CN104617794A - 开关电源及整流电路 - Google Patents

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CN104617794A CN201510081181.XA CN201510081181A CN104617794A CN 104617794 A CN104617794 A CN 104617794A CN 201510081181 A CN201510081181 A CN 201510081181A CN 104617794 A CN104617794 A CN 104617794A
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Abstract

本发明公开了一种开关电源及整流电路，该整流电路包括：分别具有体内等效二极管或反并联二极管的第一、二、三和四可控开关管；第一、二采样比较模块，分别用于对交流电源的正、负半周电压进行采样，并将交流电源的正半周的采样电压与基准电压值进行比较；第一驱动模块，用于在交流电源的正半周的采样电压小于基准电压值时，控制第二和三可控开关管关断，在大于等于基准电压值时，控制第二和三可控开关管开通；第二驱动模块，用于在交流电源的负半周的采样电压小于基准电压值时，控制第一和四可控开关管关断，在大于等于基准电压值时，控制第一和四可控开关管开通。实施本发明的技术方案，可提高交流电源的转换效率，而且，控制方式简单。

Description

开关电源及整流电路
技术领域
本发明涉及电压转换领域，尤其涉及一种开关电源及整流电路。
背景技术
随着科技的发展，用电设备的功率需求逐步增大，单个开关电源的输出功率也在迅猛增长，转换效率要求越来越高。
如图1所示，二极管整流桥作为一种功率元器件，实现把输入的交流电压转化为输出的直流电压，可应用于各种具备AC整流设备。但是，由于二极管整流桥的PN结压降大，直接影响电源的转换效率。为提高电源的转换效率，人们首先想到的便是用MOS管来替代PN结二极管桥堆，但为防止桥臂直通问题，控制方式往往过于复杂，缺乏实用性和商用性。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述转换效率低或控制方式复杂的缺陷，提供一种开关电源及整流电路，转换效率高且控制方式简单。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种整流电路，包括：
分别具有体内等效二极管或反并联二极管的第一可控开关管、第二可控开关管、第三可控开关管和第四可控开关管，而且，第一可控开关管的第二端与第二可控开关管的第一端分别接交流电源的第一端，第三可控开关管的第二端与第四可控开关管的第一端分别接交流电源的第二端，第二可控开关管的第二端与第四可控开关管的第二端为整流电路的第一输出端，第一可控开关管的第一端与第三可控开关管的第一端为整流电路的第二输出端；
第一采样比较模块，用于对交流电源的正半周电压进行采样，并将交流电源的正半周的采样电压与基准电压值进行比较；
第二采样比较模块，用于对交流电源的负半周电压进行采样，并将交流电源的负半周的采样电压与基准电压值进行比较；
第一驱动模块，用于在交流电源的正半周的采样电压小于基准电压值时，控制第二可控开关管和第三可控开关管关断，在交流电源的正半周的采样电压大于等于基准电压值时，控制第二可控开关管和第三可控开关管开通；
第二驱动模块，用于在交流电源的负半周的采样电压小于基准电压值时，控制第一可控开关管和第四可控开关管关断，在交流电源的负半周的采样电压大于等于基准电压值时，控制第一可控开关管和第四可控开关管开通。
在本发明所述的整流电路中，所述第一可控开关管、第二可控开关管、第三可控开关管和第四可控开关管分别为三极管、MOS管、晶闸管。
在本发明所述的整流电路中，所述第一驱动模块、第二驱动模块分别为半桥驱动芯片。
在本发明所述的整流电路中，所述第一驱动模块、第二驱动模块分别为自举电路。
在本发明所述的整流电路中，所述第一采样比较模块包括第一电阻、第三电阻和第一比较器，其中，第一电阻的第一端连接交流电源的第一端，第一电阻的第二端通过第三电阻接地，第一比较器的同相输入端接第一电阻的第二端，第一比较器的反相输入端接基准电压，第一比较器的输出端分别接所述第一驱动模块的第一控制端和所述第二驱动模块的第二控制端；
所述第二采样比较模块包括第六电阻、第五电阻和第二比较器，其中，第六电阻的第一端连接交流电源的第二端，第六电阻的第二端通过第五电阻接地，第二比较器的同相输入端接第六电阻的第二端，第二比较器的反相输入端接基准电压，第二比较器的输出端分别接所述第二驱动模块的第一控制端和所述第一驱动模块的第二控制端。
在本发明所述的整流电路中，所述第一采样比较模块还包括第一二极管，所述第一二极管的正极连接交流电源的第一端，所述第一二极管的负极连接第一电阻的第一端；
所述第二采样比较模块还包括第二二极管，所述第二二极管的正极连接交流电源的第二端，所述第二二极管的负极连接第六电阻的第一端。
本发明还构造一种开关电源，包括以上所述的整流电路。
在本发明所述的开关电源中，还包括与所述整流电路相连的PFC电路。
在本发明所述的开关电源中，所述PFC电路包括储能电感、第五可控开关管、第四整流二极管、电解电容，其中，所述储能电感的第一端连接所述整流电路的第一输出端，所述储能电感的第二端分别连接第五可控开关管的第一端及第四整流二极管的正极，第四整流二极管的负极接所述电解电容的正端，所述第五可控开关管的第二端及所述电解电容的负端分别接地。
实施本发明的技术方案，在使用该整流电路对交流电源的电压进行整流时，在交流电源的低压段，由分别与第一可控开关管、第二可控开关管、第三可控开关管、第四可控开关管反并联的二极管，或者，由第一可控开关管、第二可控开关管、第三可控开关管、第四可控开关管的体内等效二极管组成的桥堆对交流电压进行整流；而在交流电源的高压段由第一可控开关管、第二可控开关管、第三可控开关管、第四可控开关管对交流电压进行整流，因此，可减小由于二极管整流桥的PN结对交流电源转换效率的影响，而且，可保证可控开关管的导通整流时间，防止桥臂直通的发生，从而使得可控开关管的控制方式简单。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是现有技术中开关电源的电路图；
图2是本发明整流电路实施例一的逻辑图；
图3是本发明开关电源实施例一的电路图；
图4是使用图3所示的开关电源对交流电压进行整流的测试波形图。
具体实施方式
图2是本发明整流电路实施例一的逻辑图，该整流电路包括有：第一可控开关管Q1、第二可控开关管Q2、第三可控开关管Q3、第四可控开关管Q4、第一采样比较模块11、第二采样比较模块12、第一驱动模块21和第二驱动模块22。其中，第一可控开关管Q1、第二可控开关管Q2、第三可控开关管Q3、第四可控开关管Q4均反并联有二极管(未示出)，或者，第一可控开关管Q1、第二可控开关管Q2、第三可控开关管Q3、第四可控开关管Q4均具有体内等效二极管，而且，第一可控开关管Q1的第二端与第二可控开关管Q2的第一端分别接交流电源的第一端(Live)，第三可控开关管Q3的第二端与第四可控开关管Q4的第一端分别接交流电源的第二端(Neutral)，第二可控开关管Q2的第二端与第四可控开关管Q4的第二端为整流电路的第一输出端，第一可控开关管Q1的第一端与第三可控开关管Q3的第一端为整流电路的第二输出端。另外，第一采样比较模块11用于对交流电源的正半周电压进行采样，并将交流电源的正半周的采样电压与基准电压值进行比较；第二采样比较模块12用于对交流电源的负半周电压进行采样，并将交流电源的负半周的采样电压与基准电压值进行比较。第一驱动模块21用于在交流电源的正半周的采样电压小于基准电压值时，控制第二可控开关管Q2和第三可控开关管Q3关断，在交流电源的正半周的采样电压大于等于基准电压值时，控制第二可控开关管Q2和第三可控开关管Q3开通；第二驱动模块22用于在交流电源的负半周的采样电压小于基准电压值时，控制第一可控开关管Q1和第四可控开关管Q4关断，在交流电源的负半周的采样电压大于等于基准电压值时，控制第一可控开关管Q1和第四可控开关管Q4开通。
下面介绍该整流电路的工作原理：当交流电源上电后，当该交流电源的第一端(Live)为高，其第二端(Neutral)为低时，即，在交流电源的正半周时，第一采样比较模块11对交流电源的正半周电压进行采样，并将交流电源的正半周的采样电压与基准电压值进行比较。当交流电源的瞬时电压较低时，交流电源的正半周的采样电压小于基准电压值，第一驱动模块21控制第二可控开关管Q2和第三可控开关管Q3关断，此时由分别与第二可控开关管Q2和第三可控开关管Q3反并联的二极管，或者，由第二可控开关管Q2、第三可控开关管Q3的体内等效二极管对交流电源的正半周电压进行整流。当交流电源的瞬时电压较高时，交流电源的正半周的采样电压大于等于基准电压值，第一驱动模块21控制第二可控开关管Q2和第三可控开关管Q3开通，此时，由第二可控开关管Q2和第三可控开关管Q3对交流电源的正半周电压进行整流。
同样地，当该交流电源的第一端(Live)为低，其第二端(Neutral)为高时，即，在交流电源的负半周时，第二采样比较模块12对交流电源的负半周电压进行采样，并将交流电源的负半周的采样电压与基准电压值进行比较。当交流电源的瞬时电压较低时，交流电源的负半周的采样电压小于基准电压值，第二驱动模块22控制第一可控开关管Q1和第四可控开关管Q4关断，此时由分别与第一可控开关管Q1和第四可控开关管Q4反并联的二极管，或者，由第一可控开关管Q1、第四可控开关管Q4的体内等效二极管对交流电源的负半周电压进行整流。当交流电源的瞬时电压较高时，交流电源的负半周的采样电压大于等于基准电压值，第二驱动模块22控制第一可控开关管Q1和第四可控开关管Q4开通，此时，由第一可控开关管Q2和第四可控开关管Q4对交流电源的负半周电压进行整流。
在使用该整流电路对交流电源的电压进行整流时，在交流电源的低压段，由分别与第一可控开关管Q1、第二可控开关管Q2、第三可控开关管Q3、第四可控开关管Q4反并联的二极管，或者，由第一可控开关管Q1、第二可控开关管Q2、第三可控开关管Q3、第四可控开关管Q4的体内等效二极管组成的桥堆对交流电压进行整流；而在交流电源的高压段，由第一可控开关管Q1、第二可控开关管Q2、第三可控开关管Q3、第四可控开关管Q4对交流电压进行整流，因此，可减小由于二极管整流桥的PN结对交流电源转换效率的影响，而且，可保证可控开关管的导通整流时间，防止桥臂直通的发生，从而使得可控开关管的控制方式简单。
在上述实施例中，第一可控开关管Q1、第二可控开关管Q2、第三可控开关管Q3、第四可控开关管Q4可分别为三极管、MOS管、晶闸管，优选为MOS管。另外，第一驱动模块21和第二驱动模块22可分别为半桥驱动芯片，也可分别为自举电路。
图3是本发明开关电源实施例一的电路图，该开关电源包括整流电路和PFC电路。
在整流电路中，第一MOS管Q1、第二MOS管Q2、第三MOS管Q3和第四MOS管Q4均反并联有二极管，而且，第一MOS管Q1的源极与第二MOS管Q2的漏极分别接交流电源的第一端(Live)，第三MOS管Q3的源极与第四MOS管Q4的漏极分别接交流电源的第二端(Neutral)，第二MOS管的源极与第四MOS管的源极为整流电路的第一输出端，第一MOS管的漏极与第三MOS管的漏极为整流电路的第二输出端。另外，第一驱动模块、第二驱动模块分别选用半桥驱动芯片U2、U3。
在整流电路中，第一采样比较模块包括有：第一二极管D1、第一电阻R1、第三电阻R3和第一比较器U1A，其中，第一二极管D1的正极连接交流电源的第一端(Live)，第一二极管D1的负极连接第一电阻R1的第一端，第一电阻R1的第二端通过第三电阻R3接地，第一比较器U1A的同相输入端接第一电阻R1的第二端，第一比较器U1A的反相输入端接基准电压(0.3Vef)，第一比较器U1A的输出端分别接半桥驱动芯片U2的第一控制端(IN_HI)和半桥驱动芯片U3的第二控制端(IN_LO)。第二采样比较模块包括有：第七二极管D7、第六电阻R6、第五电阻R5和第二比较器U1B，其中，第七二极管D7的正极连接交流电源的第二端(Neutral)，第七二极管D7的负极接第六电阻R6的第一端，第六电阻R6的第二端通过第五电阻R5接地，第二比较器U1B的同相输入端接第六电阻R6的第二端，第二比较器U1B的反相输入端接基准电压，第二比较器U1B的输出端分别接半桥驱动芯片U3的第一控制端(IN_HI)和半桥驱动芯片U2的第二控制端(IN_LO)。
在PFC电路中，第五可控开关管为MOS管Q5，而且，储能电感L1的第一端连接整流电路的第一输出端，整流电路的第二输出端接地，储能电感L1的第二端分别连接第五MOS管Q5的漏极及第四整流二极管D4的正极，第四整流二极管D4的负极接电解电容C2的正端，第五MOS管Q5的源极及电解电容C2的负端分别接地。
另外，半桥驱动芯片U2、U3的电源端分别连接电解电容C2的正端，半桥驱动芯片U2、U3的接地端分别连接整流电路的第二输出端。
下面说明该开关电源的工作原理：第一MOS管Q1、第二MOS管Q2、第三MOS管Q3、第四MOS管Q4分别是低导通阻抗的高压MOS管，其分别用来替代堆桥中的4个PN结二极管。当交流电源首次上电时，交流电源的首次整流由分别与第一MOS管Q1、第二MOS管Q2、第三MOS管Q3、第四MOS管Q4反并联的二极管来实现对电解电容C2的充电。
电解电容C2充电后将启动交流电源内部辅助电源的工作，得到12V的直流电压(12Vcc)，从而为第一比较器U1A、第二比较器U1B、半桥驱动芯片U2、U3提供的供电电压。
第一二极管D1、第一电阻R1、第三电阻R3用来对交流电源的第一端输入的电压信号进行分压采样，第七二极管D7、第六电阻R6、第五电阻R5用来对交流电源的第二端输入的电压信号进行分压采样。例如分压比值R1/R3＝R6/R5＝100。
假设当交流电源的第一端(Live)的电压为高，第二端(Neutral)的电压为低时，通过第一二极管D1、第一电阻R1、第三电阻R3对交流电源的半正周电压进行分压采样。当在交流电源的低压段时，交流电源的正半周的采样电压低于基准电压0.3V，第一比较器U1A的输出端所输出的信号(L_Driver)为低电平。同时，因为此时的交流电源的第二端(Neutral)为低电压状态，第二比较器U1B的输出端所输出的信号(N_Driver)一直保持低电平状态。此时，由于第一比较器U1A和第二比较器U1B的输出端所输出的信号(L_Driver和N_Driver)都是低电平，所以这两个信号被送到半桥驱动芯片U2、U3后，半桥驱动芯片U2、U3的第一驱动端(Dri_HI)和第二驱动端(Dri_LO)都输出低电平，第一MOS管Q1、第二MOS管Q2、第三MOS管Q3和第四MOS管Q4都是处于关断状态，此时仍依靠分别与这四个MOS管反并联的二极管实现整流。
当在交流电源的高压段时，交流电源的正半周的采样电压大于等于基准电压0.3V，第一比较器U1A的输出端所输出的信号(L_Driver)为高电平。同时，因为此时的交流电源的第二端(Neutral)为低电压状态，第二比较器U1B的输出端所输出的信号(N_Driver)一直保持低电平状态。此时，因为第一比较器U1A所输出的信号(L_Driver)是高电平，第二比较器U1B所输出的信号(N_Driver)是低电平，所以这两个信号被送到半桥驱动芯片U2、U3后，半桥驱动芯片U2的第一驱动端(Dri_HI)将输出高电平，其第二驱动端(Dri_LO)将输出低电平，从而使得第二MOS管Q2开通，第一MOS管Q1关断。同时，半桥驱动芯片U3的第一驱动端(Dri_HI)将输出低电平，其第二驱动端(Dri_LO)将输出高电平，从而使得第三MOS管Q3开通，第四MOS管Q4关断，此时由第二MOS管Q2和第三MOS管Q3实现对交流电源的第一端所输入的高压段电压进行整流。
假设当交流电源的第二端(Neutral)的电压为高，第一端(Live)的电压为低时，通过第七二极管D7、第六电阻R6、第五电阻R5对交流电源的负正周电压进行分压采样。当在交流电源的低压段时，交流电源的负半周的采样电压低于基准电压0.3V，第二比较器U1B的输出端所输出的信号(N_Driver)为低电平。同时，因为此时的交流电源的第一端(Live)为低电压状态，第一比较器U1A的输出端所输出的信号(L_Driver)一直保持低电平状态。此时，由于第一比较器U1A和第二比较器U1B的输出端所输出的信号(L_Driver和N_Driver)都是低电平，所以这两个信号被送到半桥驱动芯片U2、U3后，半桥驱动芯片U2、U3的第一驱动端(Dri_HI)和第二驱动端(Dri_LO)都输出低电平，第一MOS管Q1、第二MOS管Q2、第三MOS管Q3和第四MOS管Q4都是处于关断状态，此时仍依靠分别与这四个MOS管反并联的二极管实现整流。
当在交流电源的高压段时，交流电源的负半周的采样电压大于等于基准电压0.3V，第二比较器U1B的输出端所输出的信号(N_Driver)为高电平。同时，因为此时的交流电源的第一端为低电压状态，第一比较器U1A的输出端所输出的信号(L_Driver)一直保持低电平状态。此时，因为第二比较器U1B所输出的信号(N_Driver)是高电平，第一比较器U1A所输出的信号(L_Driver)是低电平，所以这两个信号被送到半桥驱动芯片U2、U3后，半桥驱动芯片U2的第一驱动端(Dri_HI)将输出低电平，其第二驱动端(Dri_LO)将输出高电平，从而使得第一MOS管Q1开通，第二MOS管Q2关断。同时，半桥驱动芯片U3的第一驱动端(Dri_HI)将输出高电平，其第二驱动端(Dri_LO)将输出低电平，从而使得第四MOS管Q4开通，第三MOS管Q3关断，此时由第一MOS管Q1和第四MOS管Q4实现对交流电源的第二输入端所输入的高压段电压进行整流。
如图4所示的测试波形，控制第一MOS管Q1(第四MOS管Q4)的驱动信号与控制第二MOS管Q2(第三MOS管Q3)的驱动信号之间的死区时间只有520uS，有效地避免桥臂直通的发生，最大化提高了电源的转换效率。
以下表格是在同一规格开关电源上对两种不同整流方式的效率对比测试结果：
从结果可以看出，在原始传统PN结桥堆二极管整流方案中，PN结的压降导致损耗大，直接影响电源转换效率，浪费了能量，增加了开关电源的使用成本，很大程度上降低了开关电源产品的竞争实力与性能。而在本发明简易高效无桥整流方案中，控制简单，在较低成本的增加条件下实现了电源转换效率的提升，尤其在低压输入小载输出时表现更为明显，是一项值得为节能减耗推行的新技术。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (9)

1.一种整流电路，其特征在于，包括：
分别具有体内等效二极管或反并联二极管的第一可控开关管、第二可控开关管、第三可控开关管和第四可控开关管，而且，第一可控开关管的第二端与第二可控开关管的第一端分别接交流电源的第一端，第三可控开关管的第二端与第四可控开关管的第一端分别接交流电源的第二端，第二可控开关管的第二端与第四可控开关管的第二端为整流电路的第一输出端，第一可控开关管的第一端与第三可控开关管的第一端为整流电路的第二输出端；
第一采样比较模块，用于对交流电源的正半周电压进行采样，并将交流电源的正半周的采样电压与基准电压值进行比较；
第二采样比较模块，用于对交流电源的负半周电压进行采样，并将交流电源的负半周的采样电压与基准电压值进行比较；
第一驱动模块，用于在交流电源的正半周的采样电压小于基准电压值时，控制第二可控开关管和第三可控开关管关断，在交流电源的正半周的采样电压大于等于基准电压值时，控制第二可控开关管和第三可控开关管开通；
第二驱动模块，用于在交流电源的负半周的采样电压小于基准电压值时，控制第一可控开关管和第四可控开关管关断，在交流电源的负半周的采样电压大于等于基准电压值时，控制第一可控开关管和第四可控开关管开通。
2.根据权利要求1所述的整流电路，其特征在于，所述第一可控开关管、第二可控开关管、第三可控开关管和第四可控开关管分别为三极管、MOS管、晶闸管。
3.根据权利要求1所述的整流电路，其特征在于，所述第一驱动模块、第二驱动模块分别为半桥驱动芯片。
4.根据权利要求1所述的整流电路，其特征在于，所述第一驱动模块、第二驱动模块分别为自举电路。
5.根据权利要求1所述的整流电路，其特征在于，所述第一采样比较模块包括第一电阻(R1)、第三电阻(R3)和第一比较器(U1A)，其中，第一电阻(R1)的第一端连接交流电源的第一端，第一电阻(R1)的第二端通过第三电阻(R3)接地，第一比较器(U1A)的同相输入端接第一电阻(R1)的第二端，第一比较器(U1A)的反相输入端接基准电压，第一比较器(U1A)的输出端分别接所述第一驱动模块的第一控制端和所述第二驱动模块的第二控制端；
所述第二采样比较模块包括第六电阻(R6)、第五电阻(R5)和第二比较器(U1B)，其中，第六电阻(R6)的第一端连接交流电源的第二端，第六电阻(R6)的第二端通过第五电阻(R5)接地，第二比较器(U1B)的同相输入端接第六电阻(R6)的第二端，第二比较器(U1B)的反相输入端接基准电压，第二比较器(U1B)的输出端分别接所述第二驱动模块的第一控制端和所述第一驱动模块的第二控制端。
6.根据权利要求5所述的整流电路，其特征在于，所述第一采样比较模块还包括第一二极管(D1)，所述第一二极管(D1)的正极连接交流电源的第一端，所述第一二极管(D1)的负极连接第一电阻(R1)的第一端；
所述第二采样比较模块还包括第二二极管(D7)，所述第二二极管(D7)的正极连接交流电源的第二端，所述第二二极管(D7)的负极连接第六电阻(R6)的第一端。
7.一种开关电源，其特征在于，包括权利要求1-6所述的整流电路。
8.根据权利要求7所述的开关电源，其特征在于，还包括与所述整流电路相连的PFC电路。
9.根据权利要求8所述的开关电源，其特征在于，所述PFC电路包括储能电感(L1)、第五可控开关管(Q5)、第四整流二极管(D4)、电解电容(C2)，其中，所述储能电感(L1)的第一端连接所述整流电路的第一输出端，所述储能电感(L1)的第二端分别连接第五可控开关管(Q5)的第一端及第四整流二极管(D4)的正极，第四整流二极管(D4)的负极接所述电解电容(C2)的正端，所述第五可控开关管(Q5)的第二端及所述电解电容(C2)的负端分别接地。
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