CN108667318A - 一种整流电路及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电子电路领域，特别涉及一种整流电路。在现有的整流电路的基础上，增加采用PWM信号调制的第一开关管和第二开关管，通过采集电感的电流电压值来控制PWM信号的输出，使得输入电流跟随输入电压变化，使得整流电路实现升压或者降压输出，可以输出大范围电压值。

Description

一种整流电路及其控制方法

技术领域

本发明涉及电子电路领域，特别涉及一种整流电路及其控制方法。

背景技术

由于电力公司的供电是交流电，而现行的电子设备需要直流供电，所以将交流电转换为直流电的整流电路被广泛使用，以整流桥接BOOST电路的方式最为常用，技术也最成熟，但此方法输出电压必须高于输入交流电的最大值，无法实现输出低于输入电压的直流电压，在需要大范围输出电压的场合，尤其是需要低压输出的场合不适用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种可以输出宽范围电压的整流电路及其控制方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案为：

一种整流电路，包括第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、电感、第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第一BUS电容和第二BUS电容；

所述第一二极管的正极与第二二极管的正极分别与交流电相连，所述第一二极管的负极通过电感与第二二极管的负极相连，所述第一二极管与第一开关管并联连接，所述第二二极管与第二开关管并联连接；

所述电感的一端分别与第三开关管和第四开关管相连，所述第三开关管通过第三二极管与第二BUS电容相连，所述第二BUS电容的一端与第三二极管的正极相连，所述第二BUS电容的另一端与第一BUS电容的一端相连，所述第四开关管通过第四二极管与第一BUS电容相连，所述第一BUS电容的另一端与第四二极管的负极相连；所述电感的另一端分别与第一BUS电容和第二BUS电容相连。

本发明采用的另一个技术方案为：

一种整流电路的控制方法，包括以下步骤：

S1、采集交流电的电压值并标记为第一值，比较第一值与预设值的大小，若第一值大于第一预设值，则执行步骤S2，若第一值小于第二预设值，则执行步骤S3；

S2、闭合第三开关管，断开第一开关管和第四开关管，第二开关管接入PWM调制信号；

S3、闭合第四开关管，断开第二开关管和第三开关管，第一开关管接入PWM调制信号。

本发明的有益效果在于：通过采集电感的电流及输入交流电值来控制PWM信号的输出，使得输入电流跟随输入电压变化，使得整流电路实现升压或者降压输出，可以输出大范围电压值。

附图说明

图1为根据本发明的一种整流电路的电路图；

图2为根据本发明的一种整流电路的过零点附近节点的波形图；

图3为根据本发明的一种整流电路的交流电的输入电流校正前后的对比图；

标号说明：

D1、第一二极管；D2、第二二极管；D3、第三二极管；D4、第四二极管；D5、第五二极管；D6、第六二极管；L、电感；T1、第一开关管；T2、第二开关管；T3、第三开关管；T4、第四开关管；BUS+、第一BUS电容；BUS-、第二BUS电容；C5、滤波电容；C1第一电容；C2、第二电容；C3、第三电容；C4、第四电容。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。

本发明最关键的构思在于：采用开关管、二极管、电感等器件组成图1所示的可实现升降压的整流电路图，在传统PWM控制方案的基础上对电感电流采样进行校正，实现输入电流跟随输入电压(功率因数校正)的功能。

请参照图1，本发明提供的一个技术方案：

一种整流电路，包括第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、电感、第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第一BUS电容和第二BUS电容；

所述第一二极管的正极与第二二极管的正极分别与交流电相连，所述第一二极管的负极通过电感与第二二极管的负极相连，所述第一二极管与第一开关管并联连接，所述第二二极管与第二开关管并联连接；

所述电感的一端分别与第三开关管和第四开关管相连，所述第三开关管通过第三二极管与第二BUS电容相连，所述第二BUS电容的一端与第三二极管的正极相连，所述第二BUS电容的另一端与第一BUS电容的一端相连，所述第四开关管通过第四二极管与第一BUS电容相连，所述第一BUS电容的另一端与第四二极管的负极相连；所述电感的另一端分别与第一BUS电容和第二BUS电容相连。

从上述描述可知，本发明的有益效果在于：通过采集电感的电流值及输入交流的电压值来控制PWM信号的输出，使得输入电流跟随输入电压变化，使得整流电路实现升压或者降压输出，可以输出大范围电压值。

进一步的，所述整流电路还包括滤波电容，所述滤波电容与交流电并联连接。

由上述描述可知，通过滤波电容可以对交流电滤除杂波，增加抗干扰性。

进一步的，所述整流电路还包括第一电容、第二电容、第三电容和第四电容，所述第一电容、第二电容、第三电容和第四电容分别依次与第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管并联连接。

由上述描述可知，第一电容、第二电容、第三电容和第四电容可以为第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管自身寄生的电容，增加抗干扰性。

进一步的，所述整流电路还包括第五二极管和第六二极管，所述第五二极管和第六二极管分别依次与第三开关管和第四开关管并联连接，所述第五二极管的负极与第三二极管的负极相连，所述第六二极管的正极与第四二极管的正极相连。

由上述描述可知，第五二极管和第六二极管分别与第三开关管和第四开关管并联，通过适当的开关信号控制，达到控制能量流向的目的，具体地说，当输入电压高于输出电压时，防止输入电压不通过电感而直接向输出端提供能量，输入电压低于输出电压时，防止输出电压向输入端释放能量。

本发明提供的另一个技术方案：

一种整流电路的控制方法，包括以下步骤：

S1、采集交流电的电压值并标记为第一值，比较第一值与预设值的大小，若第一值大于第一预设值，则执行步骤S2，若第一值小于第二预设值，则执行步骤S3；其中第一预设值与第二预设值满足如下三个条件：第一预设值略大于零；第二预设值略小于0；第一预设值与第二预设值的绝对值均不大于第一BUS电容或第二BUS电容上的电压值；

S2、闭合第三开关管，断开第一开关管和第四开关管，第二开关管接入PWM调制信号；

S3、闭合第四开关管，断开第二开关管和第三开关管，第一开关管接入PWM调制信号。

由上述描述可知，本发明的有益效果在于：当交流电的电压值为正时，闭合第三开关管，断开第一开关管和第四开关管，第二开关管接入PWM调制信号，给第二BUS电容充电，当交流电的电压值为负时，闭合第四开关管，断开第二开关管和第三开关管，第一开关管接入PWM调制信号，给第一BUS电容充电，所述整流电路的输出电压由第二BUS电容和第一BUS电容两端的电压值决定，可以实现输出大范围电压值。

进一步的，步骤S1还包括：

若第一预设时刻采集的第一值等于第一预设值，且第一预设时刻的前一时刻的第一值大于第一预设值，则闭合第四开关管；

若第二预设时刻采集的第一值等于第二预设值，且第二预设时刻的后一时刻的第一值小于第二预设值，则断开第三开关管。

上述过程为步骤S2向步骤S3的转换。

进一步的，步骤S1还包括：

若第三预设时刻采集的第一值等于第二预设值，且第三预设时刻的前一时刻的第一值小于第二预设值，则闭合第三开关管；

若第四预设时刻采集的第一值等于第一预设值，且第四预设时刻的后一时刻的第一值大于第一预设值，则断开第四开关管。

上述过程为步骤S3向步骤S2的转换。

由上述描述可知，第三开关管和第四开关管切换过程中会有一段时间第三开关管和第四开关管处于共同闭合状态，若第三开关管和第四开关管同时断开，当第一开关管或第二开关管关断时，电感电流处于无回路状态，会损坏回路元器件。

请参照图1-图3，本发明的实施例一为：

一种整流电路，包括第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5、第六二极管D6、电感L、第一开关管T1、第二开关管T2、第三开关管T3、第四开关管T4、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、滤波电容C5、第一BUS电容BUS+和第二BUS电容BUS-；

所述第一二极管的正极与第二二极管的正极分别与交流电相连，所述第一二极管的负极通过电感与第二二极管的负极相连，所述第一二极管与第一开关管并联连接，所述第二二极管与第二开关管并联连接；

所述电感的一端分别与第三开关管和第四开关管相连，所述第三开关管通过第三二极管与第二BUS电容相连，所述第二BUS电容的一端与第三二极管的正极相连，所述第二BUS电容的另一端与第一BUS电容的一端相连，所述第四开关管通过第四二极管与第一BUS电容相连，所述第一BUS电容的另一端与第四二极管的负极相连；所述电感的另一端分别与第一BUS电容和第二BUS电容相连；

所述滤波电容与交流电并联连接，所述第一电容、第二电容、第三电容和第四电容分别依次与第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管并联连接；

所述第五二极管和第六二极管分别依次与第三开关管和第四开关管并联连接，所述第五二极管的负极与第三二极管的负极相连，所述第六二极管的正极与第四二极管的正极相连。D3和D4分别与T3和T4串联，通过适当的开关信号控制，达到控制能量流向的目的，具体地说，当输入电压高于输出电压时，防止输入电压不通过电感而直接向输出端提供能量，输入电压低于输出电压时，防止输出电压向输入端释放能量。D5D6为寄生在T3T4上的二极管，没有实际用途，可有可无。多数开关器件均有内部寄生二极管。注意D1D2是有实际用途的，不能去掉。

传统的PFC电路是通过整流桥加BOOST实现输入电流跟随输入电压变化，同时实现整流，但其输出直流电压仅能升压不能降压。本发明通过PWM的控制时序是与PFC电路配套设计，电流校正部分即涉及PWM计算的部分是在传统PFC电路控制方法基础上优化的。

本发明的实施例二为：

一种整流电路的控制方法，包括以下步骤：

S1、采集交流电的电压值并标记为第一值，比较第一值与预设值的大小，若第一值大于第一预设值，则执行步骤S2，若第一值小于第二预设值，则执行步骤S3；

第一预设值与第二预设值满足如下三个条件：第一预设值略大于零；第二预设值略小于0；第一预设值与第二预设值的绝对值均不大于第一BUS电容或第二BUS电容上的电压值。

S2、闭合第三开关管，断开第一开关管和第四开关管，第二开关管接入PWM调制信号；

S3、闭合第四开关管，断开第二开关管和第三开关管，第一开关管接入PWM调制信号。

进一步的，步骤S1还包括：

若第一预设时刻采集的第一值等于第一预设值，且第一预设时刻的前一时刻的第一值大于第一预设值，则闭合第四开关管；

若第二预设时刻采集的第一值等于第二预设值，且第二预设时刻的后一时刻的第一值小于第二预设值，则断开第三开关管。

上述过程为步骤S2向步骤S3的转换。

进一步的，步骤S1还包括：

若第三预设时刻采集的第一值等于第二预设值，且第三预设时刻的前一时刻的第一值小于第二预设值，则闭合第三开关管；

若第四预设时刻采集的第一值等于第一预设值，且第四预设时刻的后一时刻的第一值大于第一预设值，则断开第四开关管。

上述过程为步骤S3向步骤S2的转换。

由上述描述可知，第三开关管和第四开关管切换过程中会有一段时间第三开关管和第四开关管处于共同闭合状态，若第三开关管和第四开关管同时断开，当第一开关管或第二开关管关断时，电感电流处于无回路状态，会损坏回路元器件。

如图2为整流电路的过零点附近节点的波形图，其中Uac为交流电的输入电压，IL为电感的电流，DR-T1至DR-T4为第一开关管至第四开关管的驱动信号；

当交流电的输入电压为正时，T3一直处于闭合状态，T1和T4处于断开状态，T2工作于PWM调制状态。在t0时刻T2闭合，交流电的输入电压通过T1并联的第一二极管及T2给电感L充电，电感L的电流上升；在t1时刻，T2断开，电感L通过D3和T3向BUS-释放能量，L的电流下降，至T2重新闭合，开始下一个开关周期。

在交流电的输入电压为正时一直重复上述的工作状态，根据电感的采样电流和电压值给出T2的PWM，用来控制交流电的输入电流跟随输入电压。

至t3时刻，交流电的电压下降到第一预设值，实施例中，第一预设值设置值低于单边BUS电压，T4导通，此时由于BUS电压高于输入电压，D4处于截止状态，因此T4闭合后电路工作状态不受影响，继续维持上述的工作状态。

至t4时刻，交流电的电压过零，整流电路开始转入负半周工作状态：T4一直闭合，T2和T3一直断开，T1通过PWM调制控制交流电的电流。工作状态与上述的工作状态相同。

在t4时刻，T3管没有马上断开，由于在过零点附近，BUS电压高于输入电压，D3截止，T3无论闭合还是断开均不影响整流电路工作状态。至t5时刻，交流电的电压下降到第二预设值，T3断开，电路由正半周向负半周工作状态转换完成。

对于交流电的电压过零点的处理，上述时序中t3-t5是由正半周转向负半周的过程，由负半周转正半周的时序类似。

即当交流电的电压由正值下降接近过零点时，应该首先开通T4，待交流电的电压转负值时，再关断T3，当交流电的电压由负值上升接近过零点时，应该首先开通T3，待交流电的电压转正值时，再关断T4。

此处T3和T4切换过程中会有一段时间T3和T4共同闭合，这个共同闭合的过程是安全工作所必要的，若T3和T4同时关断，当T1或T2关断时，电感的电流处于无回路状态，会损坏电路的元器件。

实施例中，交流电的输入电流与电感的电流并不相同，在第一开关管或第二开关管开启期间，电感电流并不流经交流电的输入端，因此交流电的输入电流是与占空比相关的脉冲波，通过常规的控制方法仅能保证电感电流接近正弦波，由于交流电的实际输入波形由于受占空比的影响，其平均值不是精确的正弦波，因而功率因数达不到最佳，需对交流电的电流进行校正，以下详述校正方法：

根据电流变化量建立等式，有:

Ui*D/L＝Uo*(1-D)/L；

其中:Ui为交流电的输入电压瞬时值，Uo为整流电路的输出电压瞬时值，D为第一开关管或第二开关管的占空比，L为电感L的电感量。

经化简后可得：D＝Uo/(Uo+Ui)；

实际输入电流平均值与电感电流的关系为：

Iin＝D*IL＝Uo*IL/(Uo+Ui)；

其中Iin为交流电输入的电流，IL为流过电感L的电流。功率因数校正目标为Iin正比于Ui，即Uo*IL/(Uo+Ui)与Ui成正比，得到Iin正比于Ui的条件是IL与(Uo+Ui)*Ui/Uo成正比，即IL与成正比。

由此可见，通过本发明的控制方法得到的电流参考值需再乘以校正系数后使用，可使输入电流更好的跟踪输入电压，达到提升功率因数的目的。对采样到的电感电流增加比例因子后再参与PFC控制，用于更好的校正输入电流。

如图3为交流电的输入电流校正前后的对比图，Uac为交流电的输入电压，IL1是交流电校正前的电流，IL2是添加校正系数后交流电的电流，IL2的正弦度明显好于IL1。

综上所述，本发明采用第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、电感、第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第一BUS电容和第二BUS电容组成图1所示的可实现升降压的整流电路图，在传统PWM控制方案的基础上对电感的电流采样进行校正，实现输入电流跟随输入电压(功率因数校正)的功能的同时，交流到直流的整流功能，且整流器输出电压可实现升压或降压，输出更大范围电压值。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种整流电路，其特征在于，包括第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、电感、第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第一BUS电容和第二BUS电容；

所述第一二极管的正极与第二二极管的正极分别与交流电相连，所述第一二极管的负极通过电感与第二二极管的负极相连，所述第一二极管与第一开关管并联连接，所述第二二极管与第二开关管并联连接；

所述电感的一端分别与第三开关管和第四开关管相连，所述第三开关管通过第三二极管与第二BUS电容相连，所述第二BUS电容的一端与第三二极管的正极相连，所述第二BUS电容的另一端与第一BUS电容的一端相连，所述第四开关管通过第四二极管与第一BUS电容相连，所述第一BUS电容的另一端与第四二极管的负极相连；所述电感的另一端分别与第一BUS电容和第二BUS电容相连。

2.根据权利要求1所述整流电路，其特征在于，所述整流电路还包括滤波电容，所述滤波电容与交流电并联连接。

3.根据权利要求1所述整流电路，其特征在于，所述整流电路还包括第一电容、第二电容、第三电容和第四电容，所述第一电容、第二电容、第三电容和第四电容分别依次与第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管并联连接。

4.根据权利要求1所述整流电路，其特征在于，所述整流电路还包括第五二极管和第六二极管，所述第五二极管和第六二极管分别依次与第三开关管和第四开关管并联连接，所述第五二极管的负极与第三二极管的负极相连，所述第六二极管的正极与第四二极管的正极相连。

5.一种权利要求1-4任意一项所述整流电路的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、采集交流电的电压值并标记为第一值，比较第一值与预设值的大小，若第一值大于第一预设值，则执行步骤S2，若第一值小于第二预设值，则执行步骤S3；

S2、闭合第三开关管，断开第一开关管和第四开关管，第二开关管接入PWM调制信号；

S3、闭合第四开关管，断开第二开关管和第三开关管，第一开关管接入PWM调制信号。

6.根据权利要求5所述整流电路的控制方法，其特征在于，步骤S1还包括：

若第一预设时刻采集的第一值等于第一预设值，且第一预设时刻的前一时刻的第一值大于第一预设值，则闭合第四开关管；

若第二预设时刻采集的第一值等于第二预设值，且第二预设时刻的后一时刻的第一值小于第二预设值，则断开第三开关管。

7.根据权利要求5所述整流电路的控制方法，其特征在于，步骤S1还包括：

若第三预设时刻采集的第一值等于第二预设值，且第三预设时刻的前一时刻的第一值小于第二预设值，则闭合第三开关管；

若第四预设时刻采集的第一值等于第一预设值，且第四预设时刻的后一时刻的第一值大于第一预设值，则断开第四开关管。