CN111987913A - 可实现有源功率解耦的准单级ac/dc变换器电路 - Google Patents
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Abstract
本公开是关于一种可实现有源功率解耦的准单级AC/DC变换器电路，所述AC/DC变换器电路包括：输入电路、图腾柱式PFC电路、半桥式DC/DC变换电路以及输出负载，其中，通过控制所述半桥式DC/DC变换电路的第三开关管、第四开关管，可以实现对所述AC/DC变换器电路的有源功率解耦。本公开无需额外的无源器件及复杂的辅助电路控制策略即可实现对AC/DC变换器的有源功率解耦，无需大容量电容器，大幅提高了***的可靠性和稳定性。
Description
技术领域
本公开涉及电力电子领域，具体而言，涉及一种可实现有源功率解 耦的准单级AC/DC变换器电路。
背景技术
AC/DC变换器实现从交流市电到低电压直流电的电能变换，是整流 电源的重要组成部分。其输入功率为包含二倍工频波动的脉动功率，而 其输出功率为恒定直流功率，因此，需要在AC/DC变换器内部实现输入、 输出功率间的解耦合，即功率解耦。在传统AC/DC变换器中，大容量电 容器直接连接到输出端，通过电容储能直接实现功率解耦，即无源功率解耦。由于所需的储能容量通常很大，需采用电解电容。但电解电容具 有使用寿命低，可靠性差的缺点，因此在许多电源中的应用受限。
因此，需要一种或多种方法解决上述问题。
需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本公 开的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现 有技术的信息。
发明内容
本公开的目的在于提供一种可实现有源功率解耦的准单级AC/DC变 换器电路，进而至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导 致的一个或者多个问题。
根据本公开的一个方面，提供一种可实现有源功率解耦的准单级 AC/DC变换器电路，包括：
所述输入电路，用于为AC/DC变换器电路供电，包括火线、零线；
所述图腾柱式PFC电路，与所述输入电路相连，包括第一电感、第一 二极管、第二二极管、第一开关管以及第二开关管，用于在第一开关管与 第二开关管互补开通时，将所述输入电路的交流电转换成直流电；
所述半桥式DC/DC变换电路，与所述图腾柱式PFC电路相连，包括与 所述图腾柱式PFC电路共用的第一开关管、第二开关管，第一电容器、第 二电容器、变压器、第三二极管、第四二极管、第三开关管、第四开关管 以及第三电容器，用于通过控制第三开关管、第四开关管，使所述图腾柱 式PFC电路输出的直流电的输出功率在一个开关周期内的平均值保持恒定， 实现对所述图腾柱式PFC电路的输入输出功率解耦；
所述输出负载，与所述半桥式DC/DC变换电路相连，用于通过输出负 载电压的采样实现对所述半桥式DC/DC变换电路的第三开关管、第四开关 管的控制；
其中，所述输入电路的一端与所述图腾柱式PFC电路的第一电感相连， 一端与所述图腾柱式PFC电路的第一二极管、第二二极管的中点相连；
在本公开的一种示例性实施例中，所述图腾柱式PFC电路的第一电感 一端与第一开关管、第二开关管的中点相连，第一二极管与第二二极管串 联、第一开关管与第二开关管串联后并联。
在本公开的一种示例性实施例中，所述半桥式DC/DC变换电路的第一 开关管与第二开关管串联、第一电容器与第二电容器串联后与所述图腾柱 式PFC电路第一二极管与第二二极管串联后并联，所述变压器原边一端与 所述第一开关管与第二开关管的中点相连，一端与第一电容器与第二电容 器的中点相连，所述变压器副边一端与第三二极管相连、一端与第四二极 管相连，所述第三二极管一端与第三开关管相连，所述第四二极管一端与第四开关管相连，所述第三开关管、第四开关管分别与第三电容器相连。
在本公开的一种示例性实施例中，所述输出负载与所述半桥式DC/DC 变换电路的第三电容器并联。
在本公开的一种示例性实施例中，所述图腾柱式PFC电路的第一开 关管、第二开关管可以以0.5占空比互补开通，将所述输入电路的交流 电转换成直流电。
在本公开的一种示例性实施例中，所述半桥式DC/DC变换电路还包 括第二电感、第三电感，用于使所述半桥式DC/DC变换电路实现稳定功率 输出，所述第二电感一端与第一开关管、第二开关管的中点相连，一端与 变压器原边相连；所述第三电感与变压器原边并联。
在本公开的一种示例性实施例中，所述AC/DC变换器电路还包括：
控制电路，用于接收通过采样输出负载的输出电压，与预设输出电压 参考值比较，生成控制信号，并通过所述控制信号控制所述半桥式DC/DC 变换电路的第三开关管、第四开关管，实现对所述AC/DC变换器电路的有 源功率解耦。
本公开的示例性实施例中的可实现有源功率解耦的准单级AC/DC变 换器电路，所述AC/DC变换器电路包括：输入电路、图腾柱式PFC电路、 半桥式DC/DC变换电路以及输出负载，其中，通过控制所述半桥式DC/DC 变换电路的第三开关管、第四开关管，可以实现对所述AC/DC变换器电路 的有源功率解耦。本公开无需额外的无源器件及复杂的辅助电路控制策 略即可实现对AC/DC变换器的有源功率解耦，无需大容量电容器，大幅提 高了***的可靠性和稳定性。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解 释性的，并不能限制本公开。
附图说明
通过参照附图来详细描述其示例实施例，本公开的上述和其它特征 及优点将变得更加明显。
图1示出了根据本公开一示例性实施例的可实现有源功率解耦的准 单级AC/DC变换器电路的电路拓扑；
图2示出了根据本公开一示例性实施例的可实现有源功率解耦的准 单级AC/DC变换器电路的控制方框图；
图3示出了根据本公开一示例性实施例的可实现有源功率解耦的准 单级AC/DC变换器电路的控制流程图；
图4A-4D示出了根据本公开一示例性实施例的可实现有源功率解耦 的准单级AC/DC变换器电路的实验波形图。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施例。然而，示例实施例能够 以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施例；相反，提供 这些实施例使得本公开将全面和完整，并将示例实施例的构思全面地传 达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的部分， 因而将省略对它们的重复描述。
此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一 个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本 公开的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践 本公开的技术方案而没有所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用 其它的方法、组元、材料、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出 或描述公知结构、方法、装置、实现、材料或者操作以避免模糊本公开 的各方面。
附图中所示的方框图仅仅是功能实体，不一定必须与物理上独立的 实体相对应。即，可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或 多个软件硬化的模块中实现这些功能实体或功能实体的一部分，或在不 同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。
在本示例实施例中，首先提供了一种可实现有源功率解耦的准单级 AC/DC变换器电路；参考图1中所示，该电路可以包括以下模块：
输入电路110、图腾柱式PFC电路120、半桥式DC/DC变换电路130 以及输出负载140：
所述输入电路110，用于为AC/DC变换器电路供电，包括火线、零线；
所述图腾柱式PFC电路，与所述输入电路110相连，包括第一电感Lg、 第一二极管D1、第二二极管D2、第一开关管Q1以及第二开关管Q2，用于在 第一开关管Q1与第二开关管Q2互补开通时，将所述输入电路110的交流电 转换成直流电；
所述半桥式DC/DC变换电路130，与所述图腾柱式PFC电路相连，包 括与所述图腾柱式PFC电路共用的第一开关管Q1、第二开关管Q2，第一电 容器C1、第二电容器C2、变压器、第三二极管D3、第四二极管D4、第三开 关管Q3、第四开关管Q4以及第三电容器C0，用于通过控制第三开关管Q3、 第四开关管Q4，使所述图腾柱式PFC电路输出的直流电的输出功率在一个开关周期内的平均值保持恒定，实现对所述图腾柱式PFC电路的输入输出 功率解耦；
所述输出负载，与所述半桥式DC/DC变换电路130相连，用于通过输 出负载电压的采样实现对所述半桥式DC/DC变换电路130的第三开关管Q3、 第四开关管Q4的控制；
其中，所述输入电路110的一端与所述图腾柱式PFC电路的第一电感 Lg相连，一端与所述图腾柱式PFC电路的第一二极管D1、第二二极管D2的中点相连；
所述图腾柱式PFC电路的第一电感Lg一端与第一开关管Q1、第二开关 管Q2的中点相连，第一二极管D1与第二二极管D2串联、第一开关管Q1与 第二开关管Q2串联后并联；
所述半桥式DC/DC变换电路130的第一开关管Q1与第二开关管Q2串联、 第一电容器C1与第二电容器C2串联后与所述图腾柱式PFC电路第一二极管 D1与第二二极管D2串联后并联，所述变压器原边一端与所述第一开关管Q1与第二开关管Q2的中点相连，一端与第一电容器C1与第二电容器C2的中 点相连，所述变压器副边一端与第三二极管D3相连、一端与第四二极管 D4相连，所述第三二极管D3一端与第三开关管Q3相连，所述第四二极管 D4一端与第四开关管Q4相连，所述第三开关管Q3、第四开关管Q4分别与第 三电容器C0相连；
所述输出负载与所述半桥式DC/DC变换电路130的第三电容器C0并联。
本公开的示例性实施例中的可实现有源功率解耦的准单级AC/DC变 换器电路，所述AC/DC变换器电路包括：输入电路110、图腾柱式PFC电 路120、半桥式DC/DC变换电路130以及输出负载，其中，通过控制所述 半桥式DC/DC变换电路130的第三开关管Q3、第四开关管Q4，可以实现对 所述AC/DC变换器电路的有源功率解耦。本公开无需额外的无源器件及复杂的辅助电路控制策略即可实现对AC/DC变换器的有源功率解耦，无 需大容量电容器，大幅提高了***的可靠性和稳定性。
下面，将对本示例实施例中的可实现有源功率解耦的准单级AC/DC 变换器电路进行进一步的说明。
如图1所示为无大容量电解电容的准单级式AC/DC变换器的主电路拓 扑图。
所述输入电路110，用于为AC/DC变换器电路供电，包括火线、零线；
所述图腾柱式PFC电路，与所述输入电路110相连，包括第一电感Lg、 第一二极管D1、第二二极管D2、第一开关管Q1以及第二开关管Q2，用于在 第一开关管Q1与第二开关管Q2互补开通时，将所述输入电路110的交流电 转换成直流电；
所述半桥式DC/DC变换电路130，与所述图腾柱式PFC电路相连，包 括与所述图腾柱式PFC电路共用的第一开关管Q1、第二开关管Q2，第一电 容器C1、第二电容器C2、变压器、第三二极管D3、第四二极管D4、第三开 关管Q3、第四开关管Q4以及第三电容器C0，用于通过控制第三开关管Q3、 第四开关管Q4，使所述图腾柱式PFC电路输出的直流电的输出功率在一个开关周期内的平均值保持恒定，实现对所述图腾柱式PFC电路的输入输出 功率解耦；
所述输出负载，与所述半桥式DC/DC变换电路130相连，用于通过输 出负载电压的采样实现对所述半桥式DC/DC变换电路130的第三开关管Q3、 第四开关管Q4的控制；
其中，所述输入电路110的一端与所述图腾柱式PFC电路的第一电感 Lg相连，一端与所述图腾柱式PFC电路的第一二极管D1、第二二极管D2的中点相连；
所述图腾柱式PFC电路的第一电感Lg一端与第一开关管Q1、第二开关 管Q2的中点相连，第一二极管D1与第二二极管D2串联、第一开关管Q1与 第二开关管Q2串联后并联；
所述半桥式DC/DC变换电路130的第一开关管Q1与第二开关管Q2串联、 第一电容器C1与第二电容器C2串联后与所述图腾柱式PFC电路第一二极管 D1与第二二极管D2串联后并联，所述变压器原边一端与所述第一开关管Q1与第二开关管Q2的中点相连，一端与第一电容器C1与第二电容器C2的中 点相连，所述变压器副边一端与第三二极管D3相连、一端与第四二极管 D4相连，所述第三二极管D3一端与第三开关管Q3相连，所述第四二极管 D4一端与第四开关管Q4相连，所述第三开关管Q3、第四开关管Q4分别与第 三电容器C0相连；
所述输出负载与所述半桥式DC/DC变换电路130的第三电容器C0并联。
在本示例的实施例中，本公开通过在高频半波整流电路中串联开关 管，实现准单级式AC/DC变换器有源功率解耦的方法。在图1所示的准单级 AC/DC变换器中，半桥DC/DC变换器电路的变压器副边通过一个半波整流电 路向负载输出直流电。在原有的准单级AC/DC变换器电路中，半波整流电 路仅由二极管D3和D4构成，流向负载的电流由电容C1，C2和Co上的电压 决定。若要使得输出功率不含二倍工频波动，则电容C1，C2或Co需足够 大令其电压恒定，即实现无源功率解耦。如图1所示，在半波整流电路中 串联两个开关管Q3和Q4，就形成可控整流电路。令两个MOS管Q3和Q4关断， 可阻断DC/DC变换器流向负载的电流。最终，即使在C1，C2电压大幅波动 的条件下，通过控制Q3和Q4的状态，也可使得DC/DC变换器的输出功率在 一个开关周期内的平均值保持恒定，实现了有源功率解耦。
在本示例的实施例中，通过在原电路拓扑中添加两个开关管构造可 控整流电路实现中间储能电容电压和输出功率的解耦。使得不需增加额外 无源器件即可大幅减小AC/DC变换器的中间储能电容和滤波电容容量，实 现无电解电容整流电源。
在本示例的实施例中，所述图腾式PFC电路的第一开关管Q1、第二 开关管Q2可以以0.5占空比互补开通，将所述输入电路110的交流电转换 成直流电。
所述半桥式DC/DC变换电路130还包括第二电感Ls、第三电感Lm，用 于使所述半桥式DC/DC变换电路130实现稳定功率输出，所述第二电感Ls一端与第一开关管Q1、第二开关管Q2的中点相连，一端与变压器原边相连； 所述第三电感Lm与变压器原边并联。
在本示例的实施例中，所述准单级AC/DC变换器电路，由图腾柱式PFC 电路和半桥式DC/DC变换电路复用开关管Q1和Q2构成。当这开关管以0.5占 空比互补开通，可使得PFC电路运行在断续导通模式下，向储能电容充电。 同时，令DC/DC变换电路工作，将中间储能电容电压变换到所需输出电压。 如果无开关管Q3和Q4，则DC/DC变换电压变比固定，输出电压随中间储能 电容C1和C2的电压波动，在C1和C2容量较小时，则无法实现功率解耦，输 出电压含二倍工频纹波。
在AC/DC变换器电路中加入开关管Q3和Q4，DC/DC变换电路的输出电流 通过切换开关Q3和Q4来控制。当Q3和Q4开通时，整流电路可将变压器原边 电能传输到负载。当Q3和Q4关断时，变压器的二次绕组开路，变换器向负 载输出功率为零。通过这种方法，可以使C1和C2的二倍频电压纹波变化较 大时，令变换器输出功率在Q3和Q4的一个开关周期内的平均值保持恒定， 实现功率解耦。
在本示例的实施例中，AC/DC变换器电路还包括：控制电路，用于接 收通过采样输出负载的输出电压，与预设输出电压参考值比较，生成控制 信号，并通过所述控制信号控制所述半桥式DC/DC变换电路130的第三开 关管Q3、第四开关管Q4，实现对所述AC/DC变换电路的有源功率解耦。
如图2所示，对输出电压Vo采样，并与输出电压给定参考值Vref进行 比较。如果Vo低于Vref，则开关Q4随开关Q1一同开通，Q3随Q2开通，使得 两个绕组和整流电路流过的平均电流相等。此控制策略也可通过DSP控制 器实现，其软件流程如图3所示。
如图4A-4D所示，为基于本公开的AC/DC变换器的实验结果，其中，图4A 为可控整流电路功率解耦功能关闭时实验波形图，图4B为可控整流电路功率 解耦功能启用时实验波形图，图4C为AC/DC变换器内部电压、电流波形图， 图4D为单个开关周期内的电压、电流波形图。由图可知，在禁用有源功率解耦 条件下(Q3和Q4保持开通)的AC/DC变换器运行波形如图4A所示，输出电压上 存在明显的二倍频纹波。图4B所示，为启用有源功率解耦的AC/DC变换器运行 波形。这种情况下，输出电压Vo上的纹波明显降低，二倍频纹波功率被储能电容 C1和C2完全吸收。
在本示例的实施例中，本公开通过在原电路拓扑中添加两个开关管 构造可控整流电路实现中间储能电容电压和输出功率的解耦。使得不需 增加额外无源器件即可大幅减小AC/DC变换器的中间储能电容和滤波电 容容量，实现无电解电容整流电源。不增加额外的无源器件，有利于提 高电源的功率密度，仅在现有准单级AC/DC变换器中增加两个开关管就 可实现功率解耦，使储能电容电压大幅度波动条件下，输出电压保持恒 定，进而实现无电解电容电源。
应当注意，尽管在上文详细描述中提及了可实现有源功率解耦的准 单级AC/DC变换器电路装置的若干模块或者单元，但是这种划分并非强 制性的。实际上，根据本公开的实施方式，上文描述的两个或更多模块 或者单元的特征和功能可以在一个模块或者单元中具体化。反之，上文 描述的一个模块或者单元的特征和功能可以进一步划分为由多个模块 或者单元来具体化。
此外，上述附图仅是根据本发明示例性实施例的方法所包括的处理 的示意性说明，而不是限制目的。易于理解，上述附图所示的处理并不 表明或限制这些处理的时间顺序。另外，也易于理解，这些处理可以是 例如在多个模块中同步或异步执行的。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想 到本公开的其他实施例。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者 适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理 并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明 书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由权利要求指 出。
应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的 精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范 围仅由所附的权利要求来限。
Claims (7)
1.一种可实现有源功率解耦的准单级AC/DC变换器电路，其特征在于，所述AC/DC变换器电路包括：输入电路、图腾柱式PFC电路、半桥式DC/DC变换电路以及输出负载，其中：
所述输入电路，用于为AC/DC变换器电路供电，包括火线、零线；
所述图腾柱式PFC电路，与所述输入电路相连，包括第一电感、第一二极管、第二二极管、第一开关管以及第二开关管，用于在第一开关管与第二开关管互补开通时，将所述输入电路的交流电转换成直流电；
所述半桥式DC/DC变换电路，与所述图腾柱式PFC电路相连，包括与所述图腾柱式PFC电路共用的第一开关管、第二开关管，第一电容器、第二电容器、变压器、第三二极管、第四二极管、第三开关管、第四开关管以及第三电容器，用于通过控制第三开关管、第四开关管，使所述图腾柱式PFC电路输出的直流电的输出功率在一个开关周期内的平均值保持恒定，实现对所述图腾柱式PFC电路的输入输出功率解耦；
所述输出负载，与所述半桥式DC/DC变换电路相连，用于通过输出负载电压的采样实现对所述半桥式DC/DC变换电路的第三开关管、第四开关管的控制；
其中，所述输入电路的一端与所述图腾柱式PFC电路的第一电感相连，一端与所述图腾柱式PFC电路的第一二极管、第二二极管的中点相连。
2.如权利要求1所述的AC/DC变换器电路，其特征在于，
所述图腾柱式PFC电路的第一电感一端与第一开关管、第二开关管的中点相连，第一二极管与第二二极管串联、第一开关管与第二开关管串联后并联。
3.如权利要求1所述的AC/DC变换器电路，其特征在于，
所述半桥式DC/DC变换电路的第一开关管与第二开关管串联、第一电容器与第二电容器串联后与所述图腾柱式PFC电路第一二极管与第二二极管串联后并联，所述变压器原边一端与所述第一开关管与第二开关管的中点相连，一端与第一电容器与第二电容器的中点相连，所述变压器副边一端与第三二极管相连、一端与第四二极管相连，所述第三二极管一端与第三开关管相连，所述第四二极管一端与第四开关管相连，所述第三开关管、第四开关管分别与第三电容器相连。
4.如权利要求1所述的AC/DC变换器电路，其特征在于，所述输出负载与所述半桥式DC/DC变换电路的第三电容器并联。
5.如权利要求1所述的AC/DC变换器电路，其特征在于，所述图腾柱式PFC电路的第一开关管、第二开关管以0.5占空比互补开通，将所述输入电路的交流电转换成直流电。
6.如权利要求1所述的AC/DC变换器电路，其特征在于，所述半桥式DC/DC变换电路还包括第二电感、第三电感，用于使所述半桥式DC/DC变换电路实现稳定功率输出，所述第二电感一端与第一开关管、第二开关管的中点相连，一端与变压器原边相连；所述第三电感与变压器原边并联。
7.如权利要求1所述的AC/DC变换器电路，其特征在于，所述AC/DC变换器电路还包括：
控制电路，用于接收通过采样输出负载的输出电压，与预设输出电压参考值比较，生成控制信号，并通过所述控制信号控制所述半桥式DC/DC变换电路的第三开关管、第四开关管，实现对所述AC/DC变换器电路的有源功率解耦。
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| CN109643950A (zh) * | 2016-08-26 | 2019-04-16 | 依赛彼公司 | 具有双象限转换器的改进的电源及操作技术 |
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| IMAN ASKARIAN等: "A Novel Single-Stage AC/DC Converter Used in Battery Charger Applications", 《IEEE》 * |
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|---|---|---|---|---|
| CN114123821A (zh) * | 2021-11-09 | 2022-03-01 | 北京航空航天大学 | Ac/dc变换器电路的有源功率解耦方法 |
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