CN214337811U - 一种交流直流变换电路 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种交流直流变换电路，包括前级变换电路、第一电容和直流变换电路，所述前级变换电路、第一电容和直流变换电路并联，其特征在于，还包括有源电容模块，所述有源电容模块的输入端与所述第一电容并联，所述有源电容模块包括第二电容，当所述第一电容两端的电压幅值高于第一电压设定值时，所述有源电容模块为所述第二电容进行充电储能；当所述第一电容两端的电压幅值低于第二电压设定值时，所述有源电容模块为所述第二电容进行放电。本实用新型提供的交流直流变换电路，能有效提高整流电压的波谷电压，维持输出电压的稳定，缩减了体积，便于实现小型化设计。
Description
技术领域
本实用新型涉及电子技术领域，具体涉及一种交流直流变换电路。
背景技术
一般AC/DC等电能变换器需要储能电容并接在母线上存储能量，以减小母线电压波动范围，优化变换器设计。如图1所示为一种反激变换器的电路图，二极管D1、D2、D3、D4构成整流电路，将交流输入整流成为脉动直流电压，再经过电解电容Crec_in滤波，得到波动较小的直流电压。当主开关管S1导通时，变压器T1副边电压为上负下正，二极管D5反向截止，变压器T1储能，由电容C0向负载提供能量；当主开关管S1关断时，变压器T1副边电压为上正下负，二极管D5导通，变压器T1向负载供电，同时对电容C0充电，补充损失的能量。
电解电容Crec_in如果容值选取得小，变换器整流后电压波动较大，导致后级设计困难，尺寸大效率低；严重时(例如输出满功率时)脉动直流电压Vbus波谷会比较低，甚至降到0V，输出电压无法维持，因而电解电容Crec_in容值一般选得比较大。
同时，变换器电路中的储能电容需要较大容值，一般采用电解电容，尺寸大，不利于实现适配器的小巧、轻便设计，另外电解电容使用寿命短，产品寿命受限。
实用新型内容
本实用新型提供了一种交流直流变换电路，能有效提高整流电压的波谷电压，维持输出电压的稳定，缩减了体积，便于实现小型化设计。
本实用新型采用的技术方案是：
一种交流直流变换电路，包括前级变换电路、第一电容和直流变换电路，所述前级变换电路、第一电容和直流变换电路并联，还包括有源电容模块，所述有源电容模块的输入端与所述第一电容并联，所述有源电容模块包括第二电容，当所述第一电容两端的电压幅值高于第一电压设定值时，所述有源电容模块为所述第二电容进行充电储能；当所述第一电容两端的电压幅值低于第二电压设定值时，所述有源电容模块为所述第二电容进行放电。
具体地，所述前级变换电路为一整流电路，所述直流变换电路为一反激变换电路。
具体地，所述有源电容模块还包括一电感、第一开关和第二开关，所述电感与所述第一开关串联后并联连接在所述第一电容两端，所述第二开关与所述第二电容串联连接后与所述第一开关并联连接。
具体地，当所述第一电容两端的电压高于第一电压设定值时，所述第一开关和第二开关同步互补工作，所述第二电容进行充电储能；当所述第一电容两端的电压低于第二电压设定值时，所述第一开关和第二开关同步互补工作，所述第二电容释放电能，提高所述第一电容两端的电压幅值。
具体地，所述有源电容模块还包括一电感、第一开关、第二开关、第三开关和第四开关，所述第三开关与所述第四开关串联后并联连接在所述第一电容的两端，所述电感与所述第一开关串联连接后与所述第三开关并联连接，且所述第一开关的一端与所述第一电容的一端连接，所述第二开关与所述第二电容串联后与所述第一开关并联连接。
具体地，当所述第一电容两端的电压高于第一电压设定值时，所述第三开关断开，所述第四开关闭合，所述第一开关和第二开关同步互补工作，所述第二电容进行充电储能；当所述第一电容两端的电压低于第二电压设定值时，所述第三开关断开，所述第四开关闭合，所述第一开关和第二开关同步互补工作，所述第二电容释放电能，提高所述第一电容两端的电压幅值。
具体地，当所述第二电容两端的电压低于所述第一电容两端的电压时，所述第一开关断开，所述第二开关闭合，所述第三开关和第四开关同步互补工作，所述第二电容进一步释放电能。
在本实用新型提供的交流直流变换电路中，可以使用MLCC电容代替大容量电解电容，既有效提高了整流电压的波谷电压，维持输出电压的稳定，又缩减了体积，便于实现小型化设计。由于电容Cbulk储能时，电路工作在升压充电模式，可以选择高压电容来存储更多能量，能大大提高储能电容利用率，在交流电压输入的高低压段都可以最大限度利用电容储能电压。
为让实用新型的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图式作详细说明如下。
附图说明
图1为已知技术的反激变换器的电路图；
图2为本实用新型提供的交流直流变换电路的结构示意图；
图3为有源电容模块的第一实施例电路图；
图4为有源电容模块的第二实施例电路图；
图5为交流直流变换电路一具体实施例的电路图；
图6为图5所示的交流直流变换电路的仿真波形图。
具体实施方式
为使本实用新型实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本实用新型实施例的附图，对本实用新型实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本实用新型的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
本实用新型中所述的“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)用于在类似要素之间进行区别，并且不一定是描述特定的次序或者按时间的顺序。要理解，这样使用的这些术语在适当的环境下是可互换的，使得在此描述的主题的实施例如是能够以与那些说明的次序不同的次序或者以在此描述的另外的次序来进行操作。另外，凡可能之处，在图示及实施方式中使用相同标号的组件/构件/步骤，系代表相同或类似部件。
如图2所示，本实用新型提供了一种交流直流变换电路，包括前级变换电路21、第一电容Crec_in、直流变换电路22和有源电容模块23，所述前级变换电路21、第一电容Crec_in、直流变换电路22和有源电容模块23之间相互并联连接。所述前级变换电路21通常为一整流电路，交流电压Vac经整流电路整流后，输出一整流电压Vdc，再经第一电容Crec_in滤波后，为直流变换电路22提供输入电压；有源电容模块23具有储能和放电的功能，在放电过程中能够泵高整流电压Vdc的波谷电压，减小整流电压Vdc的波动范围，为直流变换电路22提供波动较小的输入电压。下面将以具体实施例来详细阐述本实用新型的方案。
图3所示为有源电容模块33的电路图，有源电容模块33包括电感Lv、第二电容Cbulk、第一开关Q1和第二开关Q2。第一开关Q1和第二开关Q2优选为高频开关管。电感Lv与第一开关Q1串联后再与第一电容Crec_in并联连接，所述第一电容Crec_in两端连接一输入电压Vdc；第二开关Q2与第二电容Cbulk串联连接后再与第一开关Q1并联连接。
通常情况下，输入电压Vdc为经过整流电路整流后得到的脉动直流电压，输入电压Vdc再经第一电容Crec_in滤波，进一步减小电压波动幅度，得到直流电压Vrec，输入到有源电容模块33中。输入电压Vdc为一脉动电压，具有波峰电压和波谷电压。根据实际电路使用情况，在输入电压Vdc的波峰电压附近，设置第一电压设定值V1，在波谷电压附近设置第二电压设定值V2。
在波峰电压附近，当输入电压Vdc的电压幅值上升到高于第一电压设定值V1时，第一开关Q1和第二开关Q2同步互补工作，电感Lv、第一开关Q1和第二开关Q2构成boost升压变换电路，输入电压Vdc通过boost升压变换电路给第二电容Cbulk充电，第二电容Cbulk储存能量；当输入电压Vdc的电压幅值下降到低于第一电压设定值V1时，第一开关Q1和第二开关Q2断开并保持，第二电容Cbulk储能结束。
在波谷电压附近，当输入电压Vdc的电压幅值下降到低于第二电压设定值V2时，第一开关Q1和第二开关Q2同步互补工作，电感Lv、第一开关Q1和第二开关Q2构成buck降压变换电路，第二电容Cbulk经buck电路向第一电容Crec_in释放能量，提高输入电压Vdc的幅值；当输入电压Vdc的电压幅值上升到高于第二电压设定值V2时，第一开关Q1和第二开关Q2断开并保持，第二电容Cbulk放电结束。
图3所示的有源电容模块33的能量是可以双向流动的，第二电容Cbulk储存能量时，电路工作在升压充电模式，可以提高储能电压。因此，第二电容Cbulk可以选择储能密度较高的高压MLCC(Multi-layer ceramic capacitors，片式多层陶瓷电容器)电容来储能，减小储能电容尺寸；同时，在输入电压的高低压段均可以最大限度地利用电容储能电能。
图4所示为有源电容模块43的电路图，有源电容模块43包括电感Lv、第一开关Q1、第二开关Q2、第三开关Q3和第四开关Q4，第三开关Q3与第四开关Q4串联后并联连接在第一电容Crec_in的两端，电感Lv与第一开关Q1串联连接后与第三开关Q3并联连接，且第一开关Q1的一端与第一电容Crec_in的一端连接，第二开关Q2与第二电容Cbulk串联后与第一开关Q1并联连接。
同样，根据实际电路使用情况，在输入电压Vdc的波峰电压附近，设置第一电压设定值V1，在波谷电压附近设置第二电压设定值V2。在波峰电压附近，当输入电压Vdc的电压幅值上升到高于第一电压设定值V1时，第三开关Q3保持断开状态，第四开关Q4保持闭合状态，第一开关Q1和第二开关Q2同步互补工作，电感Lv、第一开关Q1、第二开关Q2和第四开关Q4构成boost升压电路，输入电压Vdc通过boost升压电路给第二电容Cbulk充电储能；当输入电压Vdc的电压幅值下降到低于第一电压设定值V1时，第二电容Cbulk充电结束。在波谷电压附近，当输入电压Vdc的电压幅值下降到低于第二电压设定值V2时，第三开关Q3保持断开状态，第四开关Q4保持闭合状态，第一开关Q1和第二开关Q2同步互补工作，电感Lv、第一开关Q1、第二开关Q2和第四开关Q4构成buck降压电路，第二电容Cbulk经buck降压电路向第一电容Crec_in释放能量，提高输入电压Vdc的幅值。
当第二电容Cbulk两端的电压下降到低于输入电压Vdc时，可以将第二开关Q2保持闭合，第一开关Q1保持断开，第三开关Q3和第四开关Q4同步互补工作，此时有源电容模块43构成一boost电路，第二电容Cbulk进一步释放剩余能量，提高储能电容利用率。
随着技术的发展，如果低压电容如钽聚合物电容等的储能密度更高，那么本实施例提供的有源电容模块43也可以采用低压电容储能，工作模式变为：正向buck电路充电；反向放电时，根据需要的电压，可以设置为boost模式放电或buck模式放电，具体工作原理在此不再赘述。
图5所示为本实用新型提供的一种交流直流变换电路一具体实施例的电路图，该交流直流变换电路包括交流电源Vac、整流电路51、第一电容Crec_in，直流变换电路52和有源电容模块53，整流电路51的两输入端并联在交流电源Vac的两端，整流电路52、第一电容Crec_in、直流变换电路52和有源电容模块53相互并联连接。整流电路51可为半桥整流电路，也可为全桥整流电路，本实用新型并不以此为限。有源电容模块53采用如图3所示的电路结构，直流变换电路52为一反激变换器，该反激变换器可为准谐振反激变换器或有源箝位反激变换器，也可为其他结构的反激变换器，S2可以是二极管或同步整流管。直流变换电路52包括主开关管S1、变压器T1、电容C0和开关S2；当主开关管S1导通时，变压器T1副边上的电压为上负下正，开关S2断开，变压器T1储能；当主开关管S1断开时，变压器T1副边电压上正下负，开关S2导通，变压器T1向负载供电。
在图5所示的交流直流变换电路中，交流电源Vac经整流电路51整流后输出一脉动直流电压Vrec，经第一电容Crec_in滤波后输入给直流变换电路52和有源电容模块53。
图6示出了图5所示的交流直流变换电路的仿真波形图，Vbulk为第二电容Cbulk两端的电压，Vrec为没有增加有源电容模块53的Crec_in两端的整流电压，Vrec_in为增加有源电容模块53后Crec_in两端的电压。
在整流电压Vrec上升至接近波峰时，在t0时刻，整流电压Vrec幅值等于第一电压设定值V1，越过t0时刻，整流电压Vrec幅值大于第一电压设定值V1时，第一开关Q1和第二开关Q2开始同步互补工作，构成boost升压电路，整流电压Vrec通过boost电路给第二电容Cbulk充电，同时，整流电压Vrec向直流变换电路52提供电压。越过t1时刻，整流电压Vrec的幅值小于第一电压设定值V1，第一开关Q1和第二开关Q2断开，第二电容Cbulk储能结束并维持电压。
在t2时刻，整流电压Vrec幅值下降到第二电压设定值V2，第一开关Q1和第二开关Q2开始同步互补工作，构成buck降压电路，第二电容Cbulk开始向第一电容Crec_in放电，有源电容模块53输出一电压Vt。在t2～t3时间段，整流电压Vrec幅值高于电压Vt的电压幅值，仍由整流电压Vrec向直流变换电路52提供输入电压。在t3～t4时间段，整流电压Vrec幅值逐渐减小，当电压Vt的电压幅值大于整流电压Vrec幅值时，电压Vt泵高整流电压Vrec的波谷电压幅值，由电压Vt向直流交换电路52提供恒压输入。
在一个工作周期中，输入到直流变换电路52中的Vrec_in电压波形如图6所示，可以看出，如果没有电压Vt的存在，随着整流电压Vrec沿曲线下降到接近0V，向直流变换电路52提供的输入电压也将下降接近0V，这样输入电压的幅度波动范围较大，加入了电压Vt之后，输入到直流变换电路52的电压波动范围减小了。
在t4时刻，第二电容Cbulk两端的电压幅值下降到与整流电压Vrec的电压幅值相等，开始由整流电压Vrec维持功率输出。至t5时刻，有源电容模块53停止工作，第一开关Q1和第二开关Q2都断开。到t6时刻，有源电容模块53开始新一个周期工作。
针对不同工况或者适配器应用时，本实用新型提供的有源电容模块的输出电压可以随变流直流变换电路的不同输出做出相应调节，如工作时间段、输出电压等。
由于有源电容模块工作时间短，平均功率小，储能方法灵活可控(如采用高储能密度高压MLCC电容高压储能等)，所以有源电容模块所需的储能大幅减少，完全可以不采用电解电容，有源电容模块本身也可以通过高频化减小电路体积，从而解决电解电容的尺寸、寿命问题。
虽然本实用新型已以实施例揭露如上，然其并非用以限定本实用新型，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本实用新型的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本实用新型的保护范围当视后附的申请专利范围所界定者为准。
Claims (7)
1.一种交流直流变换电路，包括前级变换电路、第一电容和直流变换电路，所述前级变换电路、第一电容和直流变换电路并联，其特征在于，还包括有源电容模块，所述有源电容模块的输入端与所述第一电容并联，所述有源电容模块包括第二电容，当所述第一电容两端的电压幅值高于第一电压设定值时，所述有源电容模块为所述第二电容进行充电储能；当所述第一电容两端的电压幅值低于第二电压设定值时，所述有源电容模块为所述第二电容进行放电。
2.如权利要求1所述的交流直流变换电路，其特征在于，所述前级变换电路为一整流电路，所述直流变换电路为一反激变换电路。
3.如权利要求1所述的交流直流变换电路，其特征在于，所述有源电容模块还包括一电感、第一开关和第二开关，所述电感与所述第一开关串联后并联连接在所述第一电容两端，所述第二开关与所述第二电容串联连接后与所述第一开关并联连接。
4.如权利要求3所述的交流直流变换电路，其特征在于，当所述第一电容两端的电压高于第一电压设定值时，所述第一开关和第二开关同步互补工作，所述第二电容进行充电储能；当所述第一电容两端的电压低于第二电压设定值时，所述第一开关和第二开关同步互补工作，所述第二电容释放电能，提高所述第一电容两端的电压幅值。
5.如权利要求1所述的交流直流变换电路，其特征在于，所述有源电容模块还包括一电感、第一开关、第二开关、第三开关和第四开关，所述第三开关与所述第四开关串联后并联连接在所述第一电容的两端，所述电感与所述第一开关串联连接后与所述第三开关并联连接，且所述第一开关的一端与所述第一电容的一端连接，所述第二开关与所述第二电容串联后与所述第一开关并联连接。
6.如权利要求5所述的交流直流变换电路，其特征在于，当所述第一电容两端的电压高于第一电压设定值时，所述第三开关断开，所述第四开关闭合，所述第一开关和第二开关同步互补工作，所述第二电容进行充电储能；当所述第一电容两端的电压低于第二电压设定值时，所述第三开关断开，所述第四开关闭合，所述第一开关和第二开关同步互补工作，所述第二电容释放电能，提高所述第一电容两端的电压幅值。
7.如权利要求6所述的交流直流变换电路，其特征在于，当所述第二电容两端的电压低于所述第一电容两端的电压时，所述第一开关断开，所述第二开关闭合，所述第三开关和第四开关同步互补工作，所述第二电容进一步释放电能。
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Cited By (1)
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| WO2023240990A1 (zh) * | 2022-06-17 | 2023-12-21 | Oppo广东移动通信有限公司 | 电源电路、电路控制方法、电源装置和电子设备 |
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2021
- 2021-03-17 CN CN202120548603.0U patent/CN214337811U/zh active Active
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