CN107612305A - 前置准z源提升开关电源电功效率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了前置准Z源提升开关电源电功效率的方法，在开关电源的直流输入电源正端同时连接二极管D_IN的负极和电感L的一端，二极管D_IN的正极连接电容C_IN一端，电容C_IN另一端连接电感L另一端，由电感L、二极管D_IN和电容C_IN构成准Z源，电感L和电容C_IN串联谐振于输入电流纹波中一个特定谐波频率，将该谐波能量转化为电容C_IN的电压注入开关电源内部的母线，提升母线电压。本发明方法实现输入电流纹波或浪涌的能量的回收利用于提升开关电源内部母线电压和提供开关电源内部弱电控制器供电电源，压抑输入电流的纹波系数，提升开关电源整体电功效率。

Description

前置准Z源提升开关电源电功效率的方法

技术领域

本发明属于开关电源技术领域，特别涉及前置准Z源提升开关电源电功效率的方法。

背景技术

随着电力电子技术的迅猛发展，开关电源广泛应用于航空、航天、航海等国防领域和电力***，交通运输、邮电通信、工业控制等民用领域。特别是随着石油、煤和天然气等主要能源日益紧张，新能源的开发和利用越来越受到人们的重视。利用新能源的关键技术——开关电源，能将蓄电池、太阳能电池和燃料电池等其他新能源转化的直流电能变换成交流电能与电网并网发电。因此，开关电源技术在新能源的开发和利用领域有着至关重要的地位。

现阶段技术中，常用开关电源必然产生纹波，而纹波的产生必然产生不可回收的纹波损耗。目前对于电流纹波多直接使用LCL滤波器滤掉的方法，不对其加以利用回收；另外，开关电源中多采用增加一个电源模块的方法，为控制器MCU供电，导致效率不高。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种前置准Z源提升开关电源电功效率的方法，实现输入电流纹波或浪涌的能量的回收利用于提升开关电源内部母线电压和提供开关电源内部弱电控制器供电电源，压抑输入电流的纹波系数，提升开关电源整体电功效率。

本发明采用如下技术方案解决上述技术问题：

前置准Z源提升开关电源电功效率的方法，在开关电源的直流输入电源正端同时连接二极管D_IN的负极和电感L的一端，二极管D_IN的正极连接电容C_IN一端，电容C_IN另一端连接电感L另一端，由电感L、二极管D_IN和电容C_IN构成准Z源，电感L和电容C_IN串联谐振于输入电流纹波中一个特定谐波频率，将该谐波能量转化为电容C_IN的电压注入开关电源内部的母线，提升母线电压。

还包括在开关电源的直流输入电源负端和接地端GND之间串接电源互感器AM初级绕组N1，电源互感器AM初级绕组N1的电磁能量耦合到次级绕组N2，次级绕组N2的电感加上电感L_f0的总电感分别和电容C_V1、电容C_V2形成两个串联谐振回路：第一串联谐振回路电流由次级绕组N2异名端依次经电感L_f0、电容C_V1、二极管D_V1的正极到负极，回到次级绕组N2的同名端；第二串联谐振回路电流由次级绕组N2同名端依次经二极管D_V2的正极到负极、电容C_V2、电感L_f0回到次级绕组N2的同名端；二极管D_V1的正极连接接地端GND；上述两个串联谐振回路分别发生串联谐振得到电容C_V1和电容C_V2电压之和的直流电，经过齐纳二极管DZ稳压后作为工作电压提供给开关电源内部的控制器MUC。

采用的电路拓扑还包括强电工作回路和控制器MCU的启动供电电路；

所述强电工作回路分为输出电流正半波回路和输出电流负半波回路：

输出电流正半波回路：电流从直流输入电源V_IN的正端流出，依次流经电感L、电力电子开关Q1漏极和源极、电感L_f1、电感L_f2、负载R0、电感L_f3、电感L_f4、电力电子开关Q3漏极和源极、电源互感器AM的初级绕组N1的同名端到异名端，回到直流输入电源V_IN的负端；

输出电流负半波回路：电流从直流输入电源V_IN的正端流出，依次流经电感L、电力电子开关Q2源极和漏极、电感L_f4、电感L_f3、负载R0、电感L_f2、电感L_f1、电力电子开关Q4源极和漏极、电源互感器AM初级绕组N1的同名端到异名端，回到直流输入电源V_IN的负端；

所述电力电子开关Q1、电力电子开关Q2、电力电子开关Q3、电力电子开关Q4均为MOSFET管；电力电子开关Q1、电力电子开关Q2、电力电子开关Q3和电力电子开关Q4的栅极分别对应连接控制器MCU的I/O接口P1、P2、P3和P4；控制器MCU工作于PWM波调控占空比方式，分别输出同极性的PWM波PWM2和PWM4，以及反极性的PWM波PWM1和PWM3，对应调控电力电子开关Q2、电力电子开关Q4、电力电子开关Q1、电力电子开关Q3的占空比；

所述控制器MCU的启动供电电路为：

在控制器MCU启动之前，由开关电源内部母线电压，经电阻R_V与电阻R_V1分压得电压V_F，电压V_F由二极管D5经电阻R_V0隔离后作为启动电压，再经电阻R_B，由齐纳二极管DZ稳压得到稳定电压V_Z给控制器MCU供电，控制器MCU启动。

所述电感L_f1、电感L_f2、电感L_f3和电感L_f4，分别与电容C₁、电容C₂、电容C₃、电容C₄以及电容C_f1、电容C_f2、电容C_f3、电容C_f4形成多个串联谐振回路，分别调谐于输入电流不同的谐波频率，分别把谐波能量反馈给开关电源内部母线，具体电路拓为：所述电力电子开关Q1的源极和漏极之间并联电容C₁、电力电子开关Q2的源极和漏极之间并联电容C₂、电力电子开关Q3的源极和漏极之间并联电容C₃、电力电子开关Q4的源极和漏极之间并联电容C₄；电容C_f1连接在开关电源内部母线与电感L_f1和电感L_f2的公共连接点之间，电容C_f2连接在电感L_f1和电感L_f2的公共连接点与接地端GND之间，电容C_f3连接在电感L_f3和电感L_f4的公共连接点与接地端GND之间，电容C_f4连接在开关电源内部母线与电感L_f3和电感L_f4的公共连接点之间；电容C_f1、电容C_f2、电容和电容C_f4，每个电容两端反向并联一个二极管。

还包括负载电流反馈电路和母线电压监控负电压反馈电路，

负载电流反馈电路：将直流输入电源V_IN的负端与电流互感器AM的初级绕组N1的异名端的公共连接点作为反馈点连接到控制器MCU的取样接口rs1；

母线电压监控负电压反馈电路：开关电源内部母线串接电阻R_V与电阻R_V1后连接接地端GND，电阻R_V与电阻R_V1的公共连接点依次连接电阻R_F和电阻R1再接接地端GND；电阻R_F和电阻R1的公共连接点连接控制器MCU的取样接口rs2。

本发明的优点在于：

(1)开关电源输入电流的浪涌或者纹波必然存在，现有技术通常用LCL滤波器抑制，不但增加成本且会增加损耗，降低开关电源整体的电功效率。而本发明使用前置准Z源的方法，把输入电流纹波或浪涌的能量转化直流能量，提升开关电源内部母线电压，压抑输入电流的纹波系数，在相同输出功率的前提下，降低开关电流，使热损耗降低，提升开关电源整体电功效率。

(2)本发明根据损耗与电流平方成正比，电功效率与电流平方成反比，采用“交流电流互感器”原理，拾取输入电流纹波或浪涌的能量作为该开关电源的弱电控制器供电电源，提升开关电源整体的电功效率。

附图说明

图1是本发明方法的电路拓扑图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明具体实施方式作详细说明，但不构成对本发明权利要求保护范围的限制。

传统开关电源一般需要另外加一个单片IC开关电源，用于弱电控制芯片的电源VDD。不但增加了成本，也增大了损率损耗。本发明方法利用谐振原理，回收输入电流THD％31次谐波中能量较大的较具有回收价值的六个谐波频率的能量，转化为直流能量；利用品质因数Q增加无源电压放大倍数。

如图1所示，以流经负载R0的电流从左往右为正方向，强电工作时电流回路为：

(1)正半波时，电流从输入电源V_IN的正端流出，依次流经电感L、电力电子开关Q1漏极和源极、电感L_f1、电感L_f2、负载R0、电感L_f3、电感L_f4、电力电子开关Q3漏极和源极、电源互感器AM的初级绕组N1的同名端到异名端，回到输入电源V_IN的负端。

(2)负半波时，电流从输入电源V_IN的正端流出，依次流经电感L、电力电子开关Q2源极和漏极、电感L_f4、电感L_f3、负载R0、电感L_f2、电感L_f1、电力电子开关Q4源极和漏极、电源互感器AM初级绕组N1的同名端到异名端，回到输入电源V_IN的负端。

在电感L连接输入电源V_IN的正端的公共连接点连接二极管D_IN的负极，二极管D_IN的正极连接电容C_IN一端，电容C_IN另一端连接电感L另一端。由电感L、二极管D_IN和电容C_IN构成准Z源。准Z源作用在于LC谐振于某一个特定的频率，其目的在于回收输入电流THD％中能量最大的谐波能量。其最后表现为，电容C_IN和电感L公共连接点处的能量，由于LC谐振后，比输入电源V_IN的正端能量高，则提升了母线电压，从而提高电功效率。至于电容C_IN和电感L公共连接点之后的电流流向，可认为是强电工作时电流回路的分流：

正半波时的分流回路：分流电流从电容C_IN和电感L公共连接点处流出，依次流经电力电子开关Q1漏极和源极、电感L_f1、电感L_f2、负载R0、电感L_f3、电感L_f4、电力电子开关Q3漏极和源极、二极管D0、电容C_IN，回到电容C_IN和电感L公共连接点。负半波时的分流回路同理。

本发明采用前置准Z源使高压母线电压大于输入电源V_IN的工作原理：

输入电流THD％纹波(或正极脉动浪涌)的正半波时，准Z源LC回路谐振，使电感L存储能量。输入电流THD％纹波(或正极脉动浪涌)的负半波时，电感L续流电流经电容C_IN和二极管D_IN形成串联谐振，即把输入电流THD％纹波电能转化为电容C_IN的电压。由二极管D_IN把电容C_IN的电能注入高压母线。这样，既可以压抑输入电流的纹波系数，又利用电感L与电容C_IN串联谐振于输入电流纹波中谐波能量含量最大的谐波频率，实现提升整体电功效率的目的。二极管D_IN采用高频二极管(1A 600V 35纳秒)。母线正端回收能量，使母线电压提升，提高电功效率。

电源互感器AM次级绕组N2的电感加上电感L_f0的总电感分别与电容C_V1和电容C_V2形成串联谐振回路，电感L_f1、L_f2、L_f3、L_f4分别与电容C₁、C₂、C₃、C₄以及C_f1、C_f2、C_f3、C_f4形成多个串联谐振回路，分别调谐于输入电流THD％中谐振能量较大的较具有回收价值的各个谐波频率，由二极管D_f1、D_f2、D_f3、D_f4实现嵌位整流，把谐波能量反馈补充给电源母线，实现提升电功效率。为此，二极管D_f1、D_f2、D_f3、D_f4均采用高频二极管(1A 600V 35ns)。具体电路拓扑为：所述电力电子开关Q1的源极和漏极之间并联电容C₁、电力电子开关Q2的源极和漏极之间并联电容C₂、电力电子开关Q3的源极和漏极之间并联电容C₃、电力电子开关Q4的源极和漏极之间并联电容C₄；电容C_f1连接在开关电源内部母线与电感L_f1和电感L_f2的公共连接点之间，电容C_f2连接在电感L_f1和电感L_f2的公共连接点与接地端GND之间，电容C_f3连接在电感L_f3和电感L_f4的公共连接点与接地端GND之间，电容C_f4连接在开关电源内部母线与电感L_f3和电感L_f4的公共连接点之间；电容C_f1、电容C_f2、电容和电容C_f4的两端分别反向并联二极管D_f1、D_f2、D_f3、D_f4。二极管D1、D2、D3、D4分别为电力电子开关Q1、Q2、Q3、Q4的体二极管。

控制器MCU工作于PWM波调控占空比方式，分别以同极性的PWM2和PWM4，以及反极性的PWM1和PWM3，对应调控结实型全桥拓扑电力电子开关Q2、Q4、Q1、Q3的占空比。控制器MCU的四个I/O接口P1、P2、P3和P4分别对应连接电力电子开关Q1、Q2、Q3、Q4的栅极，控制器MCU分别通过取样接口rs1和rs2连接负载电流反馈和母线电压监控负电压反馈，根据电流以样和电压取样数据进行分析计算，分别生成PWM波以精确调控每只电力电子开关的占空比。电力电子开关Q1、Q2、Q3、Q4均采用MOSFET管。

负载电流反馈为将输入电源V_IN的负端与电流互感器AM的初级绕组N1的异名端的公共连接点作为反馈点连接到控制器MCU的取样接口rs1。电流互感器AM的初级绕组N1的同名端接接地端GND，负载电流在流经电流互感器AM的初级绕组N1后，由于电流互感器AM自身有一个很小的电阻，则在在反馈点处产生压降。于是，将反馈点的电压反馈给控制器MCU，实现电流反馈。电流反馈与该反馈点的电压存在U/R简单的欧姆定律关系。由于电流互感器AM的初级绕组N1的同名端接接地端GND，所以该反馈点的电压实际上为负电压。

母线电压监控负电压反馈为：母线电压经电阻R_V与电阻R_V1分压得电压母线监控电压V_F，该电压V_F不止提供控制器MCU启动能量，在稳定工作后，电压V_F经电阻R_F和电阻R1分压，提供一个负电压反馈给控制器MCU的取样接口rs2进行取样。

分别与电力电子开关并联的吸收电容C_f1、C_f2、C_f3、C_f4，由调试时示波器看每只开关管V_DS的脉冲毛刺，在能吸收高频毛刺的前提下，尽量使用小电容。

控制器MCU的启动和稳定工作时供电方法如下：

本发明利用电源互感器AM初级绕组N1的电磁能量，耦合到次级绕组N2，利用次级绕组N2的电感加上调谐振电感L_f0的总电感，与电容C_V1和电容C_V2发生串联谐振，得到直流电，由电阻R_B处经过齐纳二极管DZ后得到稳压Vz，然后由三极T1和三极管T2按NPN-PNP达林顿接法得到稳定电压提供给控制器MUC的电源VDD引脚。母线负端回收能量，提供稳压给控制器MUC供电。

控制器MCU启动供电方式：在控制器MCU启动之前，由高压母线电压，经电阻R_V与电阻R_V1分压得电压母线监控电压V_F，由二极管D5(型号1N4007)经电阻R_V0隔离，作为启动电压，再经电阻R_B，由齐纳二极管DZ可得一个稳定的15V左右的电压，之后经过NPN型三极管T1的PN结后得到一个15-0.6＝14.4V的稳定电压给控制器MCU的电源VDD引脚供电，控制器MCU启动。三极管T1和三极管T2采用达林顿接法，目的在于提供一个大的电流，从而使控制器MCU供电电压更加稳定。

控制器MCU稳定工作供电方式：控制器MCU稳定工作后，电源互感器AM初级绕组N1的电磁能量，耦合到次级绕组N2。第一串联谐振回路电流由次级绕组N2异名端依次经电感L_f0、电容C_V1、二极管D_V1的正极到负极回到次级绕组N2的同名端；第二串联谐振回路电流由次级绕组N2同名端依次经二极管D_V2的正极到负极、电容C_V2、电感L_f0回到次级绕组N2的同名端。上述两个串联谐振回路利用次级绕组N2的电感加上电感L_f0的总电感，分别与电容C_V1和电容C_V2发生串联谐振，得到电容C_V1和电容C_V2电压之和的直流电源，再经电阻R_B，由齐纳二极管DZ稳压，然后由三极管T1和三极管T2按NPN-PNP达林顿接法得到稳定电压给控制器MUC的电源VDD引脚供电。特别注意的是，电容C_V1和电容C_V2电压之和，必须要比电压母线监控电压V_F高。这样可以使二极管D5反偏，从而在稳定工作后使启动供电方式失效。

如图1所示本发明是DC-AC非隔离输出拓扑，如果在输出端加上整流电路，又可以实现非隔离式直流输出，即DC-DC拓扑；还可以在输出端加上隔离电路，实现隔离式直流输出。

Claims (5)

1.前置准Z源提升开关电源电功效率的方法，其特征在于，在开关电源的直流输入电源正端同时连接二极管D_IN的负极和电感L的一端，二极管D_IN的正极连接电容C_IN一端，电容C_IN另一端连接电感L另一端，由电感L、二极管D_IN和电容C_IN构成准Z源，电感L和电容C_IN串联谐振于输入电流纹波中一个特定谐波频率，将该谐波能量转化为电容C_IN的电压注入开关电源内部的母线，提升母线电压。

2.如权利要求1所述的前置准Z源提升开关电源电功效率的方法，其特征在于，还包括在开关电源的直流输入电源负端和接地端GND之间串接电源互感器AM初级绕组N1，电源互感器AM初级绕组N1的电磁能量耦合到次级绕组N2，次级绕组N2的电感加上电感L_f0的总电感分别和电容C_V1、电容C_V2形成两个串联谐振回路：第一串联谐振回路电流由次级绕组N2异名端依次经电感L_f0、电容C_V1、二极管D_V1的正极到负极，回到次级绕组N2的同名端；第二串联谐振回路电流由次级绕组N2同名端依次经二极管D_V2的正极到负极、电容C_V2、电感L_f0回到次级绕组N2的同名端；二极管D_V1的正极连接接地端GND；上述两个串联谐振回路分别发生串联谐振得到电容C_V1和电容C_V2电压之和的直流电，经过齐纳二极管DZ稳压后作为工作电压提供给开关电源内部的控制器MUC。

3.如权利要求2所述的前置准Z源提升开关电源电功效率的方法，其特征在于，采用的电路拓扑还包括强电工作回路和控制器MCU的启动供电电路；

所述强电工作回路分为输出电流正半波回路和输出电流负半波回路：

输出电流正半波回路：电流从直流输入电源V_IN的正端流出，依次流经电感L、电力电子开关Q1漏极和源极、电感L_f1、电感L_f2、负载R0、电感L_f3、电感L_f4、电力电子开关Q3漏极和源极、电源互感器AM的初级绕组N1的同名端到异名端，回到直流输入电源V_IN的负端；

输出电流负半波回路：电流从直流输入电源V_IN的正端流出，依次流经电感L、电力电子开关Q2源极和漏极、电感L_f4、电感L_f3、负载R0、电感L_f2、电感L_f1、电力电子开关Q4源极和漏极、电源互感器AM初级绕组N1的同名端到异名端，回到直流输入电源V_IN的负端；

所述电力电子开关Q1、电力电子开关Q2、电力电子开关Q3、电力电子开关Q4均为MOSFET管；电力电子开关Q1、电力电子开关Q2、电力电子开关Q3和电力电子开关Q4的栅极分别对应连接控制器MCU的I/O接口P1、P2、P3和P4；控制器MCU工作于PWM波调控占空比方式，分别输出同极性的PWM波PWM2和PWM4，以及反极性的PWM波PWM1和PWM3，对应调控电力电子开关Q2、电力电子开关Q4、电力电子开关Q1、电力电子开关Q3的占空比；

所述控制器MCU的启动供电电路为：

在控制器MCU启动之前，由开关电源内部母线电压，经电阻R_V与电阻R_V1分压得电压V_F，电压V_F由二极管D5经电阻R_V0隔离后作为启动电压，再经电阻R_B，由齐纳二极管DZ稳压得到稳定电压V_Z给控制器MCU供电，控制器MCU启动。

4.如权利要求3所述的前置准Z源提升开关电源电功效率的方法，其特征在于，所述电感L_f1、电感L_f2、电感L_f3和电感L_f4，分别与电容C₁、电容C₂、电容C₃、电容C₄以及电容C_f1、电容C_f2、电容C_f3、电容C_f4形成多个串联谐振回路，分别调谐于输入电流不同的谐波频率，分别把谐波能量反馈给开关电源内部母线，具体电路拓为：所述电力电子开关Q1的源极和漏极之间并联电容C₁、电力电子开关Q2的源极和漏极之间并联电容C₂、电力电子开关Q3的源极和漏极之间并联电容C₃、电力电子开关Q4的源极和漏极之间并联电容C₄；电容C_f1连接在开关电源内部母线与电感L_f1和电感L_f2的公共连接点之间，电容C_f2连接在电感L_f1和电感L_f2的公共连接点与接地端GND之间，电容C_f3连接在电感L_f3和电感L_f4的公共连接点与接地端GND之间，电容C_f4连接在开关电源内部母线与电感L_f3和电感L_f4的公共连接点之间；电容C_f1、电容C_f2、电容和电容C_f4，每个电容两端反向并联一个二极管。

5.如权利要求3所述的前置准Z源提升开关电源电功效率的方法，其特征在于，还包括负载电流反馈电路和母线电压监控负电压反馈电路，

负载电流反馈电路：将直流输入电源V_IN的负端与电流互感器AM的初级绕组N1的异名端的公共连接点作为反馈点连接到控制器MCU的取样接口rs1；

母线电压监控负电压反馈电路：开关电源内部母线串接电阻R_V与电阻R_V1后连接接地端GND，电阻R_V与电阻R_V1的公共连接点依次连接电阻R_F和电阻R1再接接地端GND；电阻R_F和电阻R1的公共连接点连接控制器MCU的取样接口rs2。