端和电容C2的一端(正极)，电容C2的另一端(负极)连接到开关管Q1的电极(S极)，开关管Q1的另一电极(D极)连接到次级直流输出的(-)负极，电感L3的另一端直流输出(+)正极，其中开关管Q1还反并联了二极管，组成可控的填谷电路。

所述的切峰填谷电路其特征是由电感L2、L3、电容C2、开关管Q1组成，电感L2的一端连接到次级整流输出或次级输出其它端，电感L2的另一端连接到电感L3的一端和电容C2的一端(正极)，电容C2的另一端(负极)连接到开关管Q1的电极(S极)，开关管Q1的另一电极(D极)连接到直流输出的(-) 负极，电感L3的另一端连接到直流输出的(+)正极，其中开关管Q1还反并联了二极管，组成Q1关断为切峰和Q1开通为填谷相对独立的切峰填谷电路。

所述的相位同步信号其特征是由相位同步信号检测电路组成实现的，Uin是交流电源输入，L、N是交流电源输入接点连接到波形变换电路，波形变换电路中其中有电压安全隔离和波形变换电路，波形变换电路有两个方波信号输出端YL和YN，输出端YL和YN输出方波宽度是同步于输入交流电源正负半周宽度时间，随交流输入的正负周期交替变化YL与YN同步变化输出，YL方波输出直接同步于输入L半周输出极性相反或同相变化；YN方波输出直接同步于输入N半周输出极性相反或同相变化。见到图5电路。

本实用新型具有如下的优点及效果

1).切峰填谷滤波技术能更方便的实现直流输出滤波，从而减少产品滤波成本和减小产品体积。

2).该技术方法通过软件能方便而精确的调整切峰(填谷)所需的能量大小，使直流输出交流纹波含量减小达到所需的技术标准。

附图说明

图1是本实用新型切峰填谷原理电路图之一。

图2是本实用新型切峰填谷原理说明图之一。

图3是本实用新型切峰填谷原理说明图之二。

图4是本实用新型切峰填谷描述模型图。

图5是本实用新型相位同步信号检测原理电路图。

图6是本实用新型输入交流与输出基础滤波的对应图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步的说明

图2中的Us’图就是开关管Q1开通状态下的滤波C2上的基础波形，是由总电容量Cs(Cs＝C2+C3+C4)得到的，Va是直流成分，Vp是交流成分，Vp的大小是由Cs总电容量决定的，Cs电容量增大Vp成份减小，Cs电容量减小Vp成份增大，因此切峰填谷滤波工作之前的交流Vp纹波电压大小，是首先要根据实际情况考虑确定的，确定了Vp交流纹波电压的大小后切峰填谷滤波的工作也就明确了。

图2中的Vos图有Vo值，从图中可以看到交流纹波低谷(Valley)的能量来自于交流峰值(Peak)切峰存储在C2中的能量填入，而得到的VO直流输出电压(Peak这部分切除存储到C2电容中)。

从上面的介绍说明了切峰填谷滤波是基于基础滤波后的交流纹波Vp进行的，这就涉及到交流纹波Vp所对应的基础滤波电容量(Cs)的确定：

见图3，图中是将次级近等幅的SPWM输出感应电压(Us)波形等效为正弦电压波形Us’，从图中可以看到交流半波两黑色填充部分的面积相等Iav就是正弦交流电的平均值，Im是峰值电流，因此次级输出Us平均值(Iyv)的求解，可通过现有常用的求解正弦交流电平均值的方法来推算出次级输出基础滤波(Us’)所需的电容容量Cs(总电容量Cs＝C2+C3+C4)；Cs电容量还可以通过实际测量得到，最基本的要求只要将高频开关电流成分滤除后，得到的电容量。

1.基础滤波Cs计算：

电源半个周期的峰值电流与平均电流的比值是1∶0.6369对应的正弦角度arcsin(0.637)＝39.57°(≈40°)

\begin{matrix} Iav = \frac{1}{T} {&Integral;}_{0}^{T} | Im \cos ωt | dt \\ = 2 Im / π = 0.6369 Im \end{matrix}

Iyv的平均电流通过Iav来折算得到：≈0.149Im

当次级输出电流Is开始小于Iav时，此时的Iav电流等于次级输出电流与Cs滤波电容电流之和，随着次级电流Is的下降，总的直流输出平均电流电压是下降的，交流Vp纹波加重

Is＜Iav；Iav＝Is↓+I_Cs↑＝0.6369Im↓

---交流Vp纹波含量与总电容量Cs成反比关系

基础滤波电容在半个正弦交流周期内(如：50Hz，10ms)向负载提供的平均电流所对应的电荷量：

50Hz交流电源的半周等于10ms＝10×10^-3(S)

Iyv部分的电荷量Q：

Q＝I×t＝0.149Im×10×10^-3＝1.49×10^-3Im (F01)

交流纹波Vp是一个事先明确的设计值，由上面的推算可得到(没有切峰填谷滤波)总电容量Cs与交流纹波电压Vp的关系式，来计算Cs电容量：

Cs = \frac{Q}{Vp} = \frac{1.49 \times 10^{- 3} Im}{Vp} - - - (F 02)

(可以调整Iyv的平均电流(0.149Im)值，使C2上的交流纹波波形上没有高频成分是最基本的Cs电容量)

2.切峰填谷C2电容量：

见图4中的a相位点是开关管Q1关断相位点，即切峰能量存储锁定点，b相位点可以是Q1开通启动相位点，即能量释放填谷起始点，同时Q1通断准确的定位点还与二个电感L2和L3的比值有关，切峰填谷滤波工作相位点(a和b)精确的定位确定，有编程软件来调整得到使直流输出交流纹波精确到毫伏(Vm)级。

图4是切峰填谷滤波的描述模型图，通过切峰填谷工作相位点，可求得切峰(填谷)(tab范围)电荷量Q；

VO：直流输出电压；Vp：纹波电压成分；

Vpe：切峰最大幅值(Vpe值还可软件调整精确到所需值；

Vm：含纹波最大峰值(总电容量Cs滤波获得)；Tab：宽度时间。

由输出功率和以上基本参数得到切峰(填谷)(tab范围)部分的电荷量Q，C2电容量的取值可通过公式C＝Q/V求得，切峰存储能量部分C2上的电压V_SC2＝Us-Vo即C2＝Q/(V_SC3+Vo)这是C2最小的容量和它的额定工作电压；

见图6，VO(V_P-P)波形是Cs没有切峰填谷滤波(Q1开通状态)的实际直流输出示意波形，对应输入交流相位电压点(a点)切峰；从软件中还可以改变切峰起动点(a点关断Q1)可调整所切峰值能量，通过从公式(F01-F02)可求得基础滤波的总电容量Cs对应交流纹波VO(V_P-P)值。

Claims

1.一种切峰填谷滤波电路，其特征由电感L2、L3、电容C2、开关管Q1组成，电感L2的一端是切峰填谷滤波电路的电流电压输入端，电感L2的另一端连接到电感L3的一端和电容C2的一端，电容C2的另一端连接到开关管Q1的S极/源极，开关管Q1的D极/漏极是切峰填谷滤波电路的公共端，电感L3的另一端是切峰填谷滤波电路的电流电压输出端；其中：切峰填谷滤波电路其中的，切峰和填谷工作是二个相对独立的工作回路；切峰电路是由电感L2、电容C2、开关管Q1组成；填谷电路是由开关管Q1、电容C2、电感L3组成；开关管Q1上有反并联的二极管电流旁路，二极管的正极连接S极，二极管的负极连接D极；切峰和填谷工作是基于输入交流电源相位同步信号而工作的。

2.根据权利要求1所述的切峰填谷滤波电路，其特征由电感L2、L3、电容C2、开关管Q1组成，电感L2的一端是切峰填谷滤波电路的电流电压输入端，电感L2的另一端连接到电感L3的一端和电容C2的一端，电容C2的另一端连接到开关管Q1的S极/源极，开关管Q1的D极/漏极是切峰填谷滤波电路的公共端，电感L3的另一端是切峰填谷滤波电路的电流电压输出端。

3.根据权利要求1所述的切峰填谷滤波电路，其特征由电感L2、L3、电容C2、开关管Q1组成，电感L2的一端连接到T1变压器的次级整流输出或D3和D4二极管负极输出端，电感L2的另一端连接到电感L3的一端和电容C2的一端，电容C2的另一端连接到开关管Q1的S极/源极，开关管Q1的D极(漏极)连接到次级输出公共负极端，电感L3的另一端连接到电源输出滤波电容和直流输出端。

4.根据权利要求1所述的切峰填谷滤波电路，其特征是输入连接L和N连接到输入交流电源经波形变换电路，变换成对应于交流电源正负半周期宽度的二个方波输出信号YL和YN连接切峰填谷滤波电路的数字处理控制电路。