AC/DC变换器电路的有源功率解耦方法

ac/dc变换器电路的有源功率解耦方法
技术领域
1.本公开涉及电力电子领域，具体而言，涉及一种ac/dc变换器电路的有源功率解耦方法。


背景技术：

2.单相整流电源的作用是将电网交流电转换为电子设备所需的直流电，现广泛应用于电脑、手机充电适配器等家用电子设备。ac/dc变换器是整流电源系统不可缺少的一部分，其作用是实现功率因数校正和输出电压调节。在单位功率因数的条件下，其输入功率会含有二倍工频脉动。但由于负载需求的输出功率是恒定的，因此传统的ac/dc变换器采用大容量电解电容来吸收这种固有的二倍频功率脉动，实现输入、输出功率解耦，从而使其输出电压恒定。但是大容量电解电容体积大、寿命短并且在高温、高压条件下存在漏液的风险，因此需要采用有源功率解耦方法，降低电容容量需求。
3.为了消除系统中的电解电容，现有的解决方案大多是在主电路的基础上添加辅助电路的方法，达到吸收脉动功率，减小电容容值的目的。通过辅助电路和小容量电容相结合，在输入功率大于输出时，将纹波功率通过辅助电路转移至小容量电容上。从而实现无电解电容的有源功率解耦。然后现有具有需要增加额外元件、需要采用复杂的辅助电路控制策略、辅助电路会增加系统体积等缺点，不利于广泛应用和推广。
4.因此，需要一种或多种方法解决上述问题。
5.需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。


技术实现要素：

6.本公开的目的在于提供一种ac/dc变换器电路的有源功率解耦方法，进而至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的一个或者多个问题。
7.根据本公开的一个方面，提供一种ac/dc变换器电路的有源功率解耦方法，所述ac/dc变换器电路由前级图腾柱功率因数校正(pfc)电路和后级dc/dc变换电路通过复用第一开关管、第二开关管和第一母线电容、第二母线电容构成，所述方法包括：
8.对ac/dc变换器电路输出电压进行采样，生成采样电压，并将所述采样电压与预设的参考值比较；
9.当所述采样电压小于参考值时，将所述ac/dc变换器电路的第三开关管、第四开关管交替导通，使所述ac/dc变换器电路的第一母线电容及第二母线电容向负载输出功率；
10.当所述采样电压大于参考值时，将所述ac/dc变换器电路的第三开关管、第四开关管同时导通，使所述ac/dc变换器电路的第一母线电容及第二母线电容向变压器漏感输出功率，使所述dc/dc变换电路向负载输出功率为预设功率，实现输出功率与所述母线电压间的解耦。
11.在本公开的一种示例性实施例中，当所述采样电压小于参考值时，根据所述第三
滤波电感输出端电流方向，将所述ac/dc变换器电路的第三开关管、第四开关管交替导通，使所述ac/dc变换器电路的第一母线电容及第二母线电容向负载输出功率。
12.在本公开的一种示例性实施例中，所述方法还包括：
13.所述第一开关管、第二开关管以0.5的占空比互补导通，令电路工作在不连续导通模式(dcm)。
14.在本公开的一种示例性实施例中，所述方法还包括：
15.通过控制第一开关管、第二开关管的开关频率，调节pfc级电路的输入功率，使直流母线电容电压在二倍频周期内的平均值保持恒定。
16.在本公开的一个方面，提供一种ac/dc变换器电路，包括电磁干扰(emi)滤波电路、图腾柱功率因数校正(pfc)电路、dc/dc变换电路，其中：
17.emi滤波电路，包括第一滤波电感和第一滤波电容，其中，所述第一滤波电感与输入电压源的一端串联后与所述第一滤波电容的一端连接，所述第一滤波电容的另一端与所述输入电压源的另一端连接；
18.图腾柱pfc电路，包括第二滤波电感、第一开关管、第二开关管、第一二极管、第二二极管、第一母线电容及第二母线电容，其中，所述第二滤波电感的一端和所述emi滤波电路的第一滤波电感与第一滤波电容的连接点连接，所述第二滤波电感的另一端与所述第一开关管和第二开关管串联后的中点连接，所述第一开关管和第二开关管串联后的两端分别与所述第一二极管和第二二极管串联后的两端、所述第一母线电容与第二母线电容串联后的两端并联，所述第一二极管和第二二极管串联后的中点与所述emi滤波电路的第一滤波电容的另一端与所述输入电压源的另一端连接的连接点连接；
19.dc/dc变换电路，包括第一开关管、第二开关管、第一二极管、第二二极管、第一母线电容、第二母线电容、变压器、第三滤波电感、第三开关管、第四开关管、第三二极管、第四二极管、第三母线电容，其中，所述第一开关管、第二开关管、第一二极管、第二二极管、第一母线电容、第二母线电容为与所述图腾柱pfc电路复用，所述变压器原边的一端与所述图腾柱pfc电路的第一开关管和第二开关管串联后的中点连接，所述变压器原边的另一端与所述图腾柱pfc电路的第一母线电容与第二母线电容串联后的中点连接，所述变压器副边的一端与所述第三电感的一端串联，所述第三电感的另一端和所述第三二极管与第三开关管串联后的中点连接，所述变压器副边的另一端和所述第四二极管与第四开关管串联后的中点连接，所述第三二极管与第三开关管串联后的两端分别与所述第四二极管与第四开关管串联后的两端、第三母线电容并联。
20.在本公开的一种示例性实施例中，所述单相ac/dc变换器电路还包括：
21.负载，所述负载与所述dc/dc变换电路的第三母线电容并联。
22.在本公开的一种示例性实施例中，所述第一二极管的导通方向为由所述第一二极管和第二二极管串联后的中点向并联连接点方向；
23.所述第二二极管的导通方向为由所述第一二极管和第二二极管串联后的并联连接点向所述第一二极管和第二二极管串联中点方向；
24.所述第三二极管的导通方向为由所述第三二极管和第三开关管串联后的中点向并联连接点方向；
25.所述第四二极管的导通方向为由所述第四开关管和第四开关管串联后的中点向
并联连接点方向。
26.在本公开的一种示例性实施例中，所述第一母线电容及第二母线电容可以选取非电解电容。
27.本公开的示例性实施例中的ac/dc变换器电路的有源功率解耦方法，所述方法包括：对ac/dc变换器电路输出电压进行采样，并将生成的采样电压与预设的参考值比较；当所述采样电压大于参考值时，将第三、第四开关管同时导通，使所述ac/dc变换器电路的第一母线电容及第二母线电容向变压器漏感输出功率，实现输出功率与所述母线电压间的解耦。本公开通过基于功率汇流控制的单相ac/dc变换器电路，只需简单的控制就可以实现对输出功率与母线电压间的有源功率解耦，降低了电容容量，实现了对变换器输出瞬时功率的平均化，达到输出功率和直流母线电压解耦的目的。
28.应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。
附图说明
29.通过参照附图来详细描述其示例实施例，本公开的上述和其它特征及优点将变得更加明显。
30.图1示出了根据本公开一示例性实施例的ac/dc变换器电路的有源功率解耦方法的流程图；
31.图2示出了根据本公开一示例性实施例的ac/dc变换器电路的功率解耦控制框图；
32.图3示出了根据本公开一示例性实施例的ac/dc变换器电路的有源功率解耦方法的流程图；
33.图4示出了根据本公开一示例性实施例的ac/dc变换器电路的主电路拓扑图。
具体实施方式
34.现在将参考附图更全面地描述示例实施例。然而，示例实施例能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施例；相反，提供这些实施例使得本公开将全面和完整，并将示例实施例的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。
35.此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而没有所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、材料、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、方法、装置、实现、材料或者操作以避免模糊本公开的各方面。
36.附图中所示的方框图仅仅是功能实体，不一定必须与物理上独立的实体相对应。即，可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个软件硬化的模块中实现这些功能实体或功能实体的一部分，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。
37.在本示例实施例中，首先提供了一种ac/dc变换器电路的有源功率解耦方法；参考图1中所示，该ac/dc变换器电路的有源功率解耦方法可以包括以下步骤：
38.步骤s110，对ac/dc变换器电路输出电压进行采样，生成采样电压，并将所述采样电压与预设的参考值比较；
39.步骤s120，当所述采样电压小于参考值时，将所述ac/dc变换器电路的第三开关管、第四开关管交替导通，使所述ac/dc变换器电路的第一母线电容及第二母线电容向负载输出功率；
40.步骤s130，当所述采样电压大于参考值时，将所述ac/dc变换器电路的第三开关管、第四开关管同时导通，使所述ac/dc变换器电路的第一母线电容及第二母线电容向变压器漏感输出功率，使所述dc/dc变换电路向负载输出功率为预设功率，实现输出功率与所述母线电压间的解耦。
41.本公开的示例性实施例中的ac/dc变换器电路的有源功率解耦方法，所述方法包括：对ac/dc变换器电路输出电压进行采样，并将生成的采样电压与预设的参考值比较；当所述采样电压大于参考值时，将第三、第四开关管同时导通，使所述ac/dc变换器电路的第一母线电容及第二母线电容向变压器漏感输出功率，实现输出功率与所述母线电压间的解耦。本公开通过基于功率汇流控制的单相ac/dc变换器电路，只需简单的控制就可以实现对输出功率与母线电压间的有源功率解耦，降低了电容容量，实现了对变换器输出瞬时功率的平均化，达到输出功率和直流母线电压解耦的目的。
42.下面，将对本示例实施例中的ac/dc变换器电路的有源功率解耦方法进行进一步的说明。
43.在步骤s110中，可以对ac/dc变换器电路输出电压进行采样，生成采样电压，并将所述采样电压与预设的参考值比较。
44.在步骤s120中，可以当所述采样电压小于参考值时，将所述ac/dc变换器电路的第三开关管、第四开关管交替导通，使所述ac/dc变换器电路的第一母线电容及第二母线电容向负载输出功率。
45.在步骤s130中，可以所述采样电压大于参考值时，将所述ac/dc变换器电路的第三开关管、第四开关管同时导通，使所述ac/dc变换器电路的第一母线电容及第二母线电容向变压器漏感输出功率，使所述dc/dc变换电路向负载输出功率为预设功率，实现输出功率与所述母线电压间的解耦。
46.在本示例的实施例中，当所述采样电压小于参考值时，根据所述第三滤波电感输出端电流方向，将所述第三开关管、第四开关管交替导通，使所述第一母线电容及第二母线电容向负载输出功率。
47.在本示例的实施例中，所述方法还包括：所述第一开关管、第二开关管以0.5的占空比互补导通，令电路工作在不连续导通模式(dcm)。
48.在本示例的实施例中，所述方法还包括：
49.通过控制第一开关管、第二开关管的开关频率，调节pfc级电路的输入功率，使直流母线电容电压在二倍频周期内的平均值保持恒定。
50.在本示例的实施例中，图1所示的准单级ac/dc变换器电路拓扑中，前级图腾柱pfc电路和后级dc/dc变换电路通过复用开关管(q1、q2)和中间母线电容(c1、c2)构成。为了实现输入功率因数校正，开关管q1、q2以0.5的占空比互补导通，令电路工作在不连续导通模式(dcm)。通过控制q1、q2的开关频率，调节pfc级电路的输入功率，使直流母线电容电压在二倍
频周期内的平均值保持恒定。如果开关管q3和q4一直处于同步整流状态，则中间直流母线电容(c1、c2)电压和输出电压随输入功率波动，如果c1、c2容量较小，则无法实现功率解耦，输出电压将含有大量的二倍频纹波。
51.在本示例的实施例中，本发明技术通过控制变压器副边整流开关管q3和q4的通断，实现对变换器输出功率的主动实时控制，进而实现输出功率和直流母线电压的解耦。通过输出电压与参考值比较，在输出电压高于参考值时，变换器工作在解耦状态，此时两个副边开关管q3和q4同时导通，令ac/dc变换器的输出瞬时功率为预设功率，如该预设功率设为0，使得变换器平均输出功率恒定。这个过程本质是阻断功率从中间母线电容输出到负载，此时能量从c1或c2转移到变压器漏感，再回流到c2或c1中，从前级pfc电路流入的能量则存储到直流母线电容中。通过这种方法，可以使c1、c2的二倍频电压纹波变化较大时，令变换器的输出功率保持近似恒定，实现功率解耦。
52.在本示例的实施例中，上述有源功率解耦方法，可通过以下滞环控制策略实现。如图2所示，对输出电压vo采样，将出电压vo与参考电压v
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进行比较，当vo低于v
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时，变换器副边工作在同步整流状态。控制器根据开关管q3和q4体二极管的导通状态，令其交替开通，此时直流母线电容c1、c2向负载输出功率；当vo高于v
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时，q3和q4同时导通，则ac/dc变换器输出的瞬时功率为0，进而令dc/dc级电路在二倍工频周期内的平均输出功率恒定，实现了输出功率与直流母线电压之间的解耦。此控制策略可通过dsp控制器实现，其软件流程如图3所示。
53.在本示例的实施例中，通过控制变压器副边整流开关管，对变压器副边绕组短路，实现对变换器输出瞬时功率的平均化，达到输出功率和直流母线电压解耦的目的。
54.需要说明的是，尽管在附图中以特定顺序描述了本公开中方法的各个步骤，但是，这并非要求或者暗示必须按照该特定顺序来执行这些步骤，或是必须执行全部所示的步骤才能实现期望的结果。附加的或备选的，可以省略某些步骤，将多个步骤合并为一个步骤执行，以及/或者将一个步骤分解为多个步骤执行等。
55.此外，在本示例实施例中，还提供了一种ac/dc变换器电路。参照图4所示，该ac/dc变换器电路包括电磁干扰(emi)滤波电路、图腾柱功率因数校正(pfc)电路、dc/dc变换电路。其中：
56.emi滤波电路，包括第一滤波电感和第一滤波电容，其中，所述第一滤波电感与输入电压源的一端串联后与所述第一滤波电容的一端连接，所述第一滤波电容的另一端与所述输入电压源的另一端连接；
57.图腾柱pfc电路，包括第二滤波电感、第一开关管、第二开关管、第一二极管、第二二极管、第一母线电容及第二母线电容，其中，所述第二滤波电感的一端和所述emi滤波电路的第一滤波电感与第一滤波电容的连接点连接，所述第二滤波电感的另一端与所述第一开关管和第二开关管串联后的中点连接，所述第一开关管和第二开关管串联后的两端分别与所述第一二极管和第二二极管串联后的两端、所述第一母线电容与第二母线电容串联后的两端并联，所述第一二极管和第二二极管串联后的中点与所述emi滤波电路的第一滤波电容的另一端与所述输入电压源的另一端连接的连接点连接；
58.dc/dc变换电路，包括第一开关管、第二开关管、第一二极管、第二二极管、第一母线电容、第二母线电容、变压器、第三滤波电感、第三开关管、第四开关管、第三二极管、第四
二极管、第三母线电容，其中，所述第一开关管、第二开关管、第一二极管、第二二极管、第一母线电容、第二母线电容为与所述图腾柱pfc电路复用，所述变压器原边的一端与所述图腾柱pfc电路的第一开关管和第二开关管串联后的中点连接，所述变压器原边的另一端与所述图腾柱pfc电路的第一母线电容与第二母线电容串联后的中点连接，所述变压器副边的一端与所述第三电感的一端串联，所述第三电感的另一端和所述第三二极管与第三开关管串联后的中点连接，所述变压器副边的另一端和所述第四二极管与第四开关管串联后的中点连接，所述第三二极管与第三开关管串联后的两端分别与所述第四二极管与第四开关管串联后的两端、第三母线电容并联。
59.在本示例的实施例中，emi滤波电路，包括第一滤波电感和第一滤波电容，其中，所述第一滤波电感与输入电压源的一端串联后与所述第一滤波电容的一端连接，所述第一滤波电容的另一端与所述输入电压源的另一端连接。
60.在本示例的实施例中，图腾柱pfc电路，包括第二滤波电感、第一开关管、第二开关管、第一二极管、第二二极管、第一母线电容及第二母线电容，其中，所述第二滤波电感的一端和所述emi滤波电路的第一滤波电感与第一滤波电容的连接点连接，所述第二滤波电感的另一端与所述第一开关管和第二开关管串联后的中点连接，所述第一开关管和第二开关管串联后的两端分别与所述第一二极管和第二二极管串联后的两端、所述第一母线电容与第二母线电容串联后的两端并联，所述第一二极管和第二二极管串联后的中点与所述emi滤波电路的第一滤波电容的另一端与所述输入电压源的另一端连接的连接点连接。
61.在本示例的实施例中，述第一母线电容及第二母线电容可以选取非电解电容。
62.在本示例的实施例中，所述第一二极管的导通方向为由所述第一二极管和第二二极管串联后的中点向并联连接点方向；
63.所述第二二极管的导通方向为由所述第一二极管和第二二极管串联后的并联连接点向所述第一二极管和第二二极管串联中点方向。
64.dc/dc变换电路，包括第一开关管、第二开关管、第一二极管、第二二极管、第一母线电容、第二母线电容、变压器、第三滤波电感、第三开关管、第四开关管、第三二极管、第四二极管、第三母线电容，其中，所述第一开关管、第二开关管、第一二极管、第二二极管、第一母线电容、第二母线电容为与所述图腾柱pfc电路复用，所述变压器原边的一端与所述图腾柱pfc电路的第一开关管和第二开关管串联后的中点连接，所述变压器原边的另一端与所述图腾柱pfc电路的第一母线电容与第二母线电容串联后的中点连接，所述变压器副边的一端与所述第三电感的一端串联，所述第三电感的另一端和所述第三二极管与第三开关管串联后的中点连接，所述变压器副边的另一端和所述第四二极管与第四开关管串联后的中点连接，所述第三二极管与第三开关管串联后的两端分别与所述第四二极管与第四开关管串联后的两端、第三母线电容并联。
65.在本示例的实施例中，所述第三二极管的导通方向为由所述第三二极管和第三开关管串联后的中点向并联连接点方向；
66.所述第四二极管的导通方向为由所述第四开关管和第四开关管串联后的中点向并联连接点方向。
67.在本示例的实施例中，所述单相ac/dc变换器电路还包括：
68.负载，所述负载与所述dc/dc变换电路的第三母线电容并联。
69.在本示例的实施例中，所述基于功率汇流控制的单相ac/dc变换器电路由前级图腾柱pfc电路和后级dc/dc变换电路通过复用开关管和中间母线电容构成。原有的准单级ac/dc变换器电路，采用移相控制来实现功率因数校正，其电容c1、c2或co需足够大才能使输出电压恒定，即实现无源功率解耦。本发明相较于原有的准单级式ac/dc变换器电路拓扑，只需通过控制电路中变压器副边的同步整流开关管q3和q4，即可实现功率解耦，不需添加额外器件。令两个mos管q3和q4同时导通即可阻断dc/dc变换器流向负载的功率。最终，即使在c1、c2电压大幅波动的条件下，通过控制q3和q4的状态，也可以使得dc/dc变换器的输出功率在一个开关周期内的平均值保持恒定，实现有源功率解耦。
70.上述中各ac/dc变换器电路的有源功率解耦装置模块的具体细节已经在对应的ac/dc变换器电路的有源功率解耦方法中进行了详细的描述，因此此处不再赘述。
71.应当注意，尽管在上文详细描述中提及了ac/dc变换器电路的有源功率解耦装置的若干模块或者单元，但是这种划分并非强制性的。实际上，根据本公开的实施方式，上文描述的两个或更多模块或者单元的特征和功能可以在一个模块或者单元中具体化。反之，上文描述的一个模块或者单元的特征和功能可以进一步划分为由多个模块或者单元来具体化。
72.此外，上述附图仅是根据本发明示例性实施例的方法所包括的处理的示意性说明，而不是限制目的。易于理解，上述附图所示的处理并不表明或限制这些处理的时间顺序。另外，也易于理解，这些处理可以是例如在多个模块中同步或异步执行的。
73.本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其他实施例。本技术旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由权利要求指出。
74.应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限。