专利名称：一种电容放电电路及变换器的制作方法
技术领域：
本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种电容放电电路及包含所述电容放电电路的变换器。
背景技术：
通常情况下，为了满足电磁兼容的相关要求，电子设备的交流输入端会增加滤波器结构，该滤波器中会含有电容器。对于该电容器，根据《信息技术设备的安全》(safety ofinformation technology equipment)中的规定应该为安全电容,根据位置的不同，安全电容有X电容和Y电容两种。其中，X电容跨接于交流电源输入端的L线(火线)和N线(零线)，即并联在火线L和零线N之间。从上述X电容连接的位置可以 看出，在交流电源接入时，X电容被充电，从而导致在拔掉交流电源时电源线插头带电，从而容易引起电子设备漏电或机壳带电而危及人身安全及生命，因此，要在拔掉交流电源后快速的对X电容放电，且X电容放电电路的设计需要符合相关安全标准。根据《信息技术设备的安全》(safetyof information technology equipment)中的规定，用电设备在设计上应保证在交流电源外部断接处，尽量减小因接在一次电路中的电容器件贮存有电荷而产生的电击危险。具体地说，如果设备中有任何电容器件，其标明的或标称的容量超过0.luF，且接在一次电路上，该电容器的放电时间常数不超过下列规定值，则应认为设备是合格的:—对A型可插式设备，I秒；以及-对永久性连接式设备和B型可插式设备，10秒。其中，有关时间常数是指等效电容量(UF)和等效放电电阻值(ΜΩ)的乘积。即在经过一段等于一个时间常数的时间，电压将衰减到初始值的37%。为满足对于《信息技术设备的安全》中对电容放电的规定，目前较常用的方法是在X电容两端并联放电电阻；同时保证电容电阻的时间常数小于规定值。下面以变换器电路中包括X电容为例对现有的X电容放电技术进行说明。请参阅图1，图1为现有技术中的具有X电容的变换器在X电容两端并联放电电阻的电路示意图。如图所示，X电容2、放电电阻3和变换模组I依次耦接，并且，X电容2并接在交流电源输入端(火线和零线之间)。现有技术中的具有X电容的变换器与其它在X电容两端并联放电电阻的用电设备相同，即X电容2在交流电源AC断电后长时间贮存高压电能，放电电阻3用于对X电容2进行放电，以便满足安全要求。然而，并联于电路中的放电电阻3在交流电源AC接通后，会一直消耗能量且产生功率损耗，这是造成变换器在空载及待机输入功耗的重要因素，尤其是在输入电压较高的时候放电电阻3的损耗更大。随着轻载效率要求的不断提高，如何减小对X电容2放电所造成的损耗变得越来越重要。此外，变换模组可以是由功率因数校正(PFC)变换单元和DC/DC变换单元两级方案组成。需要强调的是，变换模组采用两级结构时，PFC变换单元为无桥PFC变换单元时由于其拓扑上的优势相对于传统的有桥PFC变换单元会在重载时有较高的效率，但会使用较大电容值的X安规电容。若选用放电电阻对X电容放电，则需选用阻值相对较低的放电电阻，阻值越低，放电电阻在交流电源接入时的损耗会越大，致使无桥PFC变换单元在轻载时效率更低，因此解决X电容放电损耗的问题更为迫切。因此，既要满足现有《信息技术设备的安全》的要求，同时实现用电设备的高效率，尤其是提高设备的轻载效率，成为目前迫切需要解决的课题。
发明内容
鉴于上述现有的解决方法需要添加放电电阻所带来的较严重的功率损耗问题，本发明主要目的为采用无放电电阻的方法，避免放电电阻在交流电源接入时消耗能量，且在交流电源掉电时利用能量转移单元对X电容进行放电，从而可以减小对X电容放电的放电电阻功率损耗，提高轻载效率。为实现上述目的，在本发明的技术方案如下:一种变换器，包括连接于交流电源输入端火线和零线之间的电容、与该电容相耦接且至少包括一储能元件和能量转移单元的变换模组，能量转移单元包括一开关器件且能量转移单元与该电容和储能元件 相耦接、连接于交流电源输入端且用于检测交流电源的通断并产生一 AC掉电信号的AC掉电检测单元、与该AC掉电检测单元相耦接的控制单元，其中，所述能量转移单元包括一开关器件；当AC掉电检测单元检测到交流电源断接后，该AC掉电检测单元输出的AC掉电信号触发所述控制单元输出一开关驱动信号，该开关驱动信号控制能量转移单元工作以将存储于电容中的能量转移到变换模组中的储能元件中，实现对该电容放电。为实现上述目的，本发明还包括另一技术方案。一种电容放电电路，用于对连接于变换器的交流电源输入端火线和零线之间的电容进行放电，其中所述变换器包括一与所述电容相耦接至少包括一储能元件和一能量转移单元的变换模组、连接于变换器的交流电源输入端且用于检测交流电源的通断并产生一 AC掉电信号的AC掉电检测单元和控制单元，其中，所述能量转移单元包括一开关器件，所述能量转移单元与所述电容和所述储能元件相稱接，所述控制单元与所述AC掉电检测单元相耦接^AC掉电检测单元检测到交流电源断接后，AC掉电检测单元输出的AC掉电信号触发控制单元输出一开关驱动信号，该开关驱动信号控制能量转移单元工作以将存储于电容中的能量转移到变换模组中的储能元件中，实现对电容放电。从上述技术方案可以看出，本发明的特点是不再使用放电电阻对连接于变换器的交流电源输入端火线和零线之间的电容放电，而是使用能量转移单元对连接于变换器的交流电源输入端火线和零线之间的电容进行放电。在交流电源接入时，变换模组按照原有设计的工作模式进行功率变换；当交流电源断接时，控制单元控制能量转移单元将存储于连接于变换器的交流电源输入端火线和零线之间的电容中的能量转移到变换模组中的储能元件中去以实现对连接于变换器的交流电源输入端火线和零线之间的电容的快速放电。因此，本发明满足了《信息技术设备的安全》的要求，提高了用电设备的效率。另外，本发明可以利用变换器中变换模组中原有变换单元的一部分为能量转移单元对连接于变换器的交流电源输入端火线和零线之间的电容进行放电，既简化了电路，又提高了轻载效率。不仅对具有有桥PFC结构的变换器有帮助，尤其是对具有无桥PFC变换单元结构的变换器的轻载效率提高起了很大的帮助。
图1为现有技术中的具有X电容的变换器在X电容两端并联放电电阻的电路示意图；图2为本发明实施例中的具有X电容的变换器所包含的AC-DC变换模组的电路结构示意图；图3为本发明实施例中的具有单级(single-stage)变换单元的变换模组的电路结构示意图；图4为本发明实施例中的变换模组含有有桥PFC变换单元的电路结构示意图；图5为本发明实施例中的变换模组含有无桥PFC变换单元的电路结构示意图；图6为本发明实施例中无桥PFC变换单元所采用的三种开关二极管网络单元的相关结构意图；图7为本发明实施例中所采用的四种PFC电感单元的相关结构示意图；图8为本发明实施例的具有X电容的变换器中通过能量转移单元对X电容放电的电路结构意图；图9为本发明实施例的具有X电容且具有两级型变换模组的变换器中通过能量转移单元对X电容放电的电路结构示意图；图10为本发明实施例的具有X电容且具有单级型变换模组的变换器中通过能量转移单元对X电容放电的电路结构示意图；图11为本发明又一实施例的具有X电容且具有两级型变换模组的变换器中通过能量转移单元对X电容放电的电路结构示意图；图12为本发明又一实施例的具有X电容且具有单级型变换模组的变换器中通过能量转移单元对X电容放电的电路结构示意图；图13为本发明实施例中的AC掉电检测单元的电路结构框图；图14为本发明AC掉电检测单元的一具体实施例；图15为图14中的AC掉电检测单元具体实施例的波形图；图16为本发明实施例中AC掉电信号通过控制单元控制能量转移单元工作的流程示意图；图17为本发明一实施例的包含干预单元的控制单元的电路结构示意图；图18为图17的包含干预单元的控制单元的一具体电路示意图；图19为本发明另一实施例的包含干预单元的控制单元的电路结构示意图；图20为图19中控制单元控制电容放电过程中的波形图；图21为本发明又一实施例的包含干预单元的控制单元的电路结构示意图；图22为本发明实施例的利用有桥PFC变换单元为能量转移单元对具有X电容的变换器中的X电容放电的具体电路示意图；图23为图22中具有X电容的变换器对电容放电的过程波形示意图。
具体实施例方式体现本发明特征与优点的一些典型实施例将在后段的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的示例上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及图示在本质上当作说明之用，而非用以限制本发明。上述及其它技术特征和有益效果，将结合实施例及附图2至图23对本发明的电容放电装置及包含该电容放电装置的变换器进行详细说明。对于AC-AC和/或AC-DC变换器，在其交流输入端通常都会增加一滤波器结构，那么根据《信息技术设备的安全》的要求，滤波器中的电容要在交流电源断接时对其进行放电，其中变换器中需要被放电的电容还包括变换器中的其它需要被放电的电容，且其中需要被放电的电容也可以为多个电容并联或串联构成。下面以包含所述需要被放电的电容的AC-DC变换器为例讲述其工作原理，其中该需要被放电的电容具体为上述的X电容。通常的AC-DC变换器除包含一需要被放电的X电容2外，还包含一变换模组1，变换模组I和X电容2连接。在本发明的一实施例中，如图2所示变换模组I可以是由功率因数校正(Power Factor Correction ,简称为PFC)变换单兀11和DC/DC变换单兀13两级方案组成，PFC变换单元11和DC/DC变换单元13之间耦接有一 Bus电容12。在本发明的一实施例中，变换模组I也可以是如图3所示的单级(single-stage)反激变换单元的变换模组，其中，电容311为其输出电容。在其它实施例中，变换模组I也可以是其它的单级(single-stage)变换单元的变换模组。在本发明的实施例中，图2所示的PFC变换单元11可以是有桥的PFC变换单元(如图4所示)，也可以是无桥PFC变换单元(如图5所示)；PFC变换单元11可以是升压型的PFC变换单元，也可以是降压型的PFC变换单元，还可以是升降压型的PFC变换单元。如图4所示为本发明实施例中的变换模组含有有桥PFC变换单元的电路结构示意图。如图所示，该变换模组I包括有桥PFC变换单元11，一 DC/DC转换单元13和一 Bus电容12 ;其中，PFC变换单元11为一升压型的PFC变换单元，该PFC变换单元11包括了依次耦接的整流桥111、π型滤波单元112、PFC电感113和开关二极管网络114，其中，π型滤波单元112可以添加也可以不添加。由于有桥PFC变换单元11中的PFC电感113在整流桥111后，所以添加的π型滤波单元112中的电容可以为非安规电容，但因为该π型滤波单元112具有差模滤波器的效果，并且其不与交流输入端直接连接，因此可以减小耦接在输入端X电容2的容值。因此，该耦接于输入端的X电容2容值可以相对较小。如图5所示为本发明实施例中的变换模组含有无桥PFC变换单元的示意图。如图所示，该变换模组I包括无桥PFC变换单元11’，一 DC/DC转换单元13和一 Bus电容12 ;其中，无桥PFC变换单元11’由一 PFC电感113’和一开关二极管网络114’组成。如图5所示，在无桥PFC变换单元11’的拓扑结构中没有包括整流桥的结构，如果要添加滤波器结构，由于滤波器与交流电源输入端直接相接，那么使用的电容根据《信息技术设备的安全》的规定也为X电容，在交流电源断接后也要对其放电，那么用于滤除差模的X电容就要选用较大的容值，若用放电电阻对X电容放电，根据放电时间常数(RC< I秒)的规定，要选用相对较小阻值的放电电阻，这样放电电阻的功耗比较大。因此，在轻载时含有无桥PFC变换单元的变换器的效率压力就明显变大。
请参阅图6，图6为本发明实施例中无桥PFC变换单元所采用的三种开关二极管网络单元的相关结构示意图。需要强调的是，虽然图中仅示出了三种开关二极管网络的结构，其它的开关二极管网络的结构也可以为本发明的实施例所用，并且，其它二极管和开关管相互可以替换的衍生结构也包括其中。上述两个实施例中的有桥PFC变换单元11或无桥PFC变换单元11’中，均包括PFC电感单元113或113’。请参阅图7，图7为本发明实施例中所采用的四种PFC电感单元的相关结构示意图。虽然图中仅示出了四种PFC电感的结构，但PFC电感可以是一个或多个电感组成，多个电感之间也可以是耦合与非耦合关系。请参阅图8，图8为本发明一实施例的具有X电容的变换器中通过能量转移单元对X电容放电的电路结构示意图。在本发明实施例中的变换器包括连接于交流电源输入端火线和零线之间的X电容2、与该X电容2相耦接的变换模组I。在本发明实施例中的变换器采用了一种无放电电阻的方法。如图8所示，具有X电容的变换器包括了连接于交流电源输入端火线和零线之间的X电容2、与该X电容2相耦接的变换模组1、用于检测交流电源通断的AC掉电检测单元4以及控制单元5。所述变换模组I至少包括一储能元件和一能量转移单元，所述能量转移单元包括一开关器件，AC掉电检测单兀4与交流电源输入端相连,输出一 AC掉电信号；控制单兀5接收AC掉电检测单元4输出的AC掉电信号。当AC掉电检测单元4检测到交流电源断接，也即AC掉电检测单兀4发出交流电源断接的AC掉电信号时，AC掉电信号触发控制单兀5输出一开关驱动信号，该开关驱动信号控制能量转移单元工作，将存储于X电容2中的能量转移到变换模组I中的储能元件中以实现对X电容2放电。关于上述的储能元件可以是容性元件或感性元件，如对于图3所示的变换模组中的储能元件可为容性元件311，如对于图3所示的变换模组中的储能元件也可为变压器的励磁电感；如对于图4所示的变换模组中的储能元件可为容性元件12和/或131，其中131为DC/DC变换单元的输出电容也即变换模组的输出电容，如对于图4所示的变换模组中的储能元件也可为感性元件113，感性元件113即为PFC变换单元中的PFC电感，在其它实施例中如图4所示的变换模组中作为储能元件的感性元件也可为DC/DC变换单元中的感性元件(图中未示出)；如对于图5所示的变换模组中的储能元件可为容性元件12和/或131’，其中131’为DC/DC变换单元的输出电容也即变换模组的输出电容，如对于图5所示的变换模组中的储能元件也可为感性元件113’，感性元件113’即为PFC变换单元中的PFC电感，在其它实施例中如图5所示的变换模组中作为储能元件的感性元件也可为DC/DC变换单元中的感性元件(图中未示出)。也即上述的储能元件可为任何可以储存能量的元件。以所述储能元件为一容性元件为例，当所述AC掉电检测单元检测到交流电源断接后，所述AC掉电检测单元输出的AC掉电信号触发所述控制单元输出所述开关驱动信号，所述开关驱动信号控制所述能量转移单元工作以提高所述容性元件上的电压，以将存储于所述电容中的能量转移到所述变换模组中的容性元件中，实现对所述电容放电。在本发明的一实施例中，上述能量转移单元可以是原有变换模组I中的变换单元的一部分，该单元在交流电源接入时进行功率变换来完成变换模组I原有的设计功能，对输出进行供电。而交流电源断接时，该部分被利用成能量转移单元，将X电容的能量转移到变换模组的储能元件中去。如图9所示对于两级型的变换模组结构，能量转移单元可以为变换模组I中PFC变换单元(其中PFC变换单元可为图4的有桥PFC变换单元，也可为图5无桥PFC变换单元)，也可以是变换模组I中的PFC变换单元和DC/DC变换单元同时被利用成能量转移单元。如图10所示为单级型的变换模组结构，在本实施例中此单级型的变换模组为一单级反激变换单元，能量转移单元即为此单级反激变换单元。当交流电源接入时，变换模组的反激变换单元进行功率变换。当交流电源断接时，反激变换单元充当能量转移单元，将X电容2中的能量转移到变换模组I的储能元件电容中去。该实施例以单级反激变换单元为例，但不限于此一种单级变换单元。在本发明的一实施例中，上述的能量转移单元也可以是变换模组I中的一辅助变换单元，所述辅助变换单元包括一开关器件。在交流电源接入时，变换模组I中的辅助变换单元停止工作，输出的能量通过原有设计的变换单元来提供；在交流电源断接时，AC掉电信号触发控制单元5控制变换模组I中的辅助变换单元工作将X电容2上的能量转移到变换模组I的储能元件中去，也即所述辅助变换单元被利用成能量转移单元。在本发明的一实施例中，如图11所示，对于两级型的变换模组结构，辅助变换单元15可以被利用成能量转移单元，该辅助变换单元15与X电容2和变换模组I中的储能元件相连。在交流电源接入时，PFC变换单元11和DC/DC变换单元13按照原有设计的方式进行功率变换，而辅助变换单元15停止工作。当交流电源断接时，AC掉电检测单元4检测到交流电源断接时AC掉电信号触发控制单元5来控制辅助变换单元15进行工作，从而将X电容2中的能量转移到变换模组I中的储能元件中，也即所述辅助变换单元15被利用成能量转移单元。其中，辅助变换单元15的拓扑可以是升压型的变换电路、降压型的变换电路，也可以是升降压型的变换电路。如图12所示，对于单级型的变换模组结构，变换模组I由一单级变换子模组16和辅助变换单元15组成，辅助变换单元15与X电容2和单级变换子模组16中的储能元件相连。当交流电源接入时，变换模组I中的变换子模组16进行功率变换，辅助变换单元15停止工作。当交流电源断接时，AC掉电检测单元4检测到交流电源断接时AC掉电信号触发控制单元5控制辅助变换单元15将X电容2中的能量转移到变换模组I的储能元件电容中去，从而实现对X电容2的放电，也即所述辅助变换单元15被利用成能量转移单元。上述的能量转移单元包括一开关器件，该开关器件可以为绝缘栅双载流子晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,简称IGBT)或金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor,简称 M0SFET)等。上述的能量转移单元可以为任何一种能将存储于X电容2中的能量转移到变换模组I中的储能元件中去的功能单元。从上述的一些实施例中可以看出，上述控制单元5可以是变换模组的控制器中单独的部分，即在交流电源接入时，控制单元5停止工作；在交流电源断接时，控制单元5可以控制变换模组I中的能量转移单元工作将X电容2上的能量转移到变换模组I的储能元件中去。需要说明的是，上述控制单元5可以采用现有技术中任何一种控制变换模组I中的能量转移单元工作将X电容2上的能量转移到变换模组I的储能元件中去的控制电路，在此不再赘述。在本发明的另一些实施例中，上述控制单元5中的部分电路也可以利用变换模组中原有功率变换单元(如图11中的两级功率变换单元14及如图12中的单级功率变换单元16)的控制单元的一部分。在交流电源断接时，AC掉电信号触发控制单元5进行工作控制变换模组I中的能量转移单元工作对X电容2进行放电。在本发明一实施例中，AC掉电检测单元4是可以通过检测X电容2两端的电压来进行判断交流电源通断状态的，但不以此为限。也就是说，在本发明的实施例中，AC掉电检测单元4可以采用任何一种能判断出交流电源通断状态的工作方式。请参阅图13，图13为本发明实施例中的AC掉电检测单元的结构示意图。在一些实施例中，AC掉电检测单元4可以包括电容电压整理电路和定时电路。在本发明的实施例中，以AC掉电检测单元可以包括X电容电压整理电路和定时电路为例进行说明。如图所示，AC掉电检测单元4中的X电容电压整理电路41将X电容2两端的电压进行变换以适应于后面的电路，即将加载于X电容2两端的电压信号变换成另一输出电压信号，该输出电压信号能够反映输入电源的交流特性；定时电路42接收X电容电压整理电路41产生的输出电压信号，对该输出电压信号进行交流特性判断，即对X电容电压的正负时间分别计时判断，若正电压或负电压的时间没有超过预期时间(如预期时间是交流电源的周期)，则认为交流电源正常接入；若正电压或负电压的时间超过预期的时间，则判断此时交流电源没有交流变化，即交流电源断接。在电路的表现形式上，通过判断定时电路42输出的直流电压信号是否超过了设定的第二电压阈值Vth2，产生并输出交流电源通断状态的信号。具体地说，定时电路42可以通过RC(电阻电容)电路的电容充放电电压来判断该直流电压信号是否超过了设定的第二电压阈值Vth2，若该电容充放电电压超过了设定的第二电压阈值Vth2，则AC掉电检测单元4产生交流电源断接的AC掉电信号，否则，AC掉电检测单元4认为交流电源未断接。在其它一些实施例中，AC掉电检测单元4也可以通过数字电路来实现，其实现的原理与模拟实现的原理基本相同，在此不再赘述。下面通过一实施例来详细阐述AC掉电检测单元4的工作原理。请参阅图14，图14为本发明AC掉电检测单元的一具体实施例。如图所示，AC掉电检测单元4包括一 X电容电压整理电路41及一定时电路42，该X电容电压整理电路41包括一分压电阻网络411和一比较器412，该定时电路42为一比较定时积分电路。首先，X电容电压整理电路41将采样到的X电容电压经过一个比较器412进行整理，然后定时电路42再将X电容电压整理电路41输出的信号进行比较定时积分得到AC掉电检测单元4的输出信号，即AC掉电信号，若X电容电压信号为交流波动的，那么定时电路中的电容会周期性的充电放电，从而输出的AC掉电信号低于设定的电压值；反之，X电容电压维持不变，定时电路的输出会高于设定的电压值。所以，当交流输入接入时，AC掉电检测单元4的输出电压低于设定第二电压阈值Vth2，而当交流电源断接后，AC掉电检测单元4的输出电压会高于设定的第二电压阈值Vth2，则认为交流电源断开。如图14所示，该X电容电压整理电路41的分压电阻网络包括一第一电阻Rl、一第二电阻R2、一第三电阻R3和一第四电阻R4，其中第一电阻Rl和第二电阻R2串联连接、第三电阻R3和第四电阻R4串联连接后的一端分别连接于交流输入电源的零线(N线)和火线(L线)，第一电阻Rl和第二电路R2串联连接、第三电阻R3和第四电阻R4串联连接后的另一端接地，其用于对X电容电压进行采样。该X电容电压整理电路41的比较器412包括一第一比较器,具有一同相输入端、一反相输入端及一输出端，第一电阻Rl和第二电路R2的共节点通过第六电阻R6连接于该第一比较器的反相输入端，第三电阻R3和第四电阻R4的共节点通过第五电阻R5连接于该第一比较器的同相输入端，该第一比较器的输出端即A点为X电容电压整理电路41的输出端。该定时电路42包括一第二比较器、一第三比较器、一第一充电电路、一第二充电电路、一第一二极管Dl和一第二二极管D2。其中该X电容电压整理电路41的输出端即A点分别通过第八电阻R8和第十一电阻Rll连接于该第二比较器的同相输入端和第三比较器的反相输入端，一第一电压阈值Vthl分别通过第九电阻R9和第十电阻RlO连接于该第二比较器的反相输入端和第三比较器的同相输入端；第一充电电路包括串联连接的第一电容Cl和第十二电阻R12，第一电容Cl和第十二电阻R12串联连接后的一端连接于一直流电压源Vcc、另一端接地，第一电容Cl和第十二电阻R12串联连接的共节点连接于所述第二比较器的输出端即B点；第二充电电路包括串联连接的第二电容C2和第十三电阻R13，第二电容C2和第十三电阻R13串联连接后的一端连接于该直流电压源Vcc、另一端接地，第二电容C2和第十三电阻R13串联连接的共节点连接于所述第三比较器的输出端即C点；该第一二极管Dl和该第二二极管D2的阳极分别连接于该第二比较器的输出端即B点和该第三比较器的输出端即C点，该第一二极管Dl和该第二二极管D2的阴极短接作为该定时电路的输出端也即该AC掉电检测单兀4的输出端,其输出一 AC掉电信号。请参阅图15，图15为图14中的AC掉电检测单元具体实施例的波形图。图15.(I)和图15.(2)分别说明当交流电源在其负半周期和正半周期断接时的情况。图中可以看出X电容整理电路输出点A的电压波形，其可以反映出交流电源的交流特性。现以交流电源输入电压在其负半周期断接为例进行说明，见图15.(I)。在t0时刻前交流电源正常接入时，X电容上的电压为正弦波，经第一电阻Rl和第二电路R2串联分压、第三电阻R3和第四电阻R4串联分压及第一比较器后可得A点电压为只有正半周期的馒头波，该波形可以反映X电容的交流变化，此馒头波经第二比较器和第三比较器分别和第一电压阈值Vthl比较使第一充电电路和第二充电电路中的第一电容和第二电容经直流电压源Vcc被周期性的充电和放电，如在X电容电压的正半周期且A点电压高于设定的阈值电压Vthl时，第一电容Cl充电，而第二电容C2放电，但是由于X电容电压周期性的交流变化，在第一电容Cl或第二电容C2被充电时，其上的电压值都不超过设定的第二电压阈值，AC掉电检测单元4产生的AC掉电信号不触发控制单元5，因此变换模组I按原来的设计方案进行功率变换对输出进行供电。在t0时刻交流电源断接，X电容2上的电压维持不变，A点电压维持低电平，电容C2持续充电，电容Cl放电至零，即B点的电压为零，则AC掉电检测单元4的输出电压信号即为C点电压信号；当到达tl时刻时，电容C2两端的电压超过了设定的第二电压阈值Vth2，即AC掉电检测单元4输出电压高于设定电压值从而检测到交流电源断接，此时，AC掉电检测单元4输出的AC掉电信号将触发控制单元5输出一开关驱动信号，该开关驱动信号控制变换模组I中的能量转移单元中开关器件工作将X电容2的能量转移到变换模组I的储能元件中去。与本实施例中，第一电压阈值Vthl、第二电压阈值Vth2和直流电压源Vcc可根据设计的需求自行设定，其电压值可以取之功率变换器内部电路也可以取之其它电路。交流电源在其正半周期断接时，X电容电压、A点电压、B点电压、C点电压及AC掉电信号波形如图15.(2)所示，其工作原理和图15.(I)相同，在此不再描述。与本实施例中，通过定时电路42中的RC电路中的电容上的电压来判断是否超过了设定第二电压阈值Vth2，若该电压超过了设定第二电压阈值Vth2，则认为交流电源已断开，否则，认为交流电源仍为接入状态。在其它一些实施例中，亦可通过其它的电路实现检测交流电源是否接入。与本实施例中，通过模拟电路实现AC掉电检测单元4的功能，在其它一些实施例中，也可以通过数字功能来实现。在本发明的一实施例中，如图16所示为AC掉电信号通过控制单元控制能量转移单元工作的流程示意图，当交流电源接入时，AC掉电信号不影响变换模组中原有变换单元的控制单元工作，变换模组I按照原有的设计方式进行工作(即现实功率变换的功能)，给输出供电；在交流电源断接时，AC掉电检测单兀4输出的AC掉电信号触发控制单兀5输出一开关驱动信号以控制变换模组I中的能量转移单元工作，从而将X电容2中的能量转移到变换模组I的储能元件中，实现对X电容2放电。在本发明一实施例中，通过增加所述开关驱动信号的占空比以控制变换模组I中的能量转移单元工作，即使能量转移单元在预设时间(比如规定的放电时间常数)内比变换模组按原有的设计方式工作时传输的能量提高，从而将X电容2中的能量转移到变换模组I的储能元件中，实现对X电容2放电。在本发明一实施例中，通过增加所述开关驱动信号的脉冲宽度或调整所述开关驱动信号的开关频率来增加所述开关驱动信号的占空比。下面以上述控制单元5中的部分电路为变换模组中原有变换单元(如图11中的两级功率变换单元14及如图12中的单级功率变换单元16)的控制单元的一部分为例简述一下控制单元5的工作原理。在本发明的一些实施例中，以图17为例控制单元5除包含反馈调节单元52和开关信号产生单元53外还包含一个干预单元51，反馈调节单元接收一反馈信号，并通过调节单元得到一输出量，开关信号产生单元则根据反馈调节单元的输出量生成一开关器件驱动信号。需要说明的是，控制单元5中的反馈调节单元52和开关信号产生单元53可以利用变换模组I中原功率变换单元(如图11中的两级功率变换单元14及如图12中的单级功率变换单元16)中具有相同功能的电路单元。也就是说，在本发明的实施例中，为简化电路，控制单元5中的反馈调节单元52和开关信号产生单元53可以利用PFC变换单元或DC/DC变换单元或单级功率变换单元中的控制电路的部分电路。例如，控制单元5中的反馈调节单元52和开关信号产生单元53可以利用PFC变换单元中的反馈调节单元及开关信号产生单元。在本发明的其它实施例中，控制单元5中的反馈调节单元52和开关信号产生单元53也可以为额外增加的电路部分，即可以不利用变换模组中原有功率变换单元中的控制电路中的电路。在本发明的实施例中，控制单元5中的干预单元可通过各种方式工作，只要能使得控制单元5输出的开关驱动信号驱动变换模组I的能量转移单元中的开关器件工作，将X电容2中的能量转移到变换模组I的容性元件中，实现对X电容2的放电即可。请参阅图17，图17为本发明一实施例中包含干预单元的控制单元的电路结构方框图。具体地，如图17所示的控制单元5，其包括干预单元51、反馈调节单元52和开关信号产生单元53 ;其中，反馈调节单元52包括反馈电压采样单元521、电压基准生成单元522和调节单元523，在其它实施例中，该调节单元523为PID比例积分微分单元。在本实施例中，当AC掉电检测单元4检测到交流电源断接后，AC掉电检测单元4发出的AC掉电信号触发干预单元51干预反馈调节单元52中的反馈电压采样单元521，进而使得开关信号产生单元53输出的开关驱动信号驱动变换模组I中的能量转移单元中的开关器件工作对X电容2进行放电；而当交流电源接入时，干预单元51不干预反馈调节单元52中的反馈电压采样单元523的输出，变换模组I按照原有的设计方式进行工作。请参阅图18，图为图17的包含干预单元的控制单元的一具体电路示意图。在该实施例中，接收X电容2能量的储能元件为容性元件,该容性元件可以是bus电容。如图18所示，反馈调节单元52采用的是较典型的连接方式，即变换模组中接收X电容能量的容性元件的一端通过反馈调节单元52中的反馈电压采样单元521中依次串接的电阻R18、R19、R20和R21与接地端相连，电阻R19和R20的共接点与调节单元523的反相输入端相连，电压基准产生单元522与调节单元523的同相输入端相连，调节单元523根据该接收X电容能量的容性元件的电压采样值和电压基准产生单元产生的基准电压得到一输出量，开关信号产生单元53根据该输出量产生驱动变换模组I中的开关器件工作的开关驱动信号。在本发明的实施例中，与较典型的连接方式所不同的是，在电阻R21的两端并接有干预单元51，该干预单元51接收AC掉电检测单元输出的AC掉电信号。在本发明的实施例中，该干预单元51为一个开关器件，图中所示为开关管S3，开关管S3受AC掉电信号控制，当AC掉电检测单元检测到交流电源断开时开关管S3导通，电阻R21即被短接，输入到调节单元523反相输入端的电压会降低，从而改变了原有的反馈网络。具体地，在变换模组I正常工作情况下，即当AC掉电信号不触发干预单元51时，变换模组I按照原有的反馈网络进行控制，其反馈电压的电压值为:
「 I U T, * R20 + R21Yfr =Vc*-
FB c i 18 + i 19 + i 20 + i 21上式中的Vc代表变换模组中接收X电容2中能量的容性元件的电压值。
Vfb代表反馈电压采样单元输出的反馈电压值。此时，变换模组I按照反馈电压Vfb进行控制，发出开关驱动信号驱动变换模组I中的开关管工作。而当交流电源断接时，AC掉电信号控制开关管S3导通，电阻R21被短接，从而改变了原有的反馈网络，这时反馈的电压值为:V；B = Vc *-^-
FB c i 18 + i 19 + i 20 即< < Vfb，此时，调节单元523的反相输入电压降低，调节单元523输出的电压升
高，从而控制控制单元5输出一开管驱动信号控制变换模组I中的能量转移单元中的开关器件工作以提升接收X电容2中能量的电容电压值，实现将X电容2中的能量转移到变换模组I中的储能元件上。在本发明的实施例中，干预单元51可以采用多种方式干预反馈调节单元52，在本发明一实施方式中(如图18所示)，可以干预反馈电压采样单元521，使反馈电压采样单元521的采样值变低，从而升高了调节单元523输出的电压，使变换模组I中的能量转移单元中的开关器件工作以提升变换模组中接收X电容2中能量的容性元件的电压值，实现将X电容2中的能量转移到变换模组I中的容性元件上。在本发明另一实施方式中，可以干预基准电压生成单元522，使得基准电压升高，同样，升高了调节单元523输出的电压，进而控制变换模组I中的能量转移单元中的开关器件工作实现将X电容2中的能量转移到变换模组I中的容性元件上。请参阅图19，图19为本发明另一实施例中包含干预单元的控制单元的电路结构示意图。如图19所示，干预单元51干预电压基准产生单元522，与图18类似，导致调节单元523输出端的电压升高，从而控制变换模组I中的能量转移单元中的开关器件工作以提升接收X电容2中能量的容性元件的电压值，实现将X电容2中的能量转移到变换模组I中的容性元件上。下面以本实施方式的波形图来具体讨论一下交流电源断接时X电容2放电的原理。如图20所示，波形图20a是X电容2两端的电压，在t0时刻之前，交流电源接入使得X电容2两端的电压按照正弦变化，AC掉电信号(如波形图20b所示)由于电容的周期充、放电而低于设定的电压阈值Vth2，电压基准(如波形图20c所示)为交流电源接入时设定的正常工作基准值Vrefl。在t0时刻交流电源断接，X电容2两端的电压因为维持在交流电源断接时的瞬时电压值，AC掉电信号因为交流电源断接而不断升高，在tl时刻，由于AC掉电信号超过了设定的电压阈值Vth2，从而检测到了交流电源断接，干预单元6干预电压基准产生单元522，使电压基准由原来的Vrefl升高为Vref2，这样反馈调节单元523的输出会升高，从而使控制单元5输出的开管驱动信号(如波形图20d所示)驱动变换模组I的能量转移单元中的开关器件 工作来对X电容2进行放电。如图21为本发明又一实施例的包含干预单元的控制单元的电路结构示意图。在本实施例中，干预单元51直接干预控制电路5中的开关信号产生单元53，从而使控制单元5输出的开关驱动信号驱动变换模组I的能量转移单元中的开关器件工作来对X电容2进行放电。请参阅图22,图22所示为本发明实施例的利用有桥PFC变换单元为能量转移单元对具有X电容的变换器中的X电容放电的具体电路示意图。下面以变换器为如图4所示的变换器，控制电路5为图18所示的控制电路为例进行说明。如图22所示，该变换器中的有桥PFC变换单元11被利用成能量转移单元，该变换模组I中的储能元件是bus电容12，该反馈电压采样单元521采样PFC变换单元11输出电容Cbus上的电压，开关信号产生单元53输出的开管驱动信号控制该PFC变换单元11中开关二极管网络的开关器件SI的通断。如图23所示为本发明一实施方式的利用能量转移单元对具有X电容的变换器上的X电容放电的波形图。如图23(a)所示为没有X电容放电装置时的X电容电压波形，如图23(b)所示为AC掉电信号波形，如图23(c)所示为开关驱动信号波形，如图23(d)所示为利用能量转移单元放电的X电容电压波形。在时间点h时刻之前，所述变换器的交流电源正常接入，AC掉电检测单元没有检测到AC掉电，则AC掉电检测单元输出的AC掉电信号不导通干预单元51中的开关管S3，也即变换器中的变换模组按原有的设计方案工作。在时间点h时刻交流电源断接(以交流电源在负半周掉电为例)，若不对X电容2进行放电，加载在X电容2两端的电压一直维持在交流电源掉电瞬间的电压，不能释放，也即一直存在能够危害人身安全的高电压。在本发明的实施例中，交流电源在h时刻断接，经过^tci的时间间隔AC掉电检测单元检测到交流电源断接，也即在^时刻产生的AC掉电信号导通干预单元51中的开关管S3，导通的开关管S3短路反馈电压采样单元中的电阻R21，输入到调节单元反相输入端的反馈电压会降低，从而改变了原有的反馈网络，这样控制单元5按目前的反馈电压发出控制信号如图23(c)所示，使PFC变换单元11中的开关器件SI工作以提升Cbus电容上的电压值，实现将X电容2中的能量通过能量转移单元(也即本实施例中的PFC变换单元)转移到变换模组中的容性元件Cbus电容12上。综上所述，本发明的特点是不再使用放电电阻对X电容放电，而是利用能量转移单元对X电容进行放电。在交流电源接入时，消除了放电电阻的损耗，在交流电源断接时，可以利用能量转移单元对X电容进行放电，满足了《信息技术设备的安全》的要求，尤其是对含有无桥PFC变换单元的变换器轻载效率提高起了很大的帮助。同时，上述的能量转移单元可以是变换器中变换模组中原有变换单元的一部分，从而大大简化了电路。以上所述的仅为本发明的实施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。
权利要求
1.一种变换器，包括: 一电容，连接于交流电源输入端火线和零线之间； 变换模组，与所述电容相耦接，所述变换模组至少包括一能量转移单元和一储能元件，所述能量转移单元包括一开关器件，所述能量转移单元与所述电容和所述储能元件相耦接; AC掉电检测单元，连接于交流电源输入端，用于检测交流电源的通断并产生一 AC掉电信号; 控制单元，与所述AC掉电检测单元相耦接，当所述AC掉电检测单元检测到交流电源断接后，所述AC掉电检测单元输出的AC掉电信号触发所述控制单元输出一开关驱动信号，所述开关驱动信号控制所述能量转移单元工作以将存储于所述电容中的能量转移到所述变换模组中的储能元件中，实现对所述电容放电。
2.根据权利要求1所述的变换器，其特征在于:所述储能元件为一容性元件；当所述AC掉电检测单元检测 到交流电源断接后，所述AC掉电检测单元输出的AC掉电信号触发所述控制单元输出所述开关驱动信号，所述开关驱动信号控制所述能量转移单元工作以提高所述容性元件上的电压， 以将存储于所述电容中的能量转移到所述变换模组中的容性元件中，实现对所述电容放电。
3.根据权利要求2所述的变换器，其特征在于:所述控制单元通过增加所述控制单元输出的开关驱动信号的占空比实现所述容性元件两端电压的升高。
4.根据权利要求1所述的变换器，其特征在于:所述储能元件为一感性元件。
5.根据权利要求1所述的变换器，其特征在于:所述变换模组为两级变换模组，所述两级变换模组由PFC变换单元、Bus电容和DC/DC变换单元依次串联耦接组成，所述PFC变换单元为升压型的PFC变换单元、降压型的PFC单元,或升降压PFC单元,所述PFC变换单元为有桥PFC变换单元或无桥PFC变换单元。
6.根据权利要求5所述的变换器，其特征在于:所述能量转移单元为PFC变换单元，所述变换模组中的储能元件为Bus电容。
7.根据权利要求5所述的变换器，其特征在于:所述能量转移单元为PFC变换单元和DC/DC变换单元,所述储能元件为变换模组中的输出电容,或者所述储能元件为变换模组中的Bus电容及输出电容。
8.根据权利要求1所述的变换器，其特征在于:所述变换模组为单级变换模组，所述的单级变换模组为一 AC/DC变换单元，所述变换模组中的储能元件为单级变换模组的输出电容。
9.根据权利要求1所述的变换器，其特征在于:所述AC掉电检测单元包括: 电容电压整理电路，将接收到的交流电源信号进行变换以产生一电压信号；以及 定时电路，接收所述电容电压整理电路产生的电压信号，对交流电源电压的正负时间分别计时判断，若正电压或负电压的时间超过预期的时间，则判断此时交流电源没有交流变化，即交流电源断接。
10.根据权利要求1所述的变换器，其特征在于:所述控制单元包括干预单元、反馈调节单元及开关信号产生单元，其中，所述反馈调节单元包括反馈电压采样单元、电压基准产生单元和调节单元；在交流电源断接时，所述干预单元通过降低所述反馈调节单元接收的反馈信号电压或升高电压基准产生单元的输出电压，从而升高所述反馈调节单元输出的电压值，使所述开关信号产生单元根据反馈调节单元的输出电压值生成一开关驱动信号，以控制所述变换模组中的开关器件工作以将存储于所述电容中的能量转移到所述变换模组中的储能元件中，实现对所述电容放电。
11.根据权利要求1所述的变换器，其特征在于:所述控制单元包括干预单元及开关信号产生单元，在交流电源断接时，所述开关信号产生单元根据所述AC掉电信号干预所述开关信号产生单元产生开关管驱动信号以控制所述能量转移单元工作，将存储于所述电容中的能量转移到所述变换模组中的储能元件中。
12.一种电容放电电路，用于对连接于变换器的交流电源输入端火线和零线之间的电容进行放电，其中所述变换器包括一变换模组，与所述电容相耦接，所述变换模组至少包括一储能元件和一能量转移单元，其中所述能量转移单元包括一开关器件，所述能量转移单元与所述电容和所述储能元件相稱接，包括: AC掉电检测单元，连接于变换器的交流电源输入端，用于检测交流电源的通断并产生一 AC掉电信号； 控制单元，与所述AC掉电检测单元相耦接，当所述AC掉电检测单元检测到交流电源断接后，所述AC掉电检测单元输 出的AC掉电信号触发所述控制单元输出一开关驱动信号，所述开关驱动信号控制所述能量转移单元 工作以将存储于所述电容中的能量转移到所述变换模组中的储能元件中，实现对所述电容放电。
13.根据权利要求12所述的电容放电电路，其特征在于:所述电容为一X电容。
14.根据权利要求12所述的电容放电电路，其特征在于:所述储能元件为一容性元件；当所述AC掉电检测单元检测到交流电源断接后，所述AC掉电检测单元输出的AC掉电信号触发所述控制单元输出所述开关驱动信号，所述开关驱动信号控制所述能量转移单元工作以提高所述容性元件上的电压，以将存储于所述电容中的能量转移到所述变换模组中的容性元件中，实现对所述电容放电。
15.根据权利要求14所述的电容放电电路，其特征在于:所述控制单元通过增加所述控制单元输出的开关驱动信号的占空比实现所述容性元件两端电压的升高。
16.根据权利要求12所述的电容放电电路，其特征在于:所述储能元件为一感性元件。
17.根据权利要求12所述的电容放电电路，其特征在于:所述变换模组为两级变换模组，所述两级变换模组由PFC变换单元、Bus电容和DC/DC变换单元依次串联耦接组成，所述PFC变换单元为升压型的PFC变换单元、降压型的PFC单元，或升降压PFC单元，所述PFC变换单元为有桥PFC变换单元或无桥PFC变换单元。
18.根据权利要求17所述的电容放电电路，其特征在于:所述能量转移单元为PFC变换单元，所述变换模组中的储能元件为Bus电容。
19.根据权利要求17所述的电容放电电路，其特征在于:所述能量转移单元为PFC变换单元和DC/DC变换单元,所述储能元件为变换模组中的输出电容或者，所述储能元件为变换模组中的Bus电容及输出电容。
20.根据权利要求12所述的电容放电电路，其特征在于:所述变换模组为单级变换模组，所述的单级变换模组为一 AC/DC变换单元，所述变换模组中的储能元件为单级变换模组的输出电容。
21.根据权利要求12所述的电容放电电路，其特征在于:所述AC掉电检测单元包括: 电容电压整理电路，将接收到的交流电源信号进行变换以产生一电压信号；以及 定时电路，接收所述电容电压整理电路产生的电压信号，对交流电源电压的正负时间分别计时判断，若正电压或负电压的时间超过预期的时间，则判断此时交流电源没有交流变化，即交流电源断接。
22.根据权利要求12所述的电容放电电路，其特征在于:所述控制单元包括干预单元、反馈调节单元及开关信号产生单元，其中，所述反馈调节单元包括反馈电压采样单元、电压基准产生单元和调节单元；在交流电源断接时，所述干预单元通过降低所述反馈调节单元接收的反馈信号电压或升高电压基准产生单元的输出电压，从而升高所述反馈调节单元输出的电压值，使所述开关信号产生单元根据反馈调节单元的输出电压值生成一开关驱动信号，以控制所述变换模组中的开关器件工作以将存储于所述电容中的能量转移到所述变换模组中的储能元件中，实现对所述电容放电。
23.根据权利要求12所述的电容放电电路，其特征在于:所述控制单元包括干预单元及开关信号产生单元，在交流电源断接时，所述开关信号产生单元根据所述AC掉电信号干预所述开关信号产生单元产生开关管驱动信号以控制所述能量转移单元工作，将存储于所述电容中的能量转移到所 述变换模组中的储能元件中。
全文摘要
一种电容放电电路及变换器，该变换器包括连接于交流电源输入端火线和零线之间的电容、与电容相耦接且至少包括一储能元件的变换模组、与电容和变换模组中的储能元件相耦接能量转移单元、用于检测交流电源的通断并产生一AC掉电信号的AC掉电检测单元以及控制单元，其中，能量转移单元包括一开关器件；当交流电源断接后，AC掉电信号触发控制单元输出一开关驱动信号，该开关驱动信号控制能量转移单元工作以将存储于电容中的能量转移到变换模组中的储能元件中，以实现对电容的放电。因此，本发明不再使用放电电阻对连接于交流电源输入端火线和零线之间的电容放电，满足了《信息技术设备的安全》要求，电路简化，提高了效率，尤其提高了轻载效率。
文档编号H02M1/32GK103219877SQ201210019920
公开日2013年7月24日 申请日期2012年1月20日 优先权日2012年1月20日
发明者金红元, 王宝臣, 甘鸿坚, 应建平 申请人:台达电子企业管理(上海)有限公司