專利名稱：一種交流-直流功率變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電子技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種交流-直流功率變換器。
背景技術(shù)：
交流-直流功率變換器(AC/DCconverter)用以將交流電壓轉(zhuǎn)換為一恒定的直流電信號(hào)(例如直流電壓或者直流電流)。由于交流-直流功率變換器的功率較高，因此廣泛應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)大功率的負(fù)載，例如電機(jī)、LED燈等。交流-直流功率變換器通常包括一整流橋，以將外部交流電壓轉(zhuǎn)換為一正弦半波直流電壓來(lái)提供給后續(xù)變換電路。為了減小對(duì)交流電網(wǎng)的諧波污染，交流-直流功率變換器通常需要具有功率因數(shù)校正電路(PFC)來(lái)實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正功能，獲得一較高的功率因數(shù)。
現(xiàn)有技術(shù)中，單級(jí)變換電路或者兩級(jí)變換電路均可以實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正功能以及獲得恒定的輸出電信號(hào)。
參考圖1，所示為一種采用現(xiàn)有技術(shù)的單級(jí)交流-直流功率變換器的一具體實(shí)施例。在該實(shí)施方式中，單級(jí)交流-直流功率變換器包括單級(jí)PFC主電路10和單級(jí)PFC控制電路20兩部分。其中，單級(jí)PFC主電路為反激式(flyback)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，單級(jí)PFC控制電路包括電流閉環(huán)控制電路21，電流控制電路22，過(guò)零觸發(fā)電路23，隔離電路和乘法器U5。
電流閉環(huán)控制電路21采樣單級(jí)PFC主電路的輸出電流，其輸出信號(hào)經(jīng)隔離電路后與輸入電壓經(jīng)乘法器U5運(yùn)算后得到的信號(hào)，作為基準(zhǔn)信號(hào)輸入至電流控制電路22的同相輸入端，反相輸入端采樣輸入電流，輸出端連接至過(guò)零觸發(fā)電路23。過(guò)零觸發(fā)電路23包括電壓比較器U3和RS觸發(fā)器U4，電流控制電路22的輸出端和電壓比較器U3的輸出端分別連接至RS觸發(fā)器的復(fù)位端R和置位端S。RS觸發(fā)器的輸出信號(hào)通過(guò)控制開(kāi)關(guān)管S的導(dǎo)通或者截止的狀態(tài)，使輸入電流跟隨輸入電壓變化，以此提高單級(jí)PFC電路的功率因數(shù)。
但是，采用這種實(shí)現(xiàn)方式，輸出電流存在紋波，并且當(dāng)紋波較大時(shí)，輸出電流的誤差較大，因此，輸入端的電流存在較大誤差，不能準(zhǔn)確跟隨輸入電壓的變化，功率因數(shù)大大降低。
參考圖2，所示為另一種采用現(xiàn)有技術(shù)的兩級(jí)變換電路的交流-直流功率變換器的原理框圖。在該實(shí)施方式中，交流-直流功率變換器包括兩級(jí)功率級(jí)電路203和205，以及第一級(jí)控制電路204和第二級(jí)控制電路205。第一級(jí)功率級(jí)電路203接收正弦半波直流輸入電壓，第一級(jí)控制電路204控制第一級(jí)功率級(jí)電路203，使得輸入電流的波形跟隨所述正弦半波直流輸入電壓，從而實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正。與第一級(jí)功率級(jí)電路級(jí)聯(lián)的第二級(jí)功率級(jí)電路205用以接收第一級(jí)功率級(jí)電路203的輸出電壓Vtjutl，根據(jù)LED燈207所需的驅(qū)動(dòng)電壓，第二級(jí)控制電路206控制第二級(jí)功率級(jí)電路205，以獲得基本恒定的輸出電流和輸出電壓，使之能夠正常驅(qū)動(dòng)LED燈207。
采用圖2所示的交流-直流功率變換器，對(duì)諧波的處理效果較好，可以達(dá)到較高的功率因數(shù)；具有獨(dú)立的PFC級(jí)，可以對(duì)輸入DC/DC級(jí)的直流電壓進(jìn)行預(yù)調(diào)節(jié)，輸出電壓比較精確；帶載能力比較高，適合于功率較高的場(chǎng)合。但是，它至少需要兩套控制電路和至少兩個(gè)功率開(kāi)關(guān)管，所需的元器件較多，成本較高；功率密度低，損耗比較大；尤其對(duì)于中小功率的電子設(shè)備，很不經(jīng)濟(jì)。發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種簡(jiǎn)化的交流-直流功率變換器，以利用最簡(jiǎn)化的變換器結(jié)構(gòu)來(lái)同時(shí)獲得較高的功率因數(shù)以及穩(wěn)定的輸出電信號(hào)。
依據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的交流-直流功率變換器，包括一整流橋和濾波電容，以將外部交流電壓轉(zhuǎn)換為正弦半波直流輸入電壓，還包括第一儲(chǔ)能元件，第二儲(chǔ)能元件和第三儲(chǔ)能元件；
在每一開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，在第一工作狀態(tài)時(shí)，第一路徑接收所述正弦半波直流輸入電壓，并對(duì)所述第一儲(chǔ)能元件進(jìn)行儲(chǔ)能，流過(guò)所述第一儲(chǔ)能元件的第一電流連續(xù)上升；
第二路徑接收第二直流電壓，并對(duì)所述第二儲(chǔ)能元件進(jìn)行儲(chǔ)能，流過(guò)所述第二儲(chǔ)能元件的第二電流持續(xù)上升；所述第一路徑和所述第二路徑共用一開(kāi)關(guān)管；
在第二工作狀態(tài)時(shí)，所述第一儲(chǔ)能元件通過(guò)第三路徑釋放能量至所述第三儲(chǔ)能元件，以在所述第三儲(chǔ)能元件上產(chǎn)生所述第二直流電壓，并且，所述第一電流連續(xù)下降；
所述第二儲(chǔ)能元件通過(guò)第四路徑將能量釋放至一負(fù)載；
其中，所述第一工作狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間維持不變，并且，所述第一電流的峰值與所述正弦半波直流輸入電壓成正比例關(guān)系；以及保證所述交流-直流功率變換器的輸出電信號(hào)維持恒定。
進(jìn)一步的，所述交流-直流功率變換器，還包括位于所述第二路徑中的電流采樣電路，以在所述第一工作狀態(tài)時(shí)，采樣所述第二電流產(chǎn)生一反饋信號(hào)。
優(yōu)選的，所述第一儲(chǔ)能元件包括第一感性元件，所述第二儲(chǔ)能元件包括第二感性元件，所述第三儲(chǔ)能元件包括一容性元件。
進(jìn)一步的，所述交流-直流功率變換器還包括一控制和驅(qū)動(dòng)電路，用以根據(jù)接收到的所述反饋信號(hào)產(chǎn)生一驅(qū)動(dòng)信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)所述開(kāi)關(guān)管。
優(yōu)選的，在第一工作狀態(tài)時(shí)，所述開(kāi)關(guān)管處于導(dǎo)通狀態(tài)；在第二工作狀態(tài)時(shí)，所述開(kāi)關(guān)管處于關(guān)斷狀態(tài)。
優(yōu)選的，所述第一儲(chǔ)能元件、所述第三儲(chǔ)能元件、所述第一路徑和所述第三路徑組成第一級(jí)功率級(jí)電路。
優(yōu)選的，所述第二儲(chǔ)能元件、所述第二路徑和所述第四路徑組成第二級(jí)功率級(jí)電路。
優(yōu)選的，所述第一級(jí)功率級(jí)電路為升壓型或者反激式或者升壓-降壓型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，所述第二級(jí)功率級(jí)電路為降壓型或者反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)或者升壓-降壓型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
優(yōu)選的，所述輸出電信號(hào)包括一!'亙定的輸出電流，用以驅(qū)動(dòng)LED負(fù)載。
依據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的交流-直流功率變換器，集合了兩級(jí)功率級(jí)電路，包含第一儲(chǔ)能元件和第三儲(chǔ)能元件的第一級(jí)功率級(jí)電路通過(guò)控制不同的路徑控制第一儲(chǔ)能元件和第三儲(chǔ)能元件的儲(chǔ)存能量以及釋放能量的時(shí)間區(qū)間來(lái)實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正功能，并給第二級(jí)功率級(jí)電路提供電源電壓；包含第二儲(chǔ)能元件的第二級(jí)功率級(jí)電路用以獲得穩(wěn)定的輸出電信號(hào)。根據(jù)第一級(jí)功率級(jí)電路和 第二級(jí)功率級(jí)電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的類型，兩者至少共用一開(kāi)關(guān)管以及一控制和驅(qū)動(dòng)電路，根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的類型，兩者還可以共用其他的元器件。通過(guò)這種元器件共用的實(shí)現(xiàn)方式，來(lái)最大程度的簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)，減小成本；并且提高變換器的功率因數(shù)以及獲得對(duì)輸出電信號(hào)的良好的控制效果。


圖1所示為采用現(xiàn)有技術(shù)的一種單級(jí)交流-直流功率變換器的原理框圖2所示為采用現(xiàn)有技術(shù)的一種兩級(jí)交流-直流功率變換器的原理框圖3A所示為依據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的交流-直流功率變換器的原理框圖3B所示為圖3A所示的交流-直流功率變換器在第一工作狀態(tài)時(shí)的導(dǎo)電路徑圖3C所示為圖3A所示的交流-直流功率變換器在第二工作狀態(tài)時(shí)的導(dǎo)電路徑圖4A所示為依據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的交流-直流功率變換器的原理框圖4B所示為圖4A所示的交流-直流功率變換器在第一工作狀態(tài)時(shí)的導(dǎo)電路徑圖4C所示為圖4A所示的交流-直流功率變換器在第二工作狀態(tài)時(shí)的導(dǎo)電路徑圖4D所示為圖4A所示的交流-直流功率變換器的工作波形圖5A所示為依據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的交流-直流功率變換器的原理框圖5B所示為圖5A所示的交流-直流功率變換器在第一工作狀態(tài)時(shí)的導(dǎo)電路徑圖5C所示為圖5A所示的交流-直流功率變換器在第二工作狀態(tài)時(shí)的導(dǎo)電路徑圖6A所示為依據(jù)本發(fā)明第四實(shí)施例的交流-直流功率變換器的原理框圖6B所示為圖6A所示的交流-直流功率變換器在第一工作狀態(tài)時(shí)的導(dǎo)電路徑圖6C所示為圖6A所示的交流-直流功率變換器在第二工作狀態(tài)時(shí)的導(dǎo)電路徑圖7A所示為依據(jù)本發(fā)明第五實(shí)施例的交流-直流功率變換器的原理框圖7B所示為電感上電流和原邊繞組上電流的波形圖7C所示為圖7A所示的交流-直流功率變換器在功率開(kāi)關(guān)管和一二極管同時(shí)導(dǎo)通時(shí)的導(dǎo)電路徑圖7D所示為圖7A所示的交流-直流功率變換器在功率開(kāi)關(guān)管和另一二極管同時(shí)導(dǎo)通時(shí)的導(dǎo)電路徑圖7E所示為圖7A所示的交流-直流功率變換器在功率開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)的導(dǎo)電路徑圖8A所示為依據(jù)本發(fā)明第六實(shí)施例的交流-直流功率變換器的原理框圖8B所示為圖8A所示的交流-直流功率變換器在第一工作狀態(tài)時(shí)的導(dǎo)電路徑圖SC所示為圖8A所示的交流-直流功率變換器在第二工作狀態(tài)時(shí)的導(dǎo)電路徑圖9A所示為依據(jù)本發(fā)明第七實(shí)施例的交流-直流功率變換器的原理框圖9B所示為圖9A所示的交流-直流功率變換器在第一工作狀態(tài)時(shí)的導(dǎo)電路徑圖9C所示為圖9A所示的交流-直流功率變換器在第二工作狀態(tài)時(shí)的導(dǎo)電路徑圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的幾個(gè)優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)描述，但本發(fā)明并不僅僅限于這些實(shí)施例。本發(fā)明涵蓋任何在本發(fā)明的精髓和范圍上做的替代、修改、等效方法以及方案。為了使公眾對(duì)本發(fā)明有徹底的了解，在以下本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中詳細(xì)說(shuō)明了具體的細(xì)節(jié)，而對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)沒(méi)有這些細(xì)節(jié)的描述也可以完全理解本發(fā)明。
參考圖3A，所示為依據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的交流-直流功率變換器的原理框圖。在該實(shí)施例中，外部交流電壓Va。經(jīng)過(guò)整流橋BR和電容C1進(jìn)行整流和濾波處理后，在電容C1的兩端產(chǎn)生正弦半波直流輸入電壓Vin。交流-直流功率變換器300還包括第一儲(chǔ)能元件即電感L2，第二儲(chǔ)能元件即電感L3和第三儲(chǔ)能元件即電容C6。通過(guò)不同的路徑來(lái)控制第一儲(chǔ)能元件，第二儲(chǔ)能元件和第三儲(chǔ)能元件的儲(chǔ)存能量和釋放能量的時(shí)間區(qū)間以及儲(chǔ)能元件的自身特性，以同時(shí)獲得較高的功率因數(shù)以及穩(wěn)定的輸出電信號(hào)。
參考圖3B所示的圖3A所示的交流-直流功率變換器在第一工作狀態(tài)時(shí)的導(dǎo)電路徑圖，在第一工作狀態(tài)時(shí)，控制開(kāi)關(guān)管Q2導(dǎo)通，在由電感L2,開(kāi)關(guān)管Q2和電容C1組成的第一路徑①中，流過(guò)電感L2的電感電流^持續(xù)上升，電感L2進(jìn)行儲(chǔ)能。同時(shí)，在由電感L3，開(kāi)關(guān)管Q2,電容C6組成的第二路徑②中，流過(guò)電感L3的電感電流持續(xù)上升，電感L3儲(chǔ)存能量。
參考圖3C所示的圖3A所示的交流-直流功率變換器在第二工作狀態(tài)時(shí)的導(dǎo)電路徑圖，在第二工作狀態(tài)時(shí)，控制開(kāi)關(guān)管Q2關(guān)斷，在由電感L2, 二極管D6和電容C6組成的第三路徑③中，流過(guò)電感L2的電感電流L持續(xù)下降，電容C6被充電，電感L2釋放能量，并儲(chǔ)存至電容C6中。當(dāng)電容C6的電容值較大時(shí)，電容C6兩端的電壓Vbus波動(dòng)很小，基本恒定。同時(shí)，電感L3中的電感電流持續(xù)下降，電感 L3中儲(chǔ)存的能量通過(guò)由電感L3，二極管D6,電容C5組成的第四路徑④傳遞至負(fù)載。
這里，第一路徑①和第三路徑③組成一升壓型(boost)功率級(jí)電路，接收正弦半波直流輸入電壓Vin以在具有較大電容值的電容C6的兩端產(chǎn)生一基本恒定的電壓vbus。
第二路徑②和第四路徑④組成一降壓型(buck)功率級(jí)電路，接收電容C6兩端的電壓Vbus以通過(guò)第四路徑④產(chǎn)生一基本恒定的輸出電壓V。，以及一基本恒定的輸出電流10來(lái)驅(qū)動(dòng)負(fù)載，如LED燈。
采用圖3A所示的交流-直流功率變換器，升壓型功率級(jí)電路中的第一路徑①和降壓型功率級(jí)電路中的第二路徑②共用開(kāi)關(guān)管q2。升壓型功率級(jí)電路中的第三路徑③和降壓型功率級(jí)電路中的第四路徑④共用輸出二極管d6。
圖3A所示的交流-直流功率變換器還包括一保護(hù)電路，用以防止在第二工作狀態(tài)時(shí)，第二路徑中的電流回流至輸入端。具體的，保護(hù)電路包括一二極管D5,其連接在第一路徑中的電感L2和開(kāi)關(guān)管Q2之間。所述保護(hù)電路還可以進(jìn)一步包括位于第二路徑中的連接在二極管D5和電感L3之間的二極管D7,以防止電感L3會(huì)出現(xiàn)負(fù)電流。
電流采樣電路位于第二路徑②中，以在開(kāi)關(guān)管Q2導(dǎo)通時(shí)，采樣第二路徑中的電流，即流過(guò)電感L3的電感電流，來(lái)進(jìn)一步的獲得輸出電流的信息。具體的，電流采樣點(diǎn)路包括一采樣電阻Rsm，根據(jù)采樣電阻Rsm上的壓降獲得電流峰值信息，進(jìn)而獲得輸出電流信息?？刂坪万?qū)動(dòng)電路303根據(jù)采樣得到的輸出電流信息，產(chǎn)生相應(yīng)的控制和驅(qū)動(dòng)信號(hào)，來(lái)控制開(kāi)關(guān)管Q2的開(kāi)關(guān)動(dòng)作，以實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正，以及獲得一基本恒定的輸出電流。
以上詳細(xì)說(shuō)明了圖3A所示的交流-直流功率變換器的電路結(jié)構(gòu)，以及不同工作狀態(tài)時(shí)的導(dǎo)電路徑。以下將詳細(xì)說(shuō)明圖3A所示的交流-直流功率變換器的功率因數(shù)校正以及恒定輸出電信號(hào)的實(shí)現(xiàn)原理。
根據(jù)降壓型功率級(jí)電路的工作原理，在電感電流工作于臨界導(dǎo)通模式時(shí)(BCM)，輸出電流如下公式(1)計(jì)算得到:
權(quán)利要求
1.一種交流-直流功率變換器，包括一整流橋和濾波電容，以將外部交流電壓轉(zhuǎn)換為正弦半波直流輸入電壓，其特征在于，還包括第一儲(chǔ)能元件，第二儲(chǔ)能元件和第三儲(chǔ)能元件； 在每一開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，在第一工作狀態(tài)時(shí)，第一路徑接收所述正弦半波直流輸入電壓，并對(duì)所述第一儲(chǔ)能元件進(jìn)行儲(chǔ)能，流過(guò)所述第一儲(chǔ)能元件的第一電流連續(xù)上升； 第二路徑接收第二直流電壓，并對(duì)所述第二儲(chǔ)能元件進(jìn)行儲(chǔ)能，流過(guò)所述第二儲(chǔ)能元件的第二電流持續(xù)上升；所述第一路徑和所述第二路徑共用一開(kāi)關(guān)管； 在第二工作狀態(tài)時(shí)，所述第一儲(chǔ)能元件通過(guò)第三路徑釋放能量至所述第三儲(chǔ)能元件，以在所述第三儲(chǔ)能元件上產(chǎn)生所述第二直流電壓，并且，所述第一電流連續(xù)下降； 所述第二儲(chǔ)能元件通過(guò)第四路徑將能量釋放至一負(fù)載； 其中，所述第一工作狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間維持不變，并且，所述第一電流的峰值與所述正弦半波直流輸入電壓成正比例關(guān)系；以及保證所述交流-直流功率變換器的輸出電信號(hào)維持恒定。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的交流-直流功率變換器，其特征在于，還包括位于所述第二路徑中的電流采樣電路，以在所述第一工作狀態(tài)時(shí)，采樣所述第二電流產(chǎn)生一反饋信號(hào)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的交流-直流功率變換器，其特征在于，所述第一儲(chǔ)能元件包括第一感性元件，所述第二儲(chǔ)能元件包括第二感性元件，所述第三儲(chǔ)能元件包括一容性元件。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的交流-直流功率變換器，其特征在于，還包括一控制和驅(qū)動(dòng)電路，用以根據(jù)接收到的所述反饋信號(hào)產(chǎn)生一驅(qū)動(dòng)信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)所述開(kāi)關(guān)管。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的交流-直流功率變換器，其特征在于，在第一工作狀態(tài)時(shí)，所述開(kāi)關(guān)管處于導(dǎo)通狀態(tài)；在第二工作狀態(tài)時(shí)，所述開(kāi)關(guān)管處于關(guān)斷狀態(tài)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的交流-直流功率變換器，其特征在于，所述第一儲(chǔ)能元件、所述第三儲(chǔ)能元件、所述第一路徑和所述第三路徑組成第一級(jí)功率級(jí)電路。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的交流-直流功率變換器，其特征在于，所述第二儲(chǔ)能元件、所述第二路徑和所述第四路徑組成第二級(jí)功率級(jí)電路。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的交流-直流功率變換器，其特征在于，所述第一級(jí)功率級(jí)電路為升壓型或者反激式或者升壓-降壓型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，所述第二級(jí)功率級(jí)電路為降壓型或者反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)或者升壓-降壓型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的交流-直流功率變換器，其特征在于，所述輸出電信號(hào)包括一恒定的輸出電流，用以驅(qū)動(dòng)LED負(fù)載。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種交流-直流功率變換器，包括第一儲(chǔ)能元件，第二儲(chǔ)能元件和第三儲(chǔ)能元件；其中，在第一工作狀態(tài)時(shí)，第一路徑接收所述正弦半波直流輸入電壓，并對(duì)所述第一儲(chǔ)能元件進(jìn)行儲(chǔ)能，流過(guò)所述第一儲(chǔ)能元件的第一電流連續(xù)上升；第二路徑接收第二直流電壓，并對(duì)所述第二儲(chǔ)能元件進(jìn)行儲(chǔ)能，流過(guò)所述第二儲(chǔ)能元件的第二電流持續(xù)上升；在第二工作狀態(tài)時(shí)，所述第一儲(chǔ)能元件通過(guò)第三路徑釋放能量至所述第三儲(chǔ)能元件，以在所述第二儲(chǔ)能元件上產(chǎn)生所述第二直流電壓，并且，所述第一電流連續(xù)下降；所述第二儲(chǔ)能元件通過(guò)第四路徑將能量釋放至一負(fù)載，并且保證所述交流-直流功率變換器的輸出電信號(hào)維持恒定，交流-直流功率變換器具有較高功率因數(shù)。
文檔編號(hào)H02M3/335GK103166449SQ20131007948
公開(kāi)日2013年6月19日 申請(qǐng)日期2013年3月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月31日
發(fā)明者鄧建, 李彬彬 申請(qǐng)人:矽力杰半導(dǎo)體技術(shù)(杭州)有限公司