CN212033990U - 一种单相lc串联限流电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种单相LC串联限流电路，包括单相交流电源；单相二极管整流桥，第一输入端通过限压电容与单相交流电源连接，第二输入端与单相交流电源连接；储能电容，正极与单相二极管整流桥的第一输出端连接，负极与单相二极管整流桥的第二输出端连接；继电器，第一端与限压电容的第一端连接，第二端与限压电容的第二端连接，第三端与直流电源连接，第四端与信号控制端连接，并通过信号控制端与直流电源连接。此实用新型解决了传统单相二极管整流电路软充电技术存在二次电流冲击和电流滤波差的问题，通过限压电容进行限压，限流电感进行限流，且两者之间发生谐振，实现了软充电效果，消除了二次电流冲击，提升了节能效果，易于推广使用。

Description

一种单相LC串联限流电路

技术领域

本实用新型涉及电力电子技术领域，具体涉及一种单相LC串联限流电路。

背景技术

单相二极管整流电路或含有单相二极管整流电路的电力电子变换电路，广泛地应用在家用电器、通讯电源、航空航天等应用领域。单相二极管整流电路后级经过电解电容滤波得到直流电压，为后级电力电子变换器提供直流电源。

单相二极管整流电路需要采用软充电技术，使得电解电容充电缓慢，由此抑制网侧电流峰值，以便保护整个电路免于烧毁、免于误动作和减轻EMI干扰。截止目前，主要软充电技术有功率电阻限流方案、变压器限流方案和电感限流方案等。

其中，功率电阻限流方案是使用功率电阻或PTC电阻，串联在充电线路，与电解电容构成RC充电支路；功率电阻可以置于交流火线、直流正极、电解电容下方等位置，根据电解电容取值大小，电阻可以为波纹电阻、铝壳电容或水泥电阻，它们各有适用范围和优缺点。在电解电容取值确定后，通过调节RC乘积即调节电阻取值来改变充电时，实现软充电。

功率电阻限流技术是一种常见方案，支持宽范围电解电容取值情况下软充电，除了上电结束后切除变压器初级，无需数字控制器。但是，其充电过程消耗能量，一般情况下电阻总耗能等于电解电容储能；存在二次电流冲击，由于具有电阻压降，电解电容电压不能完全充满，在功率电阻切除期间，存在不同程度的二次充电和二次电流冲击问题；功率电阻选型困难，功率电阻的额定电流、额定电压、耗散功率难以权衡，而且在体积、安装方式、成本等方面也需要平衡；采用继电器、单向或双向晶闸管、IGBT等切除功率电阻，功率电阻切除后呈现自然整流状态，没有元器件存在起到电流滤波作用。

同时，变压器限流方案是使用变压器，变压器初级串联在充电线路，变压器次级串联电阻和/或电容，变压器初级等效阻抗与电解电容构成RC充电支路。变压器初级可以置于交流火线、直流正极、电解电容下方等位置。在电解电容取值确定后，通过调节变压器次级串联电阻和/或电容即调节电阻和/或电容取值来改变充电时，实现软充电。

变压器限流技术只要变压器初级电流波动，初级等效阻抗就起到限流作用，除了上电结束后切除变压器初级，无需数字控制器。但是，其充电过程消耗能量，一般情况下电阻总耗能等于电解电容储能；存在二次电流冲击，由于具有电阻压降，电解电容电压不能完全充满，在功率电阻切除期间，存在不同程度的二次充电和二次电流冲击问题；功率电阻选型困难，功率电阻的额定电流、额定电压、耗散功率难以权衡，而且在体积、安装方式、成本等方面也需要平衡；采用继电器、单向或双向晶闸管、IGBT等切除变压器初级，功率电阻切除后呈现自然整流状态，没有元器件存在起到电流滤波作用。

同时，电感限流方案是使用限流电感和二极管与晶闸管混合整流桥，限流电感串联在充电线路中。限流电感可以置于交流火线、直流正极、电解电容下方等位置。电感限流技术通过控制整流桥晶闸管控制角，使之由180°按照一定的规则缓慢降低到90°，完成软充电，然后将控制角直接降为0°，二极管与晶闸管混合整流桥就演化为二极管整流桥。

电感限流技术通过调节晶闸管的控制角由180°～90°变换规律，可以完成任意充电电流和电解电容电压的软充电，限流电感选型较容易，可以采用EMI滤波器中的差模电感或APFC中的升压电感，限流电感可以保留在线路中，起到电流滤波作用。但是，其充电过程不消耗能量，在限流电感参数理想情况下没有耗能元件引起的额外功耗；存在多次小电流冲击，网侧电流为脉冲状，频率为网频，存在不同程度的二次充电和二次电流冲击问题；需要数字控制器编程操作，需要辅助电路，包括输入电压相位检测；采用继电器、单向或双向晶闸管、IGBT等切除限流电感，限流电感切除后呈现自然整流状态，没有元器件存在起到电流滤波作用。

然而，限流电感的二极管整流电路软充电电路中，对于二极管整流电路，如果采用限流电感，无论用在交流侧或直流侧，感值小时不能起到软充电作用，感值大时也不能起到软充电作用，因为直流电压泵生，超过网压峰值，而且上电时间更长，是一种不适合的充电方案。

限压电容的二极管整流电路软充电电路，对于二极管整流电路，如果在直流侧采用限压电容，不能起到软充电作用。对于二极管整流电路，如果在交流侧采用限压电容，则能起到软充电作用。容值较小时，软充电较长。容值较大时，软充电较短，但是在尤其网压峰值时上电，起始充电电流会出现非常高的尖峰。

综合以上，解决传统软充电技术中存在的二次电流冲击问题，以及自然整流状态下没有元器件起到电流滤波作用的问题，显得迫在眉睫。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种单相LC串联限流电路。此电路旨在解决传统单相二极管整流电路的软充电技术存在二次电流冲击和电流滤波差的问题，通过限压电容进行限压，限流电感进行限流，且两者之间发生谐振，实现软充电效果，消除二次电流冲击，提升节能效果，易于推广使用。

为达到上述目的，本实用新型提供了一种单相LC串联限流电路，包括单相交流电源、单相二极管整流桥、限压电容、储能电容、继电器和直流电源；单相二极管整流桥的第一输入端通过限压电容与单相交流电源的火线连接，第二输入端与单相交流电源的零线连接，分别将单相交流电源的交流电流转变为直流电流；储能电容的正极与单相二极管整流桥的第一输出端连接，负极与单相二极管整流桥的第二输出端连接；继电器的第一端与限压电容的第一端连接，第二端与限压电容的第二端连接，第三端与直流电源的正极连接，第四端与控制电路的信号控制端连接，并通过该信号控制端与直流电源的正极连接；该控制电路的信号控制端置于低电平时，继电器调节限压电容连通，单相交流电源为储能电容供电，储能电容存储的电压增加，当储能电容存储的电压达到网压峰值时，继电器调控其信号控制端，短接限压电容，储能电容完成软充电。

最优选的，该电路还包括限流电感，设置于单相二极管整流桥的第一输出端和储能电容的正极之间，与限压电容之间谐振，为储能电容提供带高频波纹的直流电流。

最优选的，限流电感设置于单相二极管整流桥的直流电流侧时，该谐振为半波振荡。

最优选的，该电路还包括限流电感，设置于单相二极管整流桥的第一输入端和限压电容之间，与限压电容之间谐振，为储能电容提供带高频波纹的交流电流。

最优选的，限流电感设置于单相二极管整流桥的交流电流侧时，该谐振为全波振荡。

最优选的，单相二极管整流桥包括：

第一二极管，阳极与限压电容连接；

第二二极管，阴极与第一二极管的阳极连接；

第三二极管，阴极分别与第一二极管的阴极和储能电容的正极连接；

第四二极管，阳极分别与第二二极管的阳极和储能电容的负极连接，阴极分别与单相交流电源的零线和第三二极管的阳极连接。

最优选的，继电器的信号控制端与直流电源正极之间还设置有吸收二极管。

最优选的，直流电源的电压为+12V。

运用此实用新型，解决了传统单相二极管整流电路的软充电技术存在二次电流冲击和电流滤波差的问题，通过限压电容进行限压，限流电感进行限流，且两者之间发生谐振，实现了软充电效果，消除了二次电流冲击，提升了节能效果，易于推广使用。

相对于现有技术，本实用新型具有以下有益效果：

1、本实用新型提供的单相LC串联限流电路采用一种新型的限压电容与限流电感串联的二极管整流电路软充电电路，利用限压电容进行限压，利用限流电感进行限流，通过调节限压电容与限流电感的取值，可以获得满意的软充电效果，而且限压电容与限流电感之间会发生谐振，因此充电电压可以达到网压峰值，消除了二次上电冲击电流问题。

2、本实用新型提供的单相LC串联限流电路通过调节限压电容与限流电感的取值，可以控制充电时间长短和电解电容电压上升的曲线，无需控制器控制。

3、本实用新型提供的单相LC串联限流电路中的限压电容与限流电感损耗很低，在电解电容储能过程中可以实现非常少的能量损失，充电效率高。

4、本实用新型提供的单相LC串联限流电路中的限压电容与限流电感之间会出现半波振荡，电解电容可以升至网压峰值，因此消除了限流元件切除后，电压电容电压由于低于网压峰值二引起的二次上电和二次电流冲击问题。

5、本实用新型提供的单相LC串联限流电路可以采用继电器单独切除限压电容，也可以切除限压电容与限流电感构成的支路，切除时限压电容、限压电容与限流电感否成的支路电压与电流均为零，实现零电压和零电流切除，无需数字控制器。

附图说明

图1为本实用新型提供的实施例1中单相LC串联限流电路示意图；

图2为本实用新型提供的实施例2中单相LC串联限流电路示意图。

具体实施方式

以下结合附图通过具体实施例对本实用新型作进一步的描述，这些实施例仅用于说明本实用新型，并不是对本实用新型保护范围的限制。

实施例1：

本实用新型是一种单相LC串联限流电路，如图1所示，包括单相交流电源1、单相二极管整流桥B1、限压电容C1、储能电容E1、继电器RL1和直流电源2。

其中，单相二极管整流桥B1的第一输入端通过限压电容C1与单相交流电源1的火线连接，第二输入端与单相交流电源1的零线连接，分别将单相交流电源1的交流电流转变为直流电流；储能电容E1的正极与单相二极管整流桥B1的第一输出端连接，负极与单相二极管整流桥B1的第二输出端连接；继电器RL1的第一端与限压电容C1的第一端连接，第二端与限压电容C1的第二端连接，第三端与直流电源2的正极连接，第四端与一控制电路的信号控制端Dr连接，并通过该信号控制端Dr与直流电源2的正极连接。

该控制电路的信号控制端Dr置于低电平时，继电器RL1调节限压电容C1连通，单相交流电源1的电压u_i1为储能电容E1供电，储能电容E1存储的电压增加，当储能电容E1存储的电压u_o1达到网压峰值时，继电器RL1调控信号控制端Dr，短接限压电容C1，储能电容E1完成软充电。

该电路还包括限流电感L1，设置于单相二极管整流桥B1的第一输出端和储能电容E1的正极之间，与限压电容C1之间形成半波振荡，为储能电容E1提供带高频波纹的直流电流。

同时，限流电感L1同时具有限流、储能、蓄流和复位的作用，用于防止单相交流电源1上电时产生的尖峰电流，限流电流L1需要续流路径，没有电流时即复位，不再储能。

限压电容C1设置于单相二极管整流桥B1的交流电流侧，限流电感L1设置于单相二极管整流桥B1的直流电流侧；将限压电容C1与限流电感L1取值调小，单相交流电源1上电，此时，限压电容C1与储能电容E1之间近似分压，则限流电感L1限流、储能、续流和复位，限压电容C1与限流电感L1之间半波振荡，限压电容C1生成带有高频率纹波的工频交流电流i_i1，限流电感L1生成带有高频率纹波的直流电流i_L1。

限压电容C1带有高频率纹波的工频交流电流i_i1通过单相二极管整流桥B2生成带有高频率纹波的直流电流，逐次重复经过储能电容E1的正半周和负半周，储能电容E1存储的电压u_o1逐次增大；随着重复次数的增加，储能电容E1存储的电压上升量逐渐减小，最后上升至网压峰值。

单相交流电源1上电后时间足够长时，根据经验判定储能电容E1存储的电压u_o1达到网压峰值，控制继电器RL1以调控信号控制端Dr，使得继电器RL1短接限压电容C1，储能电容E1完成充电。

单相二极管整流桥包括第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3和第四二极管D4；其中，第一二极管D1的阳极与限压电容C1连接；第二二极管D2的阴极与第一二极管D1的阳极连接；第三二极管D3的阴极分别与第一二极管D1的阴极和储能电容E1的正极连接；第四二极管D4的阳极分别与第二二极管D2的阳极和储能电容E1的负极连接，阴极分别与单相交流电源1的零线和第三二极管D3的阳极连接。

单项二极管整流桥的第一桥臂(D1与D2)中点与第二桥臂(D3与D4)之间形成的电压，即为单项二极管整流桥(D1～D4)真正输入的交流电压u _i2 。

继电器RL1的信号控制端Dr与直流电源2正极之间还设置有吸收二极管D5。

在本实施例中，限压电容C1选型方便，限流电感L1可以利用电路电磁干扰(Electro Magnetic Interference,EMI)设计中本来应该具备的差模电感或利用电力电子变换器(如单相有源功率因数校正(Active Power Factor Correction,APFC)、单相WPM型号整流器等)本身具有的电感。

其中，直流电源2设置于继电器RL1的第三端，用于驱动继电器RL1的初级线圈，为继电器RL1供电，且该电源与交流电源和输出直流电压不同。在本实施例中，直流电源2的电压为+12V。

单相交流电源1上电u_i1，继电器RL1调节信号控制端Dr置于低电平，使得限压电容C1连通；将限压电容C1和限流电感L1的取值调小，使得限压电容C1与储能电容E1之间近似分压，限流电感L1与限压电容C1之间谐振，限流电感L1限流、储能、续流和复位；限流电感L1设置于单相二极管整流桥的直流电流侧，限压电容C1设置于单相二极管整流桥B1的交流电流侧，则限流电感L1与限压电容C1之间谐振为半波振荡，限压电容C1生成带有高频率纹波的工频交流电流i_i1，限流电感L1生成带有高频率纹波的直流电流i_L1。

上电后的单相交流电源1通过限压电容C1，将交流电流i_i1传输至单相二极管整流桥B1；单相二极管整流桥B1将带有高频率纹波的交流电流i_i1转换为带有高频率纹波的直流电流，并通过限流电感L1传输至储能电容E1进行储能，储能电容E1存储的电压缓慢增加。

判断储能电容E1存储的电压u_o1是否达到网压峰值；若未达到，则储能电容E1重复继续储能，电压缓慢上升；储能电容E1进行电压存储包括高频率纹波的直流电流重复经过储能电容E1正半周和负半周，储能电容E1存储的电压u_o1逐次递增；随着重复次数的增加，储能电容E1存储的电压上升量逐渐减小，最后上升至网压峰值。

若储能电容E1存储的电压u_o1达到网压峰值，则继电器RL1调控信号控制端Dr，使得继电器RL1短接限压电容C1，单相交流电源1停止输出交流电流，储能电容E1完成软充电。

实施例2：

本实用新型是一种单相LC串联限流电路，如图2所示，包括单相交流电源1、单相二极管整流桥B2、限压电容C2、储能电容E2、继电器RL2和直流电源2。

其中，单相二极管整流桥B2的第一输入端通过限压电容C2与单相交流电源1的火线连接，第二输入端与单相交流电源1的零线连接，分别将单相交流电源1的交流电流转变为直流电流；储能电容E2的正极与单相二极管整流桥B2的第一输出端连接，负极与单相二极管整流桥B2的第二输出端连接；继电器RL2的第一端与限压电容C2的第一端连接，第二端与限压电容C2的第二端连接，第三端与直流电源2的正极连接，第四端与一控制电路的信号控制端Dr连接，并通过该信号控制端Dr与直流电源2的正极连接。

该控制电路的信号控制端Dr置于低电平时，继电器RL2调节限压电容C2连通，单相交流电源1的电压u_i1为储能电容E2供电，储能电容E2存储的电压增加，当储能电容E2存储的电压u_o2达到网压峰值时，继电器RL2调控其信号控制端Dr，短接限压电容C2，储能电容E2完成软充电。

该电路还包括限流电感L2，设置于单相二极管整流桥B2的第一输入端和限压电容C2之间，与限压电容C2之间形成全波振荡，为储能电容E2提供高频交流电流。

同时，限流电感L2同时具有限流、储能、蓄流和复位的作用，用于防止单相交流电源1上电时产生的尖峰电流，限流电流L2需要续流路径，没有电流时即复位，不再储能。

限压电容C2和限流电感L2同时设置于单相二极管整流桥B1的交流电流侧；限压电容C2与限流电感L2取值小时，单相交流电源1上电，此时，限压电容C2与储能电容E2之间近似分压，则限流电感L2限流、储能、续流和复位，限压电容C2与限流电感L2之间全波振荡，限压电容C2和限流电感L2分别生成带有高频率纹波的工频交流电流i_i2和i_L2。

限压电容C2带有高频率纹波的工频交流电流i_i2通过单相二极管整流桥B2生成带有高频率纹波的直流电流，逐次重复经过储能电容E2的正半周和负半周，储能电容E2存储的电压逐次增大；随着重复次数的增加，储能电容E2存储的电压上升量逐渐减小，最后上升至网压峰值。

该电路还包括电压检测电路，与储能电容E2连接，用于检测判断储能电容E2存储的电压u_o2是否达到网压峰值；当储能电容E2存储的电压u_o2达到网压峰值时，继电器RL2调控信号控制端Dr，使得继电器RL2短接限压电容C2，储能电容E2完成软充电。

继电器RL2的信号控制端Dr与直流电源2正极之间还设置有吸收二极管D6。

单相二极管整流桥包括第一二极管D7、第二二极管D8、第三二极管D9和第四二极管D10；其中，第一二极管D7的阳极与限压电容C2连接；第二二极管D8的阴极与第一二极管D7的阳极连接；第三二极管D9的阴极分别与第一二极管D7的阴极和储能电容E2的正极连接；第四二极管D10的阳极分别与第二二极管D8的阳极和储能电容E2的负极连接，阴极分别与单相交流电源1的零线和第三二极管D9的阳极连接。

单项二极管整流桥的第一桥臂(D1与D2)中点与第二桥臂(D3与D4)之间形成的电压，即为单项二极管整流桥(D1～D4)真正输入的交流电压u _i2 。

在本实施例中，限压电容C2选型方便，限流电感L2可以利用电路电磁干扰(Electro Magnetic Interference,EMI)设计中本来应该具备的差模电感或利用电力电子变换器(如单相有源功率因数校正(Active Power Factor Correction,APFC)、单相WPM型号整流器等)本身具有的电感。

其中，直流电源2设置于继电器RL2的第三端，用于驱动继电器RL2的初级线圈，为继电器RL2供电，且该电源与交流电源和输出直流电压不同。在本实施例中，直流电源2的电压为+12V。

单相交流电源1上电u_i1，继电器RL2调节信号控制端Dr，使得限压电容C2连通；上电后的单相交流电源1u_i1传输交流电流i_i2之前，还需要将限压电容C2和限流电感L2的取值调小，使得限压电容C2与储能电容E2之间近似分压，限流电感L2与限压电容C2之间谐振，限流电感L2限流、储能、续流和复位；限流电感L2和限压电容C2均设置于单相二极管整流桥的交流电流侧，则限流电感L2与限压电容C2之间谐振为全波振荡，限压电容C2和限流电感L2分别生成带有高频率纹波的工频交流电流i_i2和i_L2。

上电后的单相交流电源1通过限压电容C2和限流电感L2将交流电流i_i2传输至单相二极管整流桥B2；单相二极管整流桥B2将带有高频率纹波的交流电流i_i2转换为带有高频率纹波的直流电流，并传输至储能电容E2进行储能，储能电容E2存储的电压缓慢增加。

判断储能电容E2存储的电压u_o2是否达到网压峰值；若未达到，则储能电容E2重复继续储能，电压缓慢上升；其中，通过与储能电容E2连接的电压检测电路，来检测判断储能电容E2存储的电压u_o2是否达到网压峰值；储能电容E2进行电压存储包括高频率纹波的直流电流逐次重复经过储能电容E2正半周和负半周，储能电容E2存储的电压u_o2逐次递增；随着重复次数的增加，储能电容E2存储的电压上升量逐渐减小，最后上升至网压峰值。

若储能电容E2存储的电压u_o2达到网压峰值，则继电器RL2调控信号控制端Dr，使得继电器RL2短接限压电容C2，单相交流电源1停止输出交流电流，储能电容E2完成软充电。

本实用新型的工作原理：

单相交流电源上电，继电器调节信号控制端，使得限压电容连通；调节限压电容和限流电感的取值，使得限压电容与储能电容之间近似分压，限流电感与限压电容之间谐振，限流电感限流、储能、续流和复位；上电后的单相交流电源通过限压电容，将交流电流传输至单相二极管整流桥；单相二极管整流桥将交流电流转换为直流电流，并传输至储能电容进行电压存储，储能电容存储的电压增加；判断储能电容存储的电压是否达到网压峰值；若未达到，则储能电容重复进行电压存储；若达到，则继电器调控其信号控制端，短接限压电容，单相交流电源停止输出交流电流，储能电容完成充电。

综上所述，本实用新型一种单相LC串联限流电路，解决了传统单相二极管整流电路的软充电技术存在二次电流冲击和电流滤波差的问题，通过限压电容进行限压，限流电感进行限流，且两者之间发生谐振，实现了软充电效果，消除了二次电流冲击，提升了节能效果，易于推广使用。

尽管本实用新型的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本实用新型的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本实用新型的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本实用新型的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (8)

1.一种单相LC串联限流电路，其特征在于，包括：

单相交流电源；

单相二极管整流桥，第一输入端通过一限压电容与所述单相交流电源的火线连接，第二输入端与所述单相交流电源的零线连接，分别将所述单相交流电源的交流电流转变为直流电流；

储能电容，正极与所述单相二极管整流桥的第一输出端连接，负极与所述单相二极管整流桥的第二输出端连接；

继电器，第一端与所述限压电容的第一端连接，第二端与所述限压电容的第二端连接，第三端与一直流电源的正极连接，第四端与一控制电路的信号控制端连接，并通过所述信号控制端与所述直流电源的正极连接；

该控制电路的信号控制端置于低电平时，所述继电器调节所述限压电容连通，所述单相交流电源为所述储能电容供电，所述储能电容存储的电压增加，当所述储能电容存储的电压达到网压峰值时，所述继电器调控其信号控制端，短接所述限压电容，储能电容完成软充电。

2.如权利要求1所述的单相LC串联限流电路，其特征在于，该电路还包括限流电感，设置于所述单相二极管整流桥的第一输出端和所述储能电容的正极之间，与所述限压电容之间谐振，为所述储能电容提供带高频波纹的直流电流。

3.如权利要求2所述的单相LC串联限流电路，其特征在于，所述限流电感设置于所述单相二极管整流桥的直流电流侧时，所述谐振为半波振荡。

4.如权利要求1所述的单相LC串联限流电路，其特征在于，该电路还包括限流电感，设置于所述单相二极管整流桥的第一输入端和所述限压电容之间，与所述限压电容之间谐振，为所述储能电容提供带高频波纹的交流电流。

5.如权利要求4所述的单相LC串联限流电路，其特征在于，所述限流电感设置于所述单相二极管整流桥的交流电流侧时，所述谐振为全波振荡。

6.如权利要求1所述的单相LC串联限流电路，其特征在于，所述单相二极管整流桥包括：

第一二极管，阳极与所述限压电容连接；

第二二极管，阴极与所述第一二极管的阳极连接；

第三二极管，阴极分别与所述第一二极管的阴极和所述储能电容的正极连接；

第四二极管，阳极分别与所述第二二极管的阳极和所述储能电容的负极连接，阴极分别与所述单相交流电源的零线和所述第三二极管的阳极连接。

7.如权利要求1所述的单相LC串联限流电路，其特征在于，所述继电器的信号控制端与所述直流电源正极之间还设置有吸收二极管。

8.如权利要求1所述的单相LC串联限流电路，其特征在于，所述直流电源的电压为+12V。

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