CN217240569U - 一种开关电源及填谷电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及开关电源领域，提供一种开关电源及填谷电路，其中，开关电源包括第一储能单元、第二储能单元、第三储能单元、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第一绕组、第二绕组。本实用新型可适用于宽电压输入的开关电源领域，当输入电压为低电压输入时，控制第三开关管和第四开关管导通，在输入电压为高电压输入时，控制第三开关管和第四开关管关断。所述储能单元为电容时，本实用新型开关电源可以为不同范围的输入电压提供更为合适灵活的滤波容量，且可以优化高压输入时大电容耐压选型及数量问题，有效减小***体积，降低成本。

Description

一种开关电源及填谷电路

技术领域

本实用新型涉及开关电源领域，尤其涉及宽电压输入的开关电源及填谷电路。

背景技术

工业与民用领域中都经常需要将各种电网的交流电整流为直流电，为了让开关电源满足全球电网标准就需要将开关电源的输入电压设计为满足宽范围输入电压要求，这样不仅给电源设计带来了难度，而且增加了电路中无源器件的选型规格，增加了电路的体积和重量，同时也会带来较大的成本压力，开关电源的输入部分通常由桥式整流电路和滤波电容构成，二者均为非线性器件，由于大容量电容的存在，使得桥式整流电路中的二极管的导通角变得很窄，仅在交流电压输入的峰值部分才会导通，导致交流输入电流发生严重失真，变成尖峰脉冲，这种电流波形中包含大量的谐波分量，不仅会对电网造成影响，而且使得有功功率和功率因数大幅度降低。且当开关电源的主功率电路使用双管串联方案时，存在主功率开关管瞬态不均压现象。

请参考图1，图1为现有的开关电源中的填谷电路与主功率电路的连接图，其中，填谷电路包括二极管D1、二极管D2、二极管D3、开关S1、开关S2和两个储能单元，其中，两个储能单元分别为电容C1、电容C2；主功率电路包括依序串联连接的第一绕组L1、第一开关管Q3、第二绕组L2以及第二开关管Q4。

传统的开关电源具有的串联充电，并联放电的特点，即在高压输入条件下，开关S1和开关S2关断，电容C1和电容C2组成串联回路进行充电，并且通过开关S1和开关S2的体二极管进行并联放电；在低压输入条件下，开关S1和开关S2导通，电容C1和电容C2 并联充电，并联放电。在高压输入时，当电容C1、电容C2串联耐压不足时，则每个电容均需额外串联新的耐压相等的储能单元以满足高压的输入的耐压要求，即需使用双倍数量的电容，以保证每个绕组和电容都均压，成本高且体积大；如图1所示，在高压输入时，为了满足高压输入的耐压要求，需在每个绕组上并联一个储能单元即电容用于均压，如图1 中的电容C3和电容C4,然而在高压输入条件下，该类型的传统开关电源中分别为电容C1 和电容C2的两个储能单元仅用于储能，分别为电容C3和电容C4的两个储能单元仅用于均压，因此在高压输入时需同步串联更多的储能单元来满足储能需求及均压需求，从而才能满足高压输入的耐压需求，进一步导致产品的体积及成本的增加。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型旨在克服上述现有技术中至少一种缺陷，提供一种开关电源及填谷电路，减少主功率电路中的储能单元的使用量，降低成本及产品体积。

本实用新型目的是通过以下技术方案实现的：

一方面，提供一种开关电源，包括：主功率电路以及填谷电路，所述主功率电路包括第一绕组、第二绕组、第一开关管以及第二开关管；

所述填谷电路包括第一储能单元、第二储能单元、第三储能单元、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第三开关管以及第四开关管；

所述第一储能单元的正极用于与所述开关电源的正输入端连接，且所述第一储能单元的正极和所述第一绕组的第一端、所述第三二极管的阴极连接；所述第一储能单元的负极分别连接所述第一二极管的阳极和所述第三开关管的第一端；所述第一绕组的第二端与所述第一开关管的第一端连接；所述第一二极管的阴极连接所述第三储能单元的正极、所述第三二极管的阳极、所述第四开关管的第一端和所述第二绕组的第一端；所述第二绕组的第二端与第二开关管的第一端相连接；所述第二储能单元的正极分别与所述第四开关管的第二端和所述第二二极管的阴极相连；所述第二二极管的阳极分别与所述第一开关管的第二端、所述第三开关管的第二端、所述第四二极管的阴极和所述第三储能单元的负极；所述第二储能单元的负极分别与第二开关管的第二端和第四二极管的阳极相连并接入地。

优选地，所述第一开关管和第二开关管均为MOS管，所述第一开关管和第二开关管的第一端均为MOS管的漏极，第二端均为MOS管的源极。

优选地，所述第三开关管和第四开关管分别为MOS管、继电器、三极管、晶闸管或IGBT。

优选地，所述第一储能单元、所述第二储能单元和所述第三储能单元为参数均一致的储能器件。

优选地，所述第一储能单元、所述第二储能单元和所述第三储能单元均为电解电容。

优选地，所述开关电源工作时，所述第三开关管和所述第四开关管同时开通和关断。

另一方面，提供一种填谷电路，应用于开关电源，所述开关电源具有主功率电路，所述主功率电路包括第一绕组、第二绕组、第一开关管以及第二开关管；

所述填谷电路包括第一储能单元、第二储能单元、第三储能单元、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第三开关管以及第四开关管；

所述第一储能单元的正极用于与所述开关电源的正输入端连接，且所述第一储能单元的正极和所述第一绕组的第一端、所述第三二极管的阴极连接；所述第一储能单元的负极分别连接所述第一二极管的阳极和所述第三开关管的第一端；所述第一绕组的第二端与所述第一开关管的第一端连接；所述第一二极管的阴极连接所述第三储能单元的正极、所述第三二极管的阳极、所述第四开关管的第一端和所述第二绕组的第一端；所述第二绕组的第二端与第二开关管的第一端相连接；所述第二储能单元的正极分别与所述第四开关管的第二端和所述第二二极管的阴极相连；所述第二二极管的阳极分别与所述第一开关管的第二端、所述第三开关管的第二端、所述第四二极管的阴极和所述第三储能单元的负极；所述第二储能单元的负极分别与第二开关管的第二端和第四二极管的阳极相连并接入地。

优选地，所述第一储能单元、所述第二储能单元和所述第三储能单元为参数均一致的储能器件。

与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：

通过控制填谷电路中的开关管的导通与关断，可以调整接入主功率电路中的储能单元的总容量，能够为不同电压范围的输入电压提供合适的储能单元，适用于交流的宽压输入或光伏直流输入场合，有效降低了电路成本，减少了产品体积，提高了电路的可靠性；

在开关电源的输入电压为高压时，填谷电路中的开关管关断，此时三个储能单元以及主功率电路中的绕组为串联充电、并联放电的工作模式，即第三储能单元的能量可以同时给两个绕组供电，实现能量复用的效果，此方案只需要三个储能单元串联即可，相比于传统的方案，本方案采用的储能单元的数量更少，总容值更大，成本更低，体积更小；

3、在开关电源的输入电压为低压时，填谷电路中的开关管开通，此时第三储能单元被旁路，第一储能单元和第二储能单元为串联充电，且单独给各自绕组放电的工作模式，相比高压时储能单元容值增大，从而能储存的能量更多，更利于产品启动；储能单元同时兼顾均压作用，相比原方案低压时采用不同储能单元单独实现储能功能和均压功能的工作模式，本方案更为可靠，且本方案的成本更低，体积更小。

附图说明

图1为为现有的开关电源中的填谷电路与主功率电路的连接图；

图2为本实用新型开关电源第一实施例的原理图。

具体实施方式

本实用新型附图仅用于示例性说明，不能理解为对本实用新型的限制，为了更好地说明以下实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不能代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

参考图2，图2为本实用新型开关电源第一实施例原理图，开关电源包括：主功率电路以及填谷电路。

主功率电路具有原边电路和副边电路(未图示)，原边电路包括：第一绕组L1、第二绕组L2、与第一绕组L1串联连接的第一开关管Q1以及与第二绕组L2串联连接的第二开关管Q2。

填谷电路具有第一储能单元C1、第二储能单元C2、第三储能单元C3、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第三开关管Q3以及第四开关管Q4；本实施例中，第一储能单元C1、第二储能单元C2和第三储能单元C3参数均一致的储能器件，在具体实施过程中，第一储能单元C1、第二储能单元C2和第三储能单元C3均为电解电容，以下将第一储能单元C1简称为电容C1，第二储能单元C2简称为电容C2，第二储能单元 C3简称为电容C3；第三开关管Q3、第四开关管Q4分别为MOS管、继电器、三极管、晶闸管或IGBT，在具体实施过程中，第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4均为为MOS管，第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4的第一端均为MOS管的漏极，第二端均为MOS管的源极，第三端均为MOS管的栅极。

主功率电路与填谷电路的连接关系为：电容C1的正极与开关电源的正输入端Vin+连接，且电容C1的正极分别连接第一绕组L1的第一端、第三二极管D3的阴极，电容C1的负极分别连接第一二极管D1的阳极和第三开关管Q3的漏极；第一绕组L1的第二端与第一开关管Q1的漏极连接；第一二极管D1的阴极分别连接电容C3的正极、第三二极管D3 的阳极、第四开关管的Q4的漏极和第二绕组L2的第一端，第二绕组L2的第二端与第二开关管Q2的漏极相连接；电容C2的正极分别连接第四开关管Q4的源极和第二二极管D2 的阴极；第二二极管的阳极分别连接第一开关管Q1的源极、第三开关管Q3的源极、第四二极管D4的阴极与电容C3的负极；电容C2的负极分别与第二开关管Q2的源极和第四二极管D4的阳极相连并接入地；第一开关管Q1的栅极、第二开关管Q2的栅极、第三开关管Q3的栅极、第四开关管Q4的栅极均用于与外部控制电路连接。

本实施例中填谷电路的工作原理如下：

当从开关电源的正输入端Vin+输入的电压为高压时，控制第三开关管Q3关断，第四开关管Q4关断时，第一二极管D1及第二二极管D2导通，电容C1、电容C2和电容C3 为串联方式进行充电，电容C1、电容C2和电容C3串联后，总容值降低，电容C1、电容C2和电容C3串联后给原边绕组供电时，其两端电压会下降更多，则可以增大整流二极管的导通角度，从而提高高压输入下的PF值，在开关电源工作过程中，第一开关管Q1及第二开关管Q2导通，在稳态时电容C1经第三开关管Q3体二极管形成回路为第一绕组L1赋予能量；同样地，电容C2经第四开关管Q4体二极管形成回路为第二绕组L2赋予能量。而电容C3则经第三二极管D3形成回路为第一绕组L1赋予能量，同时经第四二极管D4形成回路为第二绕组L2赋予能量，电容C3实现了能同时给两个绕组供电的能量复用的效果，实现能量的高效传输利用。

当从开关电源的正输入端Vin+输入的电压为低压时，此时第三开关管Q3和第四开关管Q4导通，电容C3被旁路，电容C1、电容C2串联进行充电，此时相比高压情况，且单独给各自绕组放电的工作模式，总电容容量增大，从而能储存的能量更多，更利于产品启动，电容C1和电容C2分别给原边绕组第一绕组L1和第二绕组L2进行供电时，相当于并联放电，其两端电压不会因为容量不足而导致输出电压起伏波动大的问题，同时可以减小冲击电流，降低***体积，节约成本。

显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为了清楚地说明本实用新型技术方案所作的举例，而并非是对本实用新型的具体实施方式的限定。凡在本实用新型权利要求书的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种开关电源，包括：主功率电路以及填谷电路，所述主功率电路包括第一绕组、第二绕组、第一开关管以及第二开关管；其特征在于，

所述填谷电路包括第一储能单元、第二储能单元、第三储能单元、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第三开关管以及第四开关管；

所述第一储能单元的正极用于与所述开关电源的正输入端连接，且所述第一储能单元的正极和所述第一绕组的第一端、所述第三二极管的阴极连接；所述第一储能单元的负极分别连接所述第一二极管的阳极和所述第三开关管的第一端；所述第一绕组的第二端与所述第一开关管的第一端连接；所述第一二极管的阴极连接所述第三储能单元的正极、所述第三二极管的阳极、所述第四开关管的第一端和所述第二绕组的第一端；所述第二绕组的第二端与第二开关管的第一端相连接；所述第二储能单元的正极分别与所述第四开关管的第二端和所述第二二极管的阴极相连；所述第二二极管的阳极分别与所述第一开关管的第二端、所述第三开关管的第二端、所述第四二极管的阴极和所述第三储能单元的负极；所述第二储能单元的负极分别与第二开关管的第二端和第四二极管的阳极相连并接入地。

2.根据权利要求1所述的一种开关电源，其特征在于，所述第一开关管和第二开关管均为MOS管，所述第一开关管和第二开关管的第一端均为MOS管的漏极，第二端均为MOS管的源极。

3.根据权利要求1所述开关电源，其特征在于，所述第三开关管和第四开关管分别为MOS管、继电器、三极管、晶闸管或IGBT。

4.根据权利要求1所述的开关电源，其特征在于，所述第一储能单元、所述第二储能单元和所述第三储能单元为参数均一致的储能器件。

5.根据权利要求4所述的开关电源，其特征在于，所述第一储能单元、所述第二储能单元和所述第三储能单元均为电解电容。

6.根据权利要求3所述开关电源，其特征在于，所述开关电源工作时，所述第三开关管和所述第四开关管同时开通和关断。

7.一种填谷电路，应用于开关电源，所述开关电源具有主功率电路，所述主功率电路包括第一绕组、第二绕组、第一开关管以及第二开关管；其特征在于，

所述填谷电路包括第一储能单元、第二储能单元、第三储能单元、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第三开关管以及第四开关管；

所述第一储能单元的正极用于与所述开关电源的正输入端连接，且所述第一储能单元的正极和所述第一绕组的第一端、所述第三二极管的阴极连接；所述第一储能单元的负极分别连接所述第一二极管的阳极和所述第三开关管的第一端；所述第一绕组的第二端与所述第一开关管的第一端连接；所述第一二极管的阴极连接所述第三储能单元的正极、所述第三二极管的阳极、所述第四开关管的第一端和所述第二绕组的第一端；所述第二绕组的第二端与第二开关管的第一端相连接；所述第二储能单元的正极分别与所述第四开关管的第二端和所述第二二极管的阴极相连；所述第二二极管的阳极分别与所述第一开关管的第二端、所述第三开关管的第二端、所述第四二极管的阴极和所述第三储能单元的负极；所述第二储能单元的负极分别与第二开关管的第二端和第四二极管的阳极相连并接入地。

8.根据权利要求7所述的填谷电路，其特征在于，所述第一储能单元、所述第二储能单元和所述第三储能单元为参数均一致的储能器件。

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