CN113224957A - Ac-dc电源变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种AC‑DC电源变换电路及其变换方法，通过连接在整流电路后的双向直流变换器将直流母线电压维持在满足后级直流变换器的输入电压要求以上，从而延长了交流输入电源向后级直流变换器提供能量的时间区间的长度，且降低了整流电路中的第一电容和直流变换器第二端的第二电容的容量和体积的需求，从而可以大大降低整流桥后电容的总体积，以减小电源变换器的体积，进而提高电源变换器的功率密度。

Description

AC-DC电源变换器
技术领域
本发明涉及一种电力电子技术，更具体地说，涉及一种AC-DC电源变换电路及其变换方法。
背景技术
目前在AC/DC且无PFC要求的应用场合下，一般采用两级式电源架构，如图1所示，前级整流桥将交流电压Vac整流成直流母线电压Vbus；后级直流变换器将直流母线电压Vbus转换成需要的电压等级作为输出电压Vo以为负载Rload供电。在此应用场合下，前级整流桥后的直流母线电压Vbus需在一定范围内才能保证后级直流变换器的正常工作，参见图2中所示的AC-DC电源变换电路的工作波形图。
因此，一方面为了满***流低压输入满载情况下的直流母线电压要求，整流桥输出端的电容C往往需要较大的容值；另一方面为了满***流高压输入时的耐压要求，整流桥输出端的电容C往往需要较高的耐压。高容值高耐压的工作需求导致整流桥后电容C的体积较大，最终导致变换器的体积较大，从而降低了AC-DC电源变换器的功率密度。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种AC-DC电源变换电路及其变换方法，以解决现有的AC-DC电源变换器的功率密度较小问题。
本发明提供一种AC-DC电源变换器，其特征在于，包括：
整流电路，用以对交流输入电源进行整流后输出直流母线电压；
直流变换器，级联在所述整流电路后级，用以接收所述直流母线电压并将其进行功率变换，以生成输出电压或输出电流为负载供电；
双向直流变换器，用以抬升所述直流母线电压的谷值以使得所述直流母线电压满足所述直流变换器的输入电压要求的时间区间增大。
优选地，所述双向直流变换器用以使得所述直流母线电压维持在第一阈值以上。
优选地，所述第一阈值由所述直流变换器的最低输入电压决定。
优选地，所述整流电路的输出端具有第一电容，所述双向直流变换器的第一端连接至所述第一电容的非接地端以及所述直流变换器的输入端的公共节点。
优选地，所述双向直流变换器的第二端连接至第二电容，其中，所述第二电容的容值大于所述第一电容。
优选地，所述双向直流变换器在所述直流母线电压大于所述第一阈值时的至少部分时间区间内，将能量从所述整流电路的输出端传递至所述双向直流变换器的第二端，其中，所述双向直流变换器的第一端连接至所述整流电路的输出端。
优选地，所述双向直流变换器在所述直流母线电压大于所述第一阈值时的第一时间区间内，将能量从所述整流电路的输出端传递至所述双向直流变换器的第二端，其中，所述第一时间区间处于所述直流母线电压大于第一阈值且所述直流母线电压到达峰值期间。
优选地，所述第一时间区间的起始时间比所述直流母线电压大于所述第一阈值的时刻延迟预定时间，在所述直流母线电压到达峰值时结束。
优选地，所述双向直流变换器在所述直流母线电压大于所述第一阈值时的部分时间区间内停止工作。
优选地，所述双向直流变换器在所述直流母线电压大于所述第一阈值后的第二时间区间内停止工作，其中所述第二时间区间起始于所述双向直流变换器的第二端的电压达到第二阈值，结束于所述输入交流电源的电压绝对值小于所述第一阈值，其中，所述双向直流变换器的第一端连接至所述整流电路的输出端。
优选地，所述双向直流变换器在所述直流母线电压大于所述第一阈值时的第三时间区间内停止工作，其中所述第三时间区间为所述直流母线电压大于所述第一阈值时刻后的预定时间。
优选地，所述双向直流变换器在所述输入交流电源的电压绝对值小于所述第一阈值的时间区间内，将所述双向直流变换器的第二端的能量传递至所述整流电路的输出端，以使得所述直流母线电压维持在所述第一阈值以上，其中，所述双向直流变换器的第一端连接至所述整流电路的输出端。
本发明的AC-DC电源变换电路，通过连接在整流电路后的双向直流变换器将直流母线电压维持在满足后级直流变换器的输入电压要求以上，从而延长了交流输入电源向后级直流变换器提供能量的时间区间的长度，且降低了整流电路中的第一电容和直流变换器第二端的第二电容的容量和体积的需求，从而可以大大降低整流桥后电容的总体积，以减小电源变换器的体积，进而提高电源变换器的功率密度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为现有的AC-DC电源变换电路的电路示意图；
图2为现有的AC-DC电源变换电路的工作波形图；
图3为依据本发明的AC-DC电源变换电路的电路示意图；
图4为依据本发明的AC-DC电源变换电路的工作波形图；
图5为依据本发明的一个实施例中双向直流变换器的电路图。
具体实施方式
以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细叙述。
此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。
同时，应当理解，在以下的描述中，“电路”是指由至少一个元件或子电路通过电气连接或电磁连接构成的导电回路。当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件/电路“连接在”两个节点之间时，它可以是直接耦接或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件“直接耦接到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。
除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
图3为依据本发明的AC-DC电源变换电路的电路示意图。如图3所示，AC-DC电源变换电路包括整流电路31、直流变换器32以及双向直流变换器33。其中，整流电路31，用以对交流输入电源Vac进行整流后输出直流母线电压Vbus；直流变换器32，其并联连接在整流电路31的正输出端与负输出端之间且级联在整流电路31后级，用以接收直流母线电压Vbus并将其进行功率变换，以生成输出电压Vo或输出电流Io为负载Rload提供能量；双向直流变换器33，用以抬升直流母线电压Vbus的谷值，即增大直流母线电压Vbus处于谷底时的电压幅值以使得直流母线电压Vbus满足直流变换器32的输入电压要求的时间区间增大。
本实施例中，整流电路31可采用集成整流桥或由多个分立器件构成的整流器等，可用于对接入的交流输入电源进行同步整流输出。应当理解，本文各实施例中提到的“接地”并不是指连接到实际的大地(大地零电位)，而是表示连接到电路的低电位参考端。例如，若以电源负极为低电位参考端，则该“接地”即指电源负极。
在本发明中，设置为整流电路31的输出端并联有容值和体积均较小的第一电容C1，双向直流变换器33的第一端连接至第一电容C1的非接地端以及直流变换器32的输入端的公共节点；双向直流变换器33的第二端连接第二电容C2，其中，第二电容C2的容值大于第一电容C1，且第一电容C1和第二电容C2的体积之和，也小于对比例(图1)中的整流桥输出端的电容C的体积。由于本发明的AC-DC电源变换电路，不需要使得第一电容C1具有较大的容值来满***流低压输入满载情况下的直流母线电压要求，而是通过双向直流变换器33在输入交流电源Vac的电压绝对值较小时，将双向直流变换器33的第二端的能量传递至其第一端，即整流电路31的输出端，以使得直流母线电压Vbus维持在一较高的电压阈值以上。从而可以实现减小电容体积以提高电源变换器的功率密度的目的。
双向直流变换器33为双向变换器，以使得能量可以双向传递。当双向直流变换器33的第一端为输入端，也即直流母线电压Vbus为输入端电压，第二端为输出端时，能量从直流母线传递到第二电容C2，这里称之为双向直流变换器33正向工作；当双向直流变换器33的第二端为输入端，也即第二电容C2上的电压Vc2为输入端电压，第一端为输出端时，能量从第二电容C2传递到直流母线，即传递至第一电容C1上，相对应的，这里称之为双向直流变换器33反向工作。
需要说明的是，当双向直流变换器33正向工作时，在一种可能的实施方式中，可以采用输出电压闭环控制，通过使得双向直流变换器33第二端的电压，也即第二电容C2上的电压Vc2的参考电压为第二阈值Vth2，进而使第二电容C2上的电压Vc2维持在第二阈值Vth2附近；在另一种可能的实现方式中，也可以采用迟滞控制，通过在第二电容C2上的电压Vc2上升到第三阈值Vth3时使得双向直流变换器33停止工作，在第二电容C2上的电压Vc2下降到第二阈值Vth2时使得双向直流变换器33再次开始工作，从而使得第二电容C2上的电压Vc2不小于第二阈值Vth2且不大于第三阈值Vth3，其中，第三阈值Vth3大于第二阈值Vth2。
同理，当双向直流变换器33反向工作时，在一种可能的实施方式中，可以采用输出电压闭环控制，通过使得双向直流变换器33第一端的电压，也即第一电容C1上的直流母线电压Vbus的参考电压为第一阈值Vth1，进而使直流母线电压Vbus维持在第一阈值Vth1附近；在另一种可能的实现方式中，也可以采用迟滞控制，通过在直流母线电压Vbus上升到第四阈值Vth4时使得双向直流变换器33停止工作，在直流母线电压Vbus下降到第一阈值Vth1时使得双向直流变换器33再次开始工作，从而使得直流母线电压Vbus不小于第一阈值Vth1且不大于第四阈值Vth4，其中，第四阈值Vth4大于第一阈值Vth1。
本发明的技术方案与现有的技术方案相比，延长了交流输入电源Vac向后级直流变换器32提供能量的时间区间的长度，降低了整流桥后第一电容C1和第二电容C2容量和体积的需求，从而可以大大降低整流桥后电容的总体积，以减小电源变换器的体积，进而提高电源变换器的功率密度。
具体地，双向直流变换器33在直流母线电压Vbus大于第一阈值Vth1时的至少部分时间区间内，将能量从双向直流变换器33的第一端传递至双向直流变换器33的第二端，也即正向工作，其中，第一阈值Vth1的取值根据直流变换器32的最低输入电压来设置；双向直流变换器33在输入交流电源Vac的电压绝对值小于第一阈值vth1的全部时间区间，记为第四时间区间T4内，将双向直流变换器33的第二端的能量传递至其第一端，以使得直流母线电压Vbus维持在第一阈值Vth1以上以满足直流变换器32的最低输入电压的需求。
进一步地，双向直流变换器33在直流母线电压Vbus大于第一阈值Vth1的第一时间区间T1内，将能量从整流电路31的输出端传递至双向直流变换器33的第二端，使得第二电容C2上的电压Vc2维持在第二阈值Vth2，其中，第一时间区间T1处于直流母线电压Vbus大于第一阈值Vth1后且直流母线电压Vbus到达峰值期间，并包括达到峰值的时刻，也即，第一时间区间T1的开始时刻不早于直流母线电压Vbus大于第一阈值Vth1的时刻，且结束时刻不晚于直流母线电压Vbus到达峰值的时刻，第一时间区间T1为所述开始时刻与结束时刻之间的全部或部分时间。
更进一步地，第一时间区间T1起始于直流母线电压Vbus大于第一阈值Vth1后延迟预定时间Tth，结束于直流母线电压Vbus到达峰值时刻。
进一步地，双向直流变换器33在直流母线电压Vbus大于第一阈值Vth1时的部分时间区间内停止工作。
更进一步地，双向直流变换器33在直流母线电压Vbus大于第一阈值Vth1时的第二时间区间T2内停止工作，其中第二时间区间T2起始于双向直流变换器33的第二端的电压，即第二电容C2上的电压Vc2达到第二阈值Vth2，结束于输入交流电源Vac的电压绝对值小于第一阈值Vth1的时刻。
更进一步地，双向直流变换器33在直流母线电压Vbus大于第一阈值Vth1时的第三时间区间T3内停止工作，其中第三时间区间T3为直流母线电压Vbus大于第一阈值Vth1时刻后的预定时间Vth。需要说明的是，在一些实施方式中，第三时间区间T3可以不存在，其在该第三时间区间T3内，双向直流变换器33也是工作在正向工作模式，第三时间区间T3被包含在上述第一时间区间T1内。
图4为依据本发明的AC-DC电源变换电路的工作波形图。下面结合图4，来详细阐述本发明的AC-DC电源变换电路的工作过程及其工作机理：
在[t0，t1]时间段，即第一时间区间T1内，整流电路31中的整流桥导通，直流母线电压Vbus跟随交流输入电源Vac的电压绝对值变化。双向直流变换器33正向工作，将能量从直流母线传递到第二电容C2，因而第二电容C2两端的电压Vc2上升。该时间段由第一电容C1和交流输入电源Vac共同给后级直流变换器32提供能量；
在[t1，t2]时间段，即第二时间区间T2内，因为第一电容C1的容值较小，直流母线电压Vbus依然跟随交流输入电源Vac的电压绝对值变化，整流电路31中的整流桥导通，此时第二电容C2两端的电压Vc2充到第二阈值Vth2，双向直流变换器33停止工作，第二电容C2两端电压Vc2保持不变。该时间段由第一电容C1和交流输入电源Vac共同给后级直流变换器32提供能量；
在[t2，t3]时间段，即第四时间区间T4内，双向直流变换器33的能量从第二电容C2传递到直流母线，此时交流输入电源Vac的电压绝对值小于双向直流变换器33的第一端的参考电压也即第一阈值Vth1，因而，优选地，双向直流变换器33闭环工作，控制直流母线电压Vbus维持于第一阈值Vth1，第二电容C2两端的电压Vc2下降，整流电路31关断。该时间段由第一电容C1和第二电容C2共同给后级直流变换器32提供能量；
在[t3，t4]时间段，即第三时间区间T3内，交流输入电源Vac的电压绝对值大于双向直流变换器33的第一端的参考电压也即第一阈值Vth1，整流电路31中的整流桥导通，直流母线电压Vbus跟随交流输入电源Vac的电压绝对值变化。双向直流变换器33不工作，第二电容C2两端电压Vc2保持不变。该时间段由第一电容C1和交流输入电源Vac共同给后级直流变换器32提供能量。
由此可见，本发明的技术方案与现有的技术方案相比，可以通过连接在整流电路31后的双向直流变换器33将直流母线电压维持在满足后级直流变换器32的输入电压要求以上，从而延长了交流输入电源Vac向后级直流变换器32提供能量的时间区间的长度，且降低了整流电路31中的第一电容C1和直流变换器32第二端的第二电容C2的容量和体积的需求，从而可以大大降低整流桥后电容的总体积，以减小电源变换器的体积，进而提高电源变换器的功率密度。
图5为依据本发明的一个实施例中双向直流变换器的电路图。这里，以双向直流变换器33为双向BOOST变换器为例，双向BOOST变换器由电感L第一开关管Q1、第二开关管Q2以及第二电容C2组成。双向BOOST变换器的第一端接收直流母线电压Vbus，双向BOOST变换器将其第一端的直流母线电压Vbus进行正向电压变换得到第二电容C2两端的电压Vc2；双向BOOST变换器将其第二端的第二电容C2两端的电压Vc2进行反向电压变换得到直流母线电压Vbus。双向BOOST变换器由电感L第一开关管Q1、第二开关管Q2以及第二电容C2组成。需要说明的是，双向直流变换器33可以是任何的双向DC/DC拓扑，例如还可以双向BUCK变换器，双向CUK变换器、双向BUCK-BOOST变换器等。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理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保护范围之内。

Claims (12)

1.一种AC-DC电源变换器，其特征在于，包括：
整流电路，用以对交流输入电源进行整流后输出直流母线电压；
直流变换器，级联在所述整流电路后级，用以接收所述直流母线电压并将其进行功率变换，以生成输出电压或输出电流为负载供电；
双向直流变换器，用以抬升所述直流母线电压的谷值以使得所述直流母线电压满足所述直流变换器的输入电压要求的时间区间增大。
2.根据权利要求1所述的AC-DC电源变换器，其特征在于，所述双向直流变换器用以使得所述直流母线电压维持在第一阈值以上。
3.根据权利要求2所述的AC-DC电源变换器，其特征在于，所述第一阈值由所述直流变换器的最低输入电压决定。
4.根据权利要求1所述的AC-DC电源变换器，其特征在于，所述整流电路的输出端具有第一电容，所述双向直流变换器的第一端连接至所述第一电容的非接地端以及所述直流变换器的输入端的公共节点。
5.根据权利要求4所述的AC-DC电源变换器，其特征在于，所述双向直流变换器的第二端连接至第二电容，其中，所述第二电容的容值大于所述第一电容。
6.根据权利要求2所述的AC-DC电源变换器，其特征在于，所述双向直流变换器在所述直流母线电压大于所述第一阈值时的至少部分时间区间内，将能量从所述整流电路的输出端传递至所述双向直流变换器的第二端，其中，所述双向直流变换器的第一端连接至所述整流电路的输出端。
7.根据权利要求6所述的AC-DC电源变换器，其特征在于，所述双向直流变换器在所述直流母线电压大于所述第一阈值时的第一时间区间内，将能量从所述整流电路的输出端传递至所述双向直流变换器的第二端，其中，所述第一时间区间处于所述直流母线电压大于第一阈值且所述直流母线电压到达峰值期间。
8.根据权利要求7所述的AC-DC电源变换器，其特征在于，所述第一时间区间的起始时间比所述直流母线电压大于所述第一阈值的时刻延迟预定时间，在所述直流母线电压到达峰值时结束。
9.根据权利要求2所述的AC-DC电源变换器，其特征在于，所述双向直流变换器在所述直流母线电压大于所述第一阈值时的部分时间区间内停止工作。
10.根据权利要求9所述的AC-DC电源变换器，其特征在于，所述双向直流变换器在所述直流母线电压大于所述第一阈值后的第二时间区间内停止工作，其中所述第二时间区间起始于所述双向直流变换器的第二端的电压达到第二阈值，结束于所述输入交流电源的电压绝对值小于所述第一阈值，其中，所述双向直流变换器的第一端连接至所述整流电路的输出端。
11.根据权利要求9所述的AC-DC电源变换器，其特征在于，所述双向直流变换器在所述直流母线电压大于所述第一阈值时的第三时间区间内停止工作，其中所述第三时间区间为所述直流母线电压大于所述第一阈值时刻后的预定时间。
12.根据权利要求2所述的AC-DC电源变换器，其特征在于，所述双向直流变换器在所述输入交流电源的电压绝对值小于所述第一阈值的时间区间内，将所述双向直流变换器的第二端的能量传递至所述整流电路的输出端，以使得所述直流母线电压维持在所述第一阈值以上，其中，所述双向直流变换器的第一端连接至所述整流电路的输出端。
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