CN102064721A - 一种消除工频纹波的ac/dc变换方法 - Google Patents

Abstract

本发明将AC/DC变换的总功率通道分离为主功率通道和辅功率通道。其中主功率通道是一个主功率变换单元，尽可能完成满足要求的主要功率传输，留下工频纹波低谷；辅功率通道将主功率变换单元不能由自身转移的多余能量直接或者通过一个储能变换单元转移给一个储能电容储能，再经由一个填谷变换单元将储能电容的储能适时地转移给由主功率变换单元留下工频纹波低谷，从而实现消除工频纹波的AC/DC变换。本发明显著减少了需要的储能电容容量，彻底消除了工频纹波，电路形式灵活，适应各种功率等级和控制方式，特别适合高功率因素、高可靠性、高功率密度、无电解电容的AC/DC变换，具有广阔的应用前景。

Description

一种消除工频纹波的AC/DC变换方法

【技术领域】

本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种消除工频纹波的AC/DC变换方法。

【背景技术】

目前，包括最简单的二极管整流电路以及较为复杂的无桥PFC变换在内的所有AD/DC变换，均采用在其直流输出侧并联大容量电容的无源滤波方式，以减少工频倍频纹波，给负载提供一个较为平稳的输出。

然而，现有技术存在以下问题：

一、大容量滤波电容只能减少工频纹波，并不能消除工频纹波。在对工频纹波有较高要求的场合，如果采用加大滤波电容容量的方法将迅速增加成本，如果采用后级功率变换调节的方法也将增加成本并降低效率。

二、由于大容量滤波电容储能很大，在开机瞬间可能引起较大的冲击电流，降低了可靠性；如果采用软启动电路，将增加成本、降低效率。

三、目前大容量滤波电容多采用电解电容，由于器件本身的原因，损耗很大，降低了效率；电解电容的耐温性能和耐冲击电流性能很差，是功率电子产品中最容易损坏的元件之一，降低了可靠性；电解电容的寿命较短，且随环境温度的升高迅速恶化，已经成为业界最头疼的问题之一。

由于以上原因，业内已经出现若干不使用大容量电解电容的方案，还有若干针对LED这样的特定负载的无电解电容的方案，但是这些方案要吗是牺牲了输入侧的PFC性能，要吗是牺牲了输出侧的纹波性能，或者将工频纹波以高频纹波的方式体现，有的方案确实在一定程度上减少了工频纹波，但是远没有消除，并没有使因交流电过零能量缺失所产生工频纹波低谷得到充分的补偿。

【发明内容】

本发明一种消除工频纹波的AC/DC变换方法是：在AC/DC变换总功率通道IN之后分离为两个功率通道：主功率通道和辅功率通道；其中主功率通道是一个主功率变换单元，辅功率通道依次为一个储能变换单元、一个储能电容和一个填谷变换单元；两个功率通道最后在总输出端OUT处汇合。

所述主功率变换单元实施尽量满足要求的控制、输出主要功率，在其输入侧留下功率富裕、输出侧留下工频纹波低谷；所述储能变换单元实施与所述主功率变换单元输入侧互补的功率控制、利用所述功率富裕给储能电容储能，所述填谷变换单元实施与所述主功率变换单元输出侧互补的功率控制、利用储能电容的释能填补所述工频纹波低谷；实现消除工频纹波的AC/DC变换。

由于本发明所述储能电容处于可控环境，与输出滤波完全分离，使得其储能和释能可以按照需要的工况运行。比如可以采用高压小容量电容储能，与常规滤波电容工况比较：一方面，由于电容储能与电压的平方成正比，电压的提高可以显著提高储能效能，大大减少了需要的电容容量；另一方面，储能电容的输出功率与电容的电压降直接有关，可以不像常规滤波电容那样受输出纹波波幅的限制，而是更大幅度地释放能量，显著提高了释能效能，进一步显著减少了需要的电容容量；同时，电容能量释放是受控的，由所述填谷变换单元根据纹波波谷位置和大小确定，避免了常规滤波电容那样在输出纹波的峰值后的下降沿不需要释能时就开始释能、待到谷底最需要释能时已经无法释能的不利工况，更进一步减少了需要的电容容量。事实上，采用本发明所述方法，所述储能电容的能量几乎是全部被利用到最需要的场合。本发明所述储能电容也可以采用与输出电压相同或不同电压等级的电解电容，所需容量大幅度减少并能消除工频纹波。并且，本发明所述储能电容也可以采用诸如超级法拉电容这样的储能元件，利用器件特性优势获得降低成本、改善性能的效果。

本发明所述主功率变换单元实施尽量满足要求的控制是指：在其输入侧要满足总传输功率的控制要求，必要时也应能够满足功率因素矫正(PFC)的控制要求，在其输出侧要满足输出电压或者电流控制要求。对所述主功率变换单元而言，要同时满足上述控制要求，一方面必然会产生不能由自身转移的功率富裕，这部分能量由辅功率通道转移到储能电容；另一方面也必然会在其输出侧产生因交流电过零能量缺失所形成的工频纹波低谷，这部分能量缺失由填谷变换单元用取自储能电容的能量予以填补。由于有总传输功率的控制要求，这两部分能量是平衡的，输出纹波低谷被充分填补。

本发明所述主功率变换单元实施尽量满足要求的控制还包括：在主功率变换单元和填谷变换单元同时向负载输出能量的情况下，要满足主辅控制要求，即以主功率变换单元为主、填谷功率单元为辅的功率分配控制策略。

本发明所述在AC/DC变换总功率通道IN之后分离为两个功率通道是指：主功率通道和辅功率通道可以在交流输入侧就开始分离，也可以是在不可控的二极管整流电路后以同压或者倍压的方式分离，还可以是在前级为一级可控的总功率变换单元的同一回路直流输出或者不同回路直流输出上再实施的分离。特别地，如果要满足PFC控制要求，有前级总功率变换单元时，前级总功率变换单元可以是一个PFC变换；如果没有前级总功率变换单元或者前级总功率变换单元不是一个PFC变换，则有两种选择：如果所述辅功率通道有一个储能变换单元，则该储能变换单元与主功率变换单元一起协调互补实现PFC控制要求；如果没有所述储能变换单元，则需要主功率变换单元具备一个与储能电容功率过程对应的PFC补偿控制策略，实现可能是不完全的PFC控制要求。

本发明一种消除工频纹波的AC/DC变换方法对其中各个功率变换单元的具体电路拓扑的依赖性较少，包括整流电路在内的各个功率变换单元可以根据其运行工况灵活地选择最适应的电路形式；既可以实现非隔离的输出，也能够实现隔离的输出；既可以是输出电流控制，也可以是输出电压控制。并且，包括各种PFC技术、无桥整流技术、交错控制技术、软开关技术、组合拓扑技术以及磁集成技术在内的当前电力电子领域最先进的技术均可能得到应用。在功率等级上也没有限制，不仅适用于LED驱动这样的小功率应用，也适用于其他功率等级的AC/DC变换。

相较于现有技术，本发明一种消除工频纹波的AC/DC变换方法显著减少了需要的储能电容的容量，充分补偿了因交流电过零能量缺失所形成的工频纹波低谷，彻底摆脱了AC/DC变换对工频纹波滤波的依赖，且电路形式灵活，适应各种功率等级和控制方式，使AC/DC变换不使用大容量电解电容成为可能，特别适合高功率因素、高可靠性、高功率密度、无电解电容的AC/DC变换，具有广阔的应用前景。

【附图说明】

图1是本发明一种消除工频纹波的AC/DC变换方法第一实施方式的结构示意图。

图2是本发明一种消除工频纹波的AC/DC变换方法第一实施方式的一种非隔离输出电路的结构示意图。

图3是本发明一种消除工频纹波的AC/DC变换方法第一实施方式的一种隔离输出电路的结构示意图。

图4是本发明一种消除工频纹波的AC/DC变换方法第二实施方式的结构示意图。

图5是本发明一种消除工频纹波的AC/DC变换方法第二实施方式的一种非隔离输出电路的结构示意图。

【具体实施方式】

下面结合附图和本发明的实施方式作进一步详细说明。

请参阅图1，是本发明一种消除工频纹波的AC/DC变换方法第一实施方式的结构示意图。

本实施方式在总功率通道IN之后分离为两个功率通道：主功率通道a和辅功率通道b，分别连接到主功率变换单元和储能变换单元，其中主功率变换单元的输出直接连接到总输出端OUT，储能变换单元的输出连接到储能电容后，再经由填谷变换单元连接到总输出端OUT。其中，a、b两个功率通道可以是从交流输入侧就开始分离的两个功率通道，也可以是在一个不可控的二极管整流电路后以同压或者其中一个以倍压的方式分离的两个功率通道。

为满足总传输功率的控制要求和PFC控制要求，首先要按照常规的方法通过输入端IN的电压和电流回馈以及输出端OUT的功率回馈形成一个总控制策略PFC，然后根据这个总控制策略PFC分别确定主功率变换单元的控制策略A和储能变换单元的控制策略B，基本关系为：A+B＝PFC。

其中，主功率变换单元的控制策略A一是要满足其输出功率控制不得超过总控制策略PFC，即A＜＝PFC；二是要有一个常规的输出端的回馈e，以满足输出电压或者电流控制要求；三是要满足与填谷变换单元之间的主辅控制要求，即A←C。

储能变换单元的控制策略B是一个与主功率变换单元的控制策略A互补控制策略，实现转移由总控制策略PFC确定的总传输功率中未能由主功率变换单元转移的功率的控制，即B＝PFC-A。此外，必要时可以有一个来自储能电容的电压回馈d，防止储能电容电压意外溢出。

填谷变换单元的控制策略C是一个常规的输出端的回馈c的控制策略，以满足输出电压或者电流控制要求；同时也要满足与主功率变换单元之间的主辅控制策略A←C。

所述控制策略中，主功率变换单元的控制策略A和储能变换单元的控制策略B有确定的互补关系，可以由若干逻辑电路和运算电路实现；主辅控制策略A←C可以简单地使主功率变换单元输出端回馈e的阀值稍微大于填谷变换单元输出端回馈c的阀值实现，也可以采用诸如滑模控制这样的更有利的控制策略。

由于所述主功率变换单元直接与输入端IN和输出端OUT连接，承担主要功率传输的仅有一级变换，因此本实施方式是高效率方式。本实施方式各部参考波形见图1。

请参阅图2，是本发明一种消除工频纹波的AC/DC变换方法第一实施方式的一种非隔离输出电路的结构示意图。

由输入端IN输入的交流电经由不可控的整流电路D整流后分为离两个功率通道，主功率通道连接到由电感L1、开关K1以及二极管D1组成的Buck-Boost主功率变换单元，其输出连接到总输出端OUT；辅功率通道连接到由电感L2、开关K2以及二极管D2组成的Boost储能变换单元。所述储能变换单元的输出端接有一储能电容C3，再连接到由开关K3、二极管D3以及电感L3组成的Buck填谷变换单元，所述填谷变换单元的输出连接到总输出端OUT。

以上各个变换单元应满足如图1所示本发明第一实施方式的控制策略，相关元件的运行参数由各自的运行工况确定。

输入滤波电容C1以及输出滤波电容C2只需按照高频纹波滤波要求设置，必要时可增加高频滤波电感与之配合。

对于本发明一种消除工频纹波的AC/DC变换方法的所有电路而言，储能电容C3的输入端就是其输出端，储能电容C3的另一端连接到符合填谷变换单元电路结构且更有利于储能的总输出端OUT的某一点上；储能电容C3需要的最小容量可按下式确定：

C＝Pt/(kFU²)

式中，Pt为需要的填谷功率，F为工频频率，U为储能电容上的最高储能电压，k为效能系数。效能系数k是一个小于1数，其大小与储能电容利用效能和填谷变换单元的效率有关。需要的填谷功率Pt在PFC控制条件下可以大致按照总输出功率的三分之一估计。

图2是本发明一种消除工频纹波的AC/DC变换方法第一实施方式的一种非隔离输出电路的结构，但不能认定这是其唯一的一种非隔离输出电路结构。

请参阅图3，是本发明一种消除工频纹波的AC/DC变换方法第一实施方式的一种隔离输出电路的结构示意图。

由输入端IN输入的交流电经由不可控的整流电路D整流后分离为两个功率通道，主功率通道连接到由开关K1、变压器B1以及二极管D1组成的反激式主功率变换单元，其输出连接到总输出端OUT；辅功率通道连接到由开关K2、变压器B2以及二极管D2组成的另一路反激式储能变换单元，其输出与储能电容C3连接，然后经由一个由开关K3、二极管D3以及电感L3组成的Buck填谷变换单元后，与总输出端OUT连接。C1、C2是高频纹波滤波电容。

以上各个变换单元应满足如图1所示本发明第一实施方式的控制策略，相关元件的运行参数由各自的运行工况确定。一个典型的应用实例是：用1只1uF1000V的储能电容，即可支撑一个150W左右、高功率因素、无电解电容、无工频纹波、输出电流控制的LED路灯驱动电源。

图3是本发明一种消除工频纹波的AC/DC变换方法第一实施方式的一种隔离输出电路的结构，但不能认定这是其唯一的一种隔离输出电路结构。

请参阅图4，是本发明一种消除工频纹波的AC/DC变换方法第二实施方式的结构示意图。

在本实施方式中，PFC变换单元是一个包括了总功率控制在内的常规PFC变换单元，可以是无桥的、软的、交错的甚至隔离的PFC变换单元，其控制策略PFC也是常规的、通过输入端IN的电压和电流回馈以及输出端OUT的功率回馈形成的。与常规PFC变换不同的有两点：一点是在辅功率通道b上增加了一个防止储能电容电压溢出的保护控制回馈d，如果所述PFC变换单元能够确保在任何情况储能电容下没有电压溢出，该回馈d可以取消；另一点是该PFC变换的输出侧被分离为a、b两个功率通道，以便以两种最适宜的电压等级被分别连接到主功率变换单元和储能电容，如果主功率变换单元的输入电压采用与储能电容相同的电压等级，则该PFC变换单元的两路输出也可以是同一路输出的两个单向传输支路。

所述主功率变换单元和填谷功率变换单元分别实施满足输出电压或者电流控制要求的控制策略A和C，并满足一个主辅控制策略A←C的控制。

本实施方式没有储能变换单元；是两级变换；各部参考波形见图4。

请参阅图5，是本发明一种消除工频纹波的AC/DC变换方法第二实施方式的一种非隔离输出电路的结构示意图。

由耦合电感L和L2、开关K、二极管D和D2组成的Boost总功率变换单元可以是PFC控制的，分别通过二极管D和D2将输出功率分离为两两个单向传输支路。由二极管D分离出的主功率通道连接到由K1、D1和L1组成的Buck主功率变换单元，其输出与总输出端OUT相连；由二极管D2分离出的辅功率通道连接到储能电容C3，再经过由K3、D3和L3组成的Buck填谷变换单元连接到总输出端OUT。

以上各个变换单元应满足如图4所示本发明第二实施方式的控制策略，相关元件的运行参数由各自的运行工况确定。其中，C2是高频纹波滤波电容；C1是总功率变换单元和主功率变换单元之间的拓扑衔接电容，适当的电容容量才能保证两个电压型拓扑之间的动作协调。

图5是本发明一种消除工频纹波的AC/DC变换方法第二实施方式的一种非隔离输出电路的结构，但不能认定这是其唯一的一种非隔离输出电路结构。也不能认定第二实施方式不能有隔离输出的电路结构。

图1和图4是本发明一种消除工频纹波的AC/DC变换方法的两种实施方式的结构，但不能认定本发明仅限于这两种实施方式的结构。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种消除工频纹波的AC/DC变换方法，其特征在于：在AC/DC变换总功率通道IN之后分离为两个功率通道：主功率通道和辅功率通道；其中主功率通道是一个主功率变换单元，辅功率通道依次为一个储能变换单元、一个储能电容和一个填谷变换单元；两个功率通道最后在总输出端OUT处汇合。

2.根据权利要求1所述的一种消除工频纹波的AC/DC变换方法，其特征在于：所述总功率通道是一个总功率变换单元，所述总功率变换单元至少是一个整流单元、至少有一个直流输出回路，所述主功率通道和辅功率通道在所述直流输出回路上实施分离。

3.根据权利要求2所述的一种消除工频纹波的AC/DC变换方法，其特征在于：所述辅功率通道上没有所述储能变换单元，储能电容需要的储能功率由所述总功率变换单元的所述直流输出回路提供。

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