TWI441404B

TWI441404B - 一種電容放電電路及功率變換器

Info

Publication number: TWI441404B
Application number: TW101118429A
Authority: TW
Inventors: Hongyuan Jin; Baochen Wang; Hongjian Gan; Jianping Ying
Original assignee: Delta Electronics Shanghai Co
Priority date: 2012-01-20
Filing date: 2012-05-23
Publication date: 2014-06-11
Also published as: CN103219878B; US20130188405A1; US8953347B2; CN103219878A; TW201332243A

Description

一種電容放電電路及功率變換器

本發明涉及一種電力電子技術中使用的放電裝置，尤其涉及一種電容放電電路及包含該電容放電電路的功率變換器。

通常情況下，為了滿足電磁相容的相關要求，電子設備的交流輸入端會增加濾波器結構，該濾波器中會含有電容器。對於該電容器，根據《資訊技術設備的安全》(safety of information technology equipment)中的規定應該為安全電容，根據位置的不同，安全電容有X電容和Y電容兩種。其中，X電容跨接於交流電源輸入端的L線（火線）和N線（零線），即並聯在火線L和零線N之間。

從上述X電容連接的位置可以看出，在交流輸入接入時，X電容被充電，從而導致在拔掉交流輸入時電源線插頭帶電，從而容易引起電子設備漏電或機殼帶電而危及人身安全及生命，因此，要在拔掉交流輸入後快速的對X電容放電，且X電容放電電路的設計需要符合相關安全標準。

根據《資訊技術設備的安全》(safety of information technology equipment)中的規定, 用電設備在設計上應保證在交流輸入電源外部斷接處，儘量減小因接在一次電路中的電容器件貯存有電荷而產生的電擊危險。具體地說，如果設備中有任何電容器件，其標明的或標稱的容量超過0.1uF，且接在一次電路上，該電容器的放電時間常數不超過下列規定值，則應認為設備是合格的：

——對A 型可插式設備，1秒；以及

——對永久性連接式設備和B型可插式設備，10秒。

其中，有關時間常數是指等效電容量(uF)和等效放電電阻值(MΩ)的乘積。即在經過一段等於一個時間常數的時間，電壓將衰減到初始值的37%。

為滿足對於《資訊技術設備的安全》中對電容放電的規定，目前較常用的方法是在X電容兩端並聯放電電阻；同時保證電容電阻的時間常數小於規定值。下面以功率變換器電路為例對現有的X電容放電技術進行說明。

請參閱圖1，圖1為現有技術中的具有X電容的變換器在X電容兩端並聯放電電阻的電路示意圖。如圖所示，X電容2、放電電阻3和變換模組1依次耦接，並且，X電容2並接在交流電源輸入端（火線和零線之間）。現有技術中的具有X電容的變換器與其他在X電容兩端並聯放電電阻的用電設備相同，即X電容2在交流電源AC斷電後長時間貯存高壓電能，放電電阻3用於對X電容2進行放電，以便滿足安全要求。

然而，並聯於電路中的放電電阻3在交流電源輸入接通後，會一直消耗能量且產生功率損耗，這是造成變換器在空載及待機輸入功耗的重要因素，尤其是在輸入電壓較高的時候放電電阻3的損耗更大。隨著輕載效率要求的不斷提高，如何減小對X電容2放電所造成的損耗變得越來越重要。

此外，變換模組1可以是由功率因數校正（PFC）變換單元和DC/DC變換單元兩級方案組成，也可以是單級的變換模組（single-stage）。若變換模組由兩級單元組成，那麼PFC變換單元可以是有橋的PFC變換單元或無橋PFC變換單元，PFC變換單元還可以是升壓的PFC變換單元或降壓型的PFC變換單元或升降壓的PFC變換單元。

需要強調的是，變換模組採用兩級結構時，PFC變換單元為無橋PFC變換單元時由於其拓撲上的優勢相對於傳統的有橋PFC變換單元會在重載時有較高的效率，但會使用較大電容值的X安規電容。若選用放電電阻對X電容放電，則需選用阻值相對較低的放電電阻，阻值越低，放電電阻在交流輸入電網接入時的損耗會越大，致使無橋PFC變換單元在輕載時效率更低。致使減小對X電容放電損耗的問題更為迫切。

因此，既要滿足現有《資訊技術設備的安全》的要求，同時實現用電設備的高效率，尤其是提高設備的輕載效率，成為目前迫切需要解決的課題。

鑒於上述現有的解決方法需要添加放電電阻所帶來的較嚴重的效率降低的問題，本發明主要目的為採用無放電電阻的方法，避免放電電阻在交流輸入接入時消耗能量，且在交流輸入掉電時利用能量消耗單元對連接於交流輸入端火線和零線之間的電容進行放電，從而可以實現無放電電阻對電容進行放電。

為實現上述目的，本發明電容放電裝置的技術方案如下：

一種電容放電電路，用於對一功率變換器中的連接於交流輸入端火線和零線之間的電容進行放電，其中，該功率變換器還包括一連接於該電容兩端的變換模組，該變換模組與該電容相藕接，該變換模組至少包括一能量消耗單元。該電容放電電路還包括AC掉電檢測單元和控制單元；其中，AC掉電檢測單元與該交流輸入端相連，輸出一AC掉電信號，用於檢測交流輸入電源的通斷；控制單元連接於該AC掉電檢測單元的輸出端，接收AC掉電檢測單元輸出的AC掉電信號。當該AC掉電檢測單元檢測到交流輸入斷接後，控制單元控制該能量消耗單元工作以將存儲於該電容中的能量消耗掉。

為實現上述目的，在本發明功率變換器的技術方案如下：

一種功率變換器，其包括：連接於交流輸入端火線和零線之間的一電容、連接於該電容兩端的一變換模組、AC掉電檢測單元和控制單元。其中，該變換模組至少包括一能量消耗單元；AC掉電檢測單元與該交流輸入端相連，輸出一AC掉電信號，用於檢測交流輸入的通斷；控制單元連接於該AC掉電檢測單元的輸出端，接收AC掉電檢測單元輸出的該AC掉電信號，當該AC掉電檢測單元檢測到交流輸入斷接後，AC掉電信號干預該控制單元控制該能量消耗單元工作以將存儲於該電容中的能量消耗掉。

從上述技術方案可以看出，本發明所提供的電容放電裝置的特點是不再使用放電電阻對電容放電，而是使用能量消耗單元對連接於交流輸入端火線和零線之間的電容進行放電。也就是說，在交流輸入接入時，AC掉電檢測單元的輸出信號AC掉電信號無法影響控制單元，控制單元按照原有的設計方法實現功率變換器的設計功能，沒有放電電阻並聯於X電容兩端，消除了放電電阻的損耗；當交流電源斷開接入時，AC掉電檢測單元影響控制單元的工作，控制變換模組中的能量消耗單元工作，從而使得電容中的能量消耗掉。因此，本發明滿足了《資訊技術設備的安全》的要求，提高了用電設備的效率。

此外，本發明可以利用原有的變換單元中的器件作為能量消耗單元，這樣即簡化了電路，又減小了放電電阻的損耗，提高了輕載的效率。同時，對於採用兩級結構的變換模組來說，PFC級採用無橋PFC變換單元可以取得較好的重載效率，但是X電容較大，使用放電電阻帶來輕載效率的低下，該方法可以很有效的提高含有無橋PFC的功率變換器的效率。

體現本發明特徵與優點的一些典型實施例將在後段的說明中詳細敍述。應理解的是本發明能夠在不同的示例上具有各種的變化，其皆不脫離本發明的範圍，且其中的說明及圖示在本質上當作說明之用，而非用以限制本發明。

上述及其它技術特徵和有益效果，將結合實施例及圖式之圖2至圖23對本發明的電容放電裝置及包含該電容放電裝置的變換器進行詳細說明。

對於AC-AC和/或AC-DC變換器，在其交流輸入端通常都會增加一濾波器結構，那麼根據《信息技術設備的安全》的要求，濾波器中的電容要在交流電源斷接時對其進行放電, 其中變換器中需要被放電的電容還包括變換器中的其他需要被放電的電容，且其中需要被放電的電容也可以為多個電容並聯或串聯構成。下面以包含該需要被放電的電容的AC-DC變換器為例講述其工作原理，其中該需要被放電的電容具體為上述的X電容。

通常的AC-DC變換器除包含一需要被放體現本發明特徵與優點的一些典型實施例將在後段的說明中詳細敍述。應理解的是本發明能夠在不同的示例上具有各種的變化，其皆不脫離本發明的範圍，且其中的說明及圖示在本質上當作說明之用，而非用以限制本發明。

上述及其它技術特徵和有益效果，下面將結合實施例及圖式之圖2至圖19對本發明一種X電容放電裝置進行詳細說明。

如圖2所示，功率變換器，如AC-DC（如電源適配器）或AC-AC功率變換器通常包括一交流輸入端、一跨接在功率變換器兩交流輸入端即L線和N線之間的電容2（通常稱X電容）、一變換模組1及功率變換器的輸出端。該變換模組1可以是由PFC變換單元11和直流功率變換單元12組成的兩級變換模組，如圖2所示。並且，PFC變換單元11可以是有橋PFC變換單元，也可以是無橋PFC變換單元，可以是升壓PFC變換單元，也可以是降壓型PFC變換單元，還可以是升降壓PFC變換單元。直流功率變換單元12可以是DC/DC變換單元，也可以是DC/AC變換單元。在其他實施例中，變換模組1也可以是單級的變換模組（single-stage），如單級反激變換器，該單級的變換模組可以具有PFC功能，也可以不具有PFC的功能。

該X電容跨接在功率變換器兩交流輸入端的L線和N線之間，當功率變換器正常工作亦即有交流輸入時，該X電容被充電，產生可能會危害人身安全的電壓，因此在斷開交流輸入時，需要將儲存在該X電容上的電能迅速地釋放掉以保證操作人員或用戶的安全。功率變換器中的需要被放電的電容是上述的X電容，其中需要被放電的電容也可以為多個電容並聯或串聯構成。

下面分別以含有有橋PFC變換單元和DC/DC變換單元以及含有無橋PFC變換單元的變換模組和單級的變換模組為例對該需要被放電的電容為X電容的放電電路進行分析說明。

請參閱圖3，圖3為本發明一實施例的功率變換器的變換模組含有有橋PFC單元和DC/DC變換單元的電路示意圖。如圖所示，該功率變換器包括兩交流輸入端即L線和N線、一X電容2、有橋PFC變換單元11，一DC/DC變換單元12和一Bus電容13，其中，該X電容的兩端跨接在交流輸入端的L線和N線之間，該有橋PFC變換單元11包括兩輸入端和兩輸出端，該X電容的兩端和該有橋PFC變換單元11的兩輸入端電性連接，該DC/DC變換單元12包括兩輸入端和兩輸出端，該有橋PFC變換單元11的兩輸出端和該DC/DC變換單元12的兩輸入端電性連接，該Bus電容13跨接在該有橋PFC變換單元11的兩輸出端和該DC/DC變換單元12的兩輸入端之間。有橋PFC變換單元11包括了依次耦接的整流橋111，π型濾波單元112，PFC電感113和開關網路114。其中，由於有橋PFC變換單元11中的PFC電感113在整流橋111後，所以可以添加π型濾波單元112，由於濾波器單元不是與交流輸入端的火線和零線直接相連，因此濾波器中的電容可以使用非安全規定的電容，也就不需要在交流輸入斷接時對其進行放電，但是該π型濾波單元112也具有差模濾波器的效果，所以通過增加π型濾波器可以減小X電容2的容值。與其他實施例中，該π型濾波單元112也可以不添加。對於該功率變換器，當有交流輸入時，該有橋PFC變換單元11和該DC/DC變換單元12中的開關元件工作在原來設計的開關狀態，以分別實現功率因數校正和直流功率變換的功能。

請參閱圖4，圖4為本發明一實施例中的功率變換器的變換模組含有無橋PFC變換單元和DC/DC變換單元的示意圖。如圖所示，該功率變換器包括兩交流輸入端即L線和N線、一X電容、無橋PFC變換單元21、一Bus電容23和一DC/DC變換單元22，其中，該X電容的兩端跨接在交流輸入端的L線和N線之間，該無橋PFC變換器21包括兩輸入端和兩輸出端，該X電容的兩端和該無橋PFC變換單元21的兩輸入端電性連接，該Bus電容23跨接在該無橋PFC變換單元21的兩輸出端之間，該DC/DC變換單元22包括兩輸入端和兩輸出端，該無橋PFC變換單元21的兩輸出端和該DC/DC變換單元22的兩輸入端連接，該DC/DC變換單元22的兩輸出端即為功率變換器的輸出端，無橋PFC變換單元21由一PFC電感單元211和一開關管二極體網路212組成。

如上所述無論是有橋PFC單元還是無橋PFC單元都包含一PFC電感單元，該PFC電感單元可以為如圖5所示的任何一種電感結構圖。圖5中僅示出了四種電感單元的結構，在其他實施例中PFC電感單元可以是任意的由一個或多個電感組成的單元，多個電感之間可以是耦合或非耦合關係。

請參閱圖6，圖6為如圖4所示的本發明實施例中無橋PFC變換單元中開關管二極體網路的相關結構示意圖；圖中僅示出了三種開關管二極體網路的結構，其他的開關管二極體網路的結構也可以為本發明所用，並且，二極體和開關管相互替換的衍生結構也包括其中。當功率變換器正常工作亦即有交流輸入時，其中的該無橋PFC變換單元21中的開關管二極體網路212中的開關元件亦即開關管工作在開關狀態，以實現功率因數校正功能。

由於無橋PFC電感沒有經過整流橋就和交流輸入端連接，所以無法像有橋PFC變換單元那樣在整流橋後添加差模π型濾波單元，那麼用於濾除差模的X電容就要選用較大的容值，若用放電電阻對X電容放電，根據放電時間常數（RC<1秒）的規定，要選用相對較小阻值的放電電阻，這樣在交流輸入接入時，放電電阻上的功耗比較大。因此，使用含有無橋PFC變換單元的功率變換器面臨輕載更差的效率。

無論該變換模組為單級變換模組（single-stage）還是兩級變換模組，該兩級變換模組中的PFC變換單元為有橋PFC變換單元還是無橋PFC變換單元、該兩級變換模組中的直流功率變換單元為DC/DC變換單元或DC/AC變換單元，該變換模組都至少包括一個開關元件。而開關元件可以工作在斷路區、飽和模式區以及線性模式區，且開關元件工作在飽和特性區時，可等效為一可變電阻，此時開關元件相當於一個阻值很大的電阻，因此其可以作為X電容放電電路中的能量消耗單元對X電容進行放電，並且可以實現對放電回路的限流。在一些實施例中，該開關元件可以為絕緣柵雙載流子電晶體(Insulated Gate Bipolar Transistor)，簡稱IGBT或金屬氧化物半導體場效應電晶體(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)，簡稱MOSFET等。於本實施例中，該開關元件為一金屬氧化物半導體場效應電晶體(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)，簡稱MOSFET。下面以該開關元件為MOSFET為例說明其可為能量消耗單元的原理。請參閱圖7，圖7為開關元件MOSFET的漏極電流I_D 與漏極至源級電壓V_DS 的關係示意圖。如圖7所示，線性（歐姆）模式及飽和模式的分界是一上升彎曲抛物線（V_DS =V_GS -V_T ，其中，V_T 為開啟電壓）所示。在線性模式中，當該MOSFET處於導通狀態時，該MOSFET如一很小的電阻（如數至數百mΩ）；即

線性模式：當V_GS >Vth，且V_DS <（V_GS -Vth）；

而處於飽和模式下，當開關元件MOSFET導通時，開關元件MOSFET就像一個變阻器，其等效電阻由其柵極和源級電壓所控制，開關元件變成了一個非常大的電阻（如可達到數至數百或數千歐姆）；

飽和模式：當V_GS >Vth，且V_DS >（V_GS -Vth）

因此可以利用開關元件工作在飽和區相當於一個較大的電阻的特性對X電容進行放電，且通過降低開關元件的驅動電壓可以將開關元件的工作狀態從開關狀態的線性區調到飽和狀態的飽和區。下面將以利用變換模組中的開關元件作為能量消耗單元詳細描述X電容的放電原理。

請參閱圖8，圖8為本發明實施例一的包括電容放電裝置的功率變換器示意圖。如圖8所示，該功率變換器包括兩交流輸入端即火線（L線）和零線（N線）、一X電容2、一變換模組1、一AC掉電檢測單元4和一控制單元5。該X電容2連接於交流輸入端火線和零線之間；該變換模組1連接於該X電容2的兩端，該變換模組1包括一能量消耗單元6，其至少包括一開關元件；AC掉電檢測單元4，與該交流輸入端相連，輸出一AC掉電信號，用於檢測交流輸入的通斷；控制單元5，連接於該AC掉電檢測單元4的輸出端，接收AC掉電檢測單元4輸出的該AC掉電信號，當該AC掉電檢測單元4檢測到交流輸入斷接後，AC掉電信號干預該控制單元5控制該變換模組中的能量消耗單元6中的開關元件（圖中示為S1）工作於飽和區，其等效為一可變電阻，即為一能量消耗單元將存儲於該X電容中的能量消耗掉。當交流輸入正常接入時，AC掉電信號不干預該控制單元5，該變換模組1中的開關元件（圖中示為S1）工作在開關狀態，該X電容2由於交流輸入的存在而一直存在交流電。於一實施例中，通過控制變換模組1中的能量消耗單元6中的開關元件工作於飽和區將存儲於該X電容2中的能量消耗掉，亦即將在交流輸入斷接後變換模組1中工作在飽和區的開關元件利用成能量消耗單元6將存儲於該X電容2中的能量消耗掉。於其他實施例中，變換模組1中的能量消耗單元6可為任何在交流輸入斷接後能將存儲於該X電容2中的能量消耗掉的單元。例如，該變換模組1包括一開關元件，該開關元件和該X電容2相聯，在一實施例中，在交流輸入正常接入時該開關元件按原有設計工作即工作在關斷狀態，在交流輸入斷接後該開關元件工作在飽和區，亦即將在交流輸入斷接後工作在飽和區的開關元件利用成能量消耗單元6將存儲於該X電容2中的能量消耗掉。

在本發明的一實施例中，能量消耗單元6是變換模組1中的一部分，具體地說，能量消耗單元6為變換模組1中的開關元件，該開關元件可以是交流輸入接入時進行功率變換工作的必要元件之一。在交流輸入接入時，AC掉電檢測單元4輸出的AC掉電信號電壓會一直低於某個設定的電壓值，例如1.2V，該信號無法影響控制單元5，控制單元5按照原有的設計方法控制變換模組1按原有的設計功能工作即實現功率變換。而在交流輸入斷接時，AC掉電檢測單元4輸出的AC掉電信號為一高於設定電壓閾值的電壓，這樣AC掉電檢測單元4輸出的AC掉電信號干預控制單元5的工作以控制變換模組1中的能量消耗單元6中的開關元件工作於飽和區，這樣由於開關管表現為大電阻特性，從而即可以對X電容2進行放電，又可以防止開關管工作於線性區造成放電電流過大。在本發明一實施例中，當AC掉電檢測單元檢測到交流輸入斷接後，AC掉電信號干預控制單元輸出一開關元件導通信號並降低開關元件的驅動電壓以控制能量消耗單元中的開關元件工作於飽和區，將存儲於電容中的能量消耗掉。亦即只有當交流輸入斷開時，AC掉電檢測單元4輸出的AC掉電信號才干預控制單元5，使其控制變換模組1中的能量消耗單元中的開關元件工作於飽和區將存儲於需要被放電的電容2中的能量消耗掉；與如圖1所示的不同，本實施例中採用了一種無放電電阻的方法，且在交流輸入掉電時才利用該變換模組1中的開關元件作為能量消耗單元6對需要被放電的電容進行放電，從而可以減小了使用放電電阻的功率損耗，同時本實施例中的電容放電電路中的能量消耗單元6可以是功率變換器中的一部分，無需另外增加能量消耗單元。

在本發明一實施例中，AC掉電檢測單元4是可以通過檢測X電容2兩端的電壓來進行判斷交流輸入通斷狀態的，但不以此為限。需要說明的是，在本發明的實施例中，AC掉電檢測單元4可以採用任何一種能判斷出交流輸入通斷狀態的方式工作。

請參閱圖9，圖9為本發明一實施例中的AC掉電檢測單元示意圖。在本發明的一實施例中，AC掉電檢測單元4包括X電容電壓整理電路41和定時電路42。其中，X電容電壓整理電路41用於將X電容2上的交流電壓進行變換以適應於後面的定時電路42，即將載入於X電容2兩端的電壓信號變換成另一輸出電壓信號，該輸出電壓信號能夠反映輸入電源的交流特性；定時電路42對該輸出電壓信號進行交流特性判斷，即對X電容2上的電壓的正負時間分別計時判斷，若正電壓或負電壓的時間沒有超過預期時間（如預期時間是交流電源的週期），則認為交流電源正常接入；若正電壓或負電壓的時間超過預期的時間，則判斷此時交流電源沒有交流變化，即交流電源斷接。在電路的表現形式上，通過判斷定時電路42輸出的電壓直流信號是否超過了設定的第二電壓閾值Vth2，產生並輸出交流輸入通斷狀態的信號。具體地說，定時電路42可以通過RC（電阻電容）電路的電容充放電電壓來判斷該電壓直流信號是否超過了設定的第二電壓閾值Vth2，若該電容充放電電壓超過了設定的第二電壓閾值Vth2，則AC掉電檢測單元4產生電源AC掉電信號，變換模組1中的開關元件就被利用成為能量消耗單元6將存儲於X電容2中的能量消耗掉。否則，AC掉電檢測單元4認為交流輸入未斷接。

在其他一些實施例中，AC掉電檢測單元4也可以通過數位電路來實現，其實現的原理與類比實現的原理基本相同，在此不再贅述。下面通過一實施例來詳細闡述AC掉電檢測單元4的工作原理。

請參閱圖10，圖10為本發明AC掉電檢測單元的一具體實施例。如圖所示，AC掉電檢測單元4包括一X電容電壓整理電路41及一定時電路42，該X電容電壓整理電路41包括一分壓電阻網路411和一比較器412，該定時電路42為一比較定時積分電路。首先，X電容電壓整理電路41將採樣到的X電容2上的電壓經過一個比較器412進行整理，然後定時電路424再將X電容電壓整理電路41輸出的信號進行比較定時積分得到AC掉電檢測單元的輸出信號，即AC掉電信號，若X電容電壓信號為交流波動的，那麼定時電路42中的電容會週期性的充電放電，從而輸出的AC掉電信號低於設定的電壓值；反之，X電容電壓維持不變，定時電路42的輸出會高於設定的電壓值。所以，當交流輸入接入時，AC掉電檢測單元4的輸出電壓低於設定第二電壓閾值Vth2，而當交流輸入斷接後，AC掉電檢測單元4的輸出電壓會高於設定的第二電壓閾值Vth2，則認為交流輸入斷開，AC掉電信號將干預控制單元5，控制變換模組1中的能量消耗單元6中的開關元件工作於飽和區將存儲於X電容2中的能量消耗掉。如圖10所示，該X電容電壓整理電路41的分壓電阻網路411包括一第一電阻R1、一第二電阻R2、一第三電阻R3和一第四電阻R4，其中第一電阻R1和第二電路R2串聯連接、第三電阻R3和第四電阻R4串聯連接後的一端分別連接於交流輸入電源的零線（N線）和火線（L線），第一電阻R1和第二電路R2串聯連接、第三電阻R3和第四電阻R4串聯連接後的另一端短接後接地，其用於對X電容2兩端的電壓進行採樣。該X電容電壓整理電路41的比較器412包括一第一比較器，包括一同相輸入端、一反相輸入端及一輸出端，第一電阻R1和第二電阻R2的共節點通過一電阻連接於該第一比較器的反相輸入端，第三電阻R3和第四電阻R4的共節點通過一電阻連接於該第一比較器的同相輸入端，該第一比較器的輸出端即A點為X電容電壓整理電路41的輸出端。該定時電路42包括一第二比較器、一第三比較器、一第一充電延時電路、一第二充電延時電路、一第一二極體D1和一第二二極體D2。其中該X電容電壓整理電路41的輸出端即A點分別通過一電阻連接於該第二比較器的同相輸入端和第三比較器的反相輸入端，一第一電壓閾值Vth1分別通過一電阻連接於該第二比較器的反相輸入端和第三比較器的同相輸入端；第一充電延時電路包括串聯連接的第一電容C1和第十二電阻R12，第一電容C1和第十二電阻R12串聯連接後的一端連接於一直流電壓源Vcc、另一端接地，第一電容C1和第十二電阻R12串聯連接的共節點連接於該第二比較器的輸出端即B點；第二充電延時電路包括串聯連接的第二電容C2和第十三電阻R13，第二電容C2和第十三電阻R13串聯連接後的一端連接於該直流電壓源Vcc、另一端接地，第二電容C2和第十三電阻R13串聯連接的共節點連接於該第三比較器的輸出端即C點；該第一二極體D1和該第二二極體D2的陽極分別連接於該第二比較器的輸出端即B點和該第三比較器的輸出端即C點，該第一二極體D1和該第二二極體D2的陰極短接作為該定時電路的輸出端亦即該AC掉電檢測單元4的輸出端，其輸出一AC掉電信號。

請參閱圖11，圖11為圖10中的AC掉電檢測單元具體實施例的波形圖。圖11.（1）和圖11.（2）分別說明當交流輸入電壓在其負半週期和正半週期斷接時的情況。

現以交流輸入電壓在其負半週期斷接為例進行說明，見圖11.（1）。在t0時刻前交流輸入正常接入時，X電容2上的電壓為正弦波，經第一電阻R1和第二電路R2串聯分壓、第三電阻R3和第四電阻R4串聯分壓及第一比較器後可得A點電壓為只有正半週期的饅頭波，該波形可以反映X電容2上的交流變化，此饅頭波經第二比較器和第三比較器分別和第一電壓閾值Vth1比較使第一充電電路和第二充電電路中的第一電容和第二電容經直流電壓源Vcc被週期性的充電和放電，如在X電容2上的電壓的正半週期且A點電壓高於設定的閾值電壓Vth1時，第一電容C1充電，而第二電容C2放電，但是由於X電容電壓週期性的交流變化，在第一電容C1或第二電容C2被充電時，其上的電壓值都不足以達到第二電壓閾值Vth2去干預控制單元5，之後第一電容C1或第二電容C2上的能量又被迅速的放掉，因此變換模組按原來的設計方案工作。在t0時刻交流輸入斷接，X電容2上電壓維持不變，A點電壓維持低電平，電容C2持續充電，電容C1放電至零，即B點的電壓為零，則AC掉電檢測單元4的輸出電壓信號即為C點電壓信號；當到達t1時刻時，電容C2兩端的電壓超過了設定的第二電壓閾值Vth2，即AC掉電檢測單元4輸出電壓高於設定電壓值從而檢測到交流輸入斷接，此時，AC掉電檢測單元4輸出的AC掉電信號將對控制單元5進行干預，控制單元5控制變換模組1中的能量消耗單元6中的開關元件工作於飽和區將存儲於X電容2中的能量消耗掉。

在本實施例中，第一電壓閾值Vth1、第二電壓閾值Vth2和直流電壓源Vcc可根據設計的需求自行設定，其電壓值可以取之功率變換器內部電路也可以取之其他電路。

交流輸入電壓在其正半週期斷接時，X電容電壓、A點電壓、B點電壓、C點電壓及AC掉電信號波形如圖11.（2）所示，其工作原理和圖11.（1）相同，在此不再描述。

在本實施例中，通過定時電路中的RC電路中的電容上的電壓來判斷是否超過了設定第二電壓閾值Vth2，若該電壓超過了設定第二電壓閾值Vth2，則認為交流輸入電源已斷開，否則，認為交流輸入電源仍為接入狀態。在其他一些實施例中,也可通過其他的電路實現檢測交流輸入是否接入。與本實施例中，通過類比電路實現AC掉電檢測單元4的功能，在其他一些實施例中，也可以通過數位功能來實現。

下面以能量消耗單元為開關元件為例簡述一下控制單元5的工作原理。

請參閱圖12，圖12為本發明實施例對X電容放電的工作原理流程框圖。如圖所示，若檢測到交流輸入斷接，AC掉電檢測單元干預控制單元，使得開關信號一直為高，同時降低驅動電壓，使變換模組中能量消耗單元的開關元件一直處於導通飽和區，將X電容中的能量消耗到開關元件中，從而實現對X電容的放電。若交流輸入正常接入，則變換器中的開關元件按原有的設計工作，即變換器中的開關元件工作在開關狀態或關斷狀態，以實現原有設計的功能。

請參閱圖13，圖13為AC掉電檢測信號對控制單元干預的控制原理框圖。控制單元5包括了開關信號生成單元51和驅動單元52。當交流輸入斷接時，AC掉電信號可以干預控制單元5，從而使得開關信號生成單元51發出持續導通信號使開關元件導通，且驅動單元52降低驅動電壓，這樣可以控制變換模組1中的能量消耗單元6中的開關元件工作於飽和區。該驅動單元52和開關信號生成單元51可以使用原有功率變換器中的控制單元中的驅動單元和開關信號生成單元。

請參閱圖14，圖14為AC掉電檢測信號對控制單元干預的另一控制原理框圖。控制單元5包括了開關信號生成單元51和驅動單元52。與圖13所不同的是，在交流電網斷接時，AC掉電信號只是干擾驅動單元，使驅動單元52不論開關信號輸出單元的輸出高低的情況下強制輸出高電平，並且降低驅動的電壓值，從而控制變換模組1中的能量消耗單元6中的開關元件工作於飽和區。該開關信號生成單元51可以使用原有功率變換器中的控制單元中的開關信號生成單元。

請參閱圖15，圖15為AC掉電檢測信號對控制單元干預的另一控制原理框圖。控制單元5包括了開關信號生成單元51和驅動單元52。與圖13所不同的是，在交流電網斷接時，AC掉電信號只是干擾開關信號生成單元51，使開關信號生成單元51輸出持續導通的開關信號。當驅動單元52接收到高電平的信號持續一定時間後（如該時間大於設定的最大開關週期值），那麼認為此時開關信號生成單元受到AC掉電信號控制，從而驅動單元52降低驅動電壓，從而控制變換模組1中的能量消耗單元6中的開關元件工作於飽和區。

請參閱圖16，圖16為如圖3所示的功率變換器中的的X電容放電回路示意圖。在該實施例中，變換模組由兩級結構組成，即PFC單元和DC/DC變換單元兩級，並且其中的PFC單元是採用了有橋PFC結構，由於PFC級的π型濾波器可以不添加，這裏也沒有添加π型濾波器單元。當AC掉電檢測單元檢測到交流輸入斷接時，其輸出的AC掉電信號干預控制單元，控制單元控制有橋PFC變換單元中的開關元件S1工作在飽和區，其相當於一個阻值較大的電阻，即為能量消耗單元。該能量消耗單元可以對X電容進行放電，也可以有效的限制放電電流值。圖16（A）為在交流輸入斷接時火線為正電壓時X電容2的放電回路示意圖；此時，X電容2上的儲能經PFC變換單元中的整流橋111中的第三二極體D3、PFC電感113、開關網路114中的開關元件S1和整流橋111中的第四二極體D4回到X電容2電壓的負端以構成回路對X電容2進行放電。圖16（B）為在交流輸入斷接時N線為正電壓時X電容2的放電回路，同樣，此時，X電容2上的儲能經PFC變換單元中的整流橋111中的第五二極體D5、PFC電感113、開關元件S1和整流橋111中的第六二極體D6回到X電容2電壓的負端以構成回路對X電容2進行放電。

請參閱圖17，圖17為本發明實施例中含有PFC變換單元的對X電容放電的波形示意圖。其中，圖17（a）顯示的是X電容的電壓，圖17（b）顯示的是AC掉電信號，圖17（c）顯示的是PFC變換單元中開關元件的驅動信號，圖17（d）顯示的是PFC變換單元中開關元件的驅動電壓。如圖所示，當交流輸入接入時，X電容電壓隨交流輸入電壓正弦交流波動，AC掉電信號也會維持在設定的第二電壓閾值Vth2以下，PFC開關元件會根據負載和控制方式來被驅動進行開關動作，PFC變換單元驅動電壓設定為Vdr1，此時，PFC變換單元為正常的工作狀態。而當在t0時刻交流輸入斷接，X電容電壓維持在斷接點時的電壓值，AC掉電信號電壓不斷升高，最後達到並超過設定的第二電壓閾值Vth2，即在t1時刻檢測到AC掉電，此時控制單元使PFC變換單元的開關驅動信號持續為高，AC掉電信號干預控制單元使PFC變換單元驅動電壓下降到較低的Vdr2，從而使得PFC變換單元的開關元件工作於飽和區，X電容上的儲能通過飽和開關釋放。

請參閱圖18，圖18為一實施例的含有無橋PFC變換單元的功率變換器中的X電容放電回路的示意圖。該實施例仍然是兩級結構的變換模組，其中PFC變換單元採用的是無橋PFC單元。對於無橋PFC單元來說，其中PFC電感選擇為圖5中的（A），開關二極體網路則選取了圖6中的(A)，這樣組成了無橋PFC中的H橋PFC電路。同樣的，當AC掉電檢測單元檢測到交流輸入斷接時，其輸出的AC掉電信號干預控制單元，控制單元控制無橋PFC變換單元中的開關元件S1和S2工作在飽和區，其相當於一個阻值較大的電阻，即為能量消耗單元。圖18（A）為在交流輸入斷接時火線為正電壓時X電容的放電回路示意圖；此時，X電容2上的儲能經PFC變換單元中的PFC電感113、開關網路114中的開關元件S1和S2回到X電容2上的電壓負端以構成回路對X電容2進行放電。圖18（B）為在交流輸入斷接時N線為正電壓時X電容2的放電回路，同樣，此時，X電容2上的儲能經PFC變換單元中的PFC電感113、開關網路114中的開關元件S1和S2回到X電容2的電壓負端以構成回路對X電容2進行放電。

請參閱圖19，圖19為一實施例的含有單級變換單元的功率變換器中的X電容放電回路的示意圖。該實施例中的變換模組1為單級的反激變換單元組成的功率變換器。同樣的，當AC掉電檢測單元4檢測到交流輸入斷接時，其輸出的AC掉電信號干預控制單元5，控制單元5控制單級變換單元中的開關元件S1工作在飽和區，其相當於一個阻值較大的電阻，即為能量消耗單元6。圖19（A）為在交流輸入斷接時火線為正電壓時X電容的放電回路示意圖；此時，X電容2上的儲能經第一二極體D1、反激變壓器、開關元件S1和第四二極體D4回到X電容電壓的負端以構成回路對X電容2進行放電。圖19（B）為在交流輸入斷接時N線為正電壓時X電容2的放電回路，同樣，此時，X電容2上的儲能經第二二極體D2、反激變壓器、開關元件S1和第三二極體D3回到X電容電壓的負端以構成回路對X電容2進行放電。

在本發明一實施例中，通過利用變換模組1中的PFC變換單元或單級變換單元中的開關元件作為能量消耗單元，並使開關元件工作在飽和區對X電容2上的儲能進行放電，即可以對X電容2進行放電，又可以有效的限制放電電流。與其他實施例中，可使用變換模組1中的其他開關元件作為能量消耗單元6中的開關元件對X電容2上的儲能進行放電。如可在變換模組1中另外添加一輔助變換單元，該輔助變換單元包括一開關元件，該輔助變換單元中的開關元件在交流輸入接入時一直處於關斷狀態，在交流輸入斷接時工作於飽和區對X電容上的儲能進行放電。在一實施例中，控制單元5為原變換模組1中的控制單元，其在交流輸入接入時用於控制變換模組1實現功率變換，在交流輸入斷接時控制變換模組1中的能量消耗單元6中的一開關元件工作在飽和區對X電容上的儲能進行放電。在一實施例中，控制單元5在交流輸入接入時停止工作，在交流輸入斷接時控制變換模組1中的能量消耗單元6中的一開關元件工作在飽和區對X電容2上的儲能進行放電。

綜上所述，本發明的特點是不再使用放電電阻對X電容2進行放電，而是在交流輸入斷接後控制功率變換器中變換模組1中的能量消耗單元6中的開關元件工作在飽和區以對X電容進行放電，這樣在交流輸入接入時，就消除了放電電阻的損耗，在交流輸入斷接時，又可以利用變換模組1中的能量消耗單元6中的開關元件對X電容2進行放電，滿足了《資訊技術設備的安全》的要求，減小了功率損耗且無需另添加耗能元件，尤其是對無橋PFC變換單元的輕載效率提高起了很大的幫助。

以上該的僅為本發明的實施例，該實施例並非用以限制本發明的專利保護範圍，因此凡是運用本發明的說明書及圖式內容所作的等同結構變化，同理均應包含在本發明的保護範圍內。

1．．．變換模組

11．．．PFC變換單元

111．．．整流橋

112．．．π型濾波單元

113．．．PFC電感

114．．．開關網路

12．．．直流功率變換單元、DC/DC變換單元

13、23．．．BUS電容

2．．．X電容

21．．．無橋PFC變換單元、無橋PFC變換器

211．．．PFC電感單元

212．．．開關管二極體網路

22．．．DC/DC變換單元

23．．．BUS電容

3．．．放電電阻

4．．．AC掉電檢測單元

41．．．X電容電壓整理電路

411．．．分壓電阻網路

412．．．比較器

42．．．定時電路

5．．．控制單元

51．．．開關信號生成單元

52．．．驅動單元

6．．．能量消耗單元

A、B、C、D．．．輸出端、點

C1．．．第一電容

C2．．．第二電容

D1．．．第一二極體

D2．．．第二二極體

D3．．．第三二極體

D4．．．第四二極體

D5．．．第五二極體

D6．．．第六二極體

I_D ．．．漏極電流

L．．．火線

N．．．零線

R1．．．第一電阻

R2．．．第二電阻

R3．．．第三電阻

R4．．．第四電阻

R5．．．第五電阻

R6．．．第六電阻

R7．．．第七電阻

R8．．．第八電阻

R9．．．第九電阻

R10．．．第十電阻

R11．．．第十一電阻

R12．．．第十二電阻

R13．．．第十三電阻

S1．．．開關元件

Vcc．．．直流電壓源

V_DS ．．．源級電壓

Vth1．．．第一電壓閾值

Vth2．．．第二電壓閾值

圖1為現有技術中在X電容兩端並聯放電電阻的放電電路示意圖。

圖2為本發明實施例中所應用的功率變換器的電路示意圖。

圖3為本發明一實施例中的功率變換器的變換模組含有有橋PFC單元和DC/DC變換單元的電路示意圖。

圖4為本發明一實施例中的功率變換器的變換模組含有無橋PFC變換單元的示意圖。

圖5為本發明一實施例中的含有PFC單元的功率變換器所採用的PFC電感單元的相關結構示意圖。

圖6為本發明一實施例中的含有無橋PFC單元的功率變換器所採用的開關元件二極體網路單元的相關結構示意圖。

圖7為開關元件MOSFET的漏極電流I_D 與漏極至源級電壓V_DS 的關係示意圖。

圖8為本發明實施例一的包括電容放電裝置的功率變換器示意圖。

圖9為本發明一實施例中的AC掉電檢測單元示意圖。

圖10為本發明中的AC掉電檢測單元的一具體實施例。

圖11為圖10中的AC掉電檢測單元具體實施例的波形圖。

圖12為本發明實施例X電容放電裝置的工作原理流程圖。

圖13為本發明一實施AC掉電檢測信號對控制單元干預的控制原理框圖。

圖14為本發明另一實施AC掉電檢測信號對控制單元干預的控制原理框圖。

圖15為本發明另一實施AC掉電檢測信號對控制單元干預的控制原理框圖。

圖16為如圖3所示的功率變換器中的X電容放電回路示意圖。

圖17為本發明實施例中含有PFC變換單元的對X電容放電的波形示意圖。

圖18為本發明一具體實施例的含有無橋PFC變換單元的功率變換器中的X電容放電回路的示意圖。

圖19為本發明一具體實施例的含有單級變換模組的功率變換器中的X電容放電回路的示意圖。