填谷电路及其控制方法与流程

1.本发明涉及电力电子技术领域，特别是涉及一种填谷电路及其控制方法。


背景技术：

2.目前，一般ac/dc变换器均通过整流电路与电网相连接，其输入部分一般 由桥式整流器和滤波电容器构成，如图1所示，二者均属于非线性元器件。由 于大容量滤波电容器的存在，使得整流二极管的导通角变得很窄，仅在交流输 入电压的峰值附近才能导通，致使交流输入电流产生严重失真，变成为尖峰脉 冲。
3.为了解决上述问题，在现有技术中，通常在桥式整流电路后端增加填谷电 路，填谷电路能够将交流市电整流滤波后的电流波形，从窄脉冲形状展开到接 近于正弦波形状，相当于把窄脉冲电流波形中的谷点区域“填平”了很大一部 分的电路。
4.现有的填谷电路如图2所示，除了两个电容外，还额外需要三个二极管， 增加了成本。并且在填谷工作时，三个二极管均会产生比较大的导通损耗，效 率较低。比如，图2的填谷电路输出电压vo的最小电压是峰值电压v
ac
的1/2， 因此在低压输入时，vo的波动比较大，vo的最小电压比较低，从而导致后级负 载的输入电压范围比较宽，效率比较低。


技术实现要素：

5.本发明实施例提供了一种填谷电路及其控制方法，以至少解决现有技术中 填谷电路硬件成本高和工作效率低的问题。
6.第一方面，本发明实施例提供了一种填谷电路，接收整流电压以提供后级 电路的输入电压，其特征在于，包括控制电路、第一功率管和第一电容；其中，
7.所述第一功率管与所述第一电容串联连接后连接在所述填谷电路的高电位 输入端和低电位输入端之间，并且，所述第一功率管与所述第一电容串联连接 后连接于所述填谷电路的高电位输出端和低电位输出端之间；
8.所述控制电路控制所述第一功率管的工作状态，以使得所述第一电容的电 压稳定在预设电压的误差范围内；
9.其中，当所述第一电容的电压小于所述预设电压时，所述控制电路控制所 述第一功率管完全导通。
10.进一步，当提供给所述第一电容的电压大于所述预设电压时，所述控制电 路控制所述第一功率管的工作状态以使得所述第一电容的电压稳定在所述预设 电压。
11.进一步，当提供给所述第一电容的电压大于所述预设电压时，所述控制电 路控制所述第一功率管工作在线性区。
12.进一步，所述填谷电路还包括第一电感和第二功率管，与所述第一功率管 和所述第一电容构成一开关电源，其中，所述第一电容的电压作为所述开关电 源的输出电压，
13.当提供给所述第一电容的电压大于所述预设电压时，所述控制电路控制所 述第一功率管工作在开关模式。
14.在一些优选实施例中，所述控制电路包括电压检测端和驱动端；所述控制 电路的电压检测端连接所述第一电容以获得电容电压采样信号；所述控制电路 的驱动端连接所述第一功率管的控制端；所述控制电路根据所述电容电压采样 信号来控制所述第一功率管的工作状态。
15.在一些优选实施例中，所述控制电路内设置有基准电压，所述控制电路将 所述电容电压采样信号和所述基准电压进行误差放大，根据误差放大结果生成 驱动信号，所述控制电路的驱动端输出所述驱动信号。
16.进一步，所述第一电容的第一端与所述填谷电路的高电位输入端连接，所 述第一电容的第二端与所述第一功率管的第一功率端连接，所述第一功率管的 第二功率端与所述填谷电路的低电位输入端连接，所述第一电容的第一端和所 述第一功率管的第二功率端分别作为所述填谷电路的高电位输出端和低电位输 出端；
17.所述控制电路的电压检测端包括第一电压检测端和第二电压检测端，分别 与所述第一电容的第一端和第二端连接。
18.进一步，所述第一功率管的第一功率端与所述填谷电路的高电位输入端连 接，所述第一功率管的第二功率端与所述第一电容的第一端连接，所述第一电 容的第二端与所述填谷电路的低电位输入端连接，所述第一功率管的第一功率 端和所述第一电容的第二端分别作为所述填谷电路的高电位输出端和低电位输 出端；
19.所述控制电路的电压检测端与所述第一电容的第一端连接。
20.在一些优选的实施例中，所述第一电感的一端连接所述填谷电路的高电位 输入端和低电位输入端中的一端，其中，
21.当所述第一电感的一端连接所述填谷电路的高电位输入端时，所述第一电 感的另一端连接所述填谷电路的高电位输出端；
22.当所述第一电感的一端连接所述填谷电路的低电位输入端时，所述第一电 感的另一端连接所述填谷电路的低电位输出端。
23.第二方面，本发明提供了一种基于上述实施例任一项所述的填谷电路的控 制方法，其特征在于，
24.控制所述第一功率管的工作状态，以使得所述第一电容的电压稳定在预设 电压的误差范围内；
25.其中，当所述第一电容的电压小于所述预设电压时，控制所述第一功率管 完全导通。
26.进一步，当提供给所述第一电容的电压大于所述预设电压时，控制所述第 一功率管的工作状态以使得所述第一电容的电压稳定在所述预设电压。
27.进一步，当提供给所述第一电容的电压大于所述预设电压时，控制所述第 一功率管的工作在线性区或开关模式。
28.在一些优选的实施例中，所述所述控制所述第一功率管的工作状态包括：
29.根据所述第一电容两端的电压以获得电容电压采样信号；
30.将所述电容电压采样信号和基准电压进行误差放大，根据误差放大结果生 成驱动信号；
31.根据所述驱动信号控制所述第一功率管的工作状态。
32.相比于相关技术，本发明实施例提供的填谷电路及其控制方法，通过将第 一电容两端的电压控制在预设电压的误差范围内，具体是当第一电容的电压小 于所述预设电压时，控制电路控制第一功率管完全导通。通过本发明的填谷电 路，使得ac整流输出电压大于预设电压时，第一电容的电压等于预设电压，此 时后级dc-dc电路由交流输入电压提供电流，增加了输入电流的导通角度，优 化了thd(总谐波失真)和pf(功率因数)；当ac整流输出电压小于预设电 压时，第一功率管完全导通，第一电容给后级负载提供电流，第一电容放电， 从而实现了高压输入下的填谷电路功能。因此在高压输入下，本发明实施例的 填谷电路实现了填谷功能，优化了pf和thd；在低压输入下，第一功率管完全 导通，填谷电路工作状态和传统的整流方案完全一样。而且相对传统的整流方 案，对于同样电容容量，本发明中的第一电容耐压可以选的更低，大大减小了 系统的体积。
附图说明
33.此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分， 本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限 定。在附图中：
34.图1所示为传统整流方案的整流电路的电路原理图；
35.图2所示为现有技术中的填谷电路的电路原理图；
36.图3所示为本发明一实施例的填谷电路的电路原理图；
37.图4所示为图3实施例的填谷电路的输出电压的波形图；
38.图5所示为本发明另一实施例的填谷电路的电路原理图；
39.图6所示为本发明另一实施例的填谷电路的电路原理图；
40.图7所示为本发明另一实施例的填谷电路的电路原理图。
具体实施方式
41.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实 施例，对本发明进行描述和说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用 以解释本发明，并不用于限定本发明。基于本发明提供的实施例，本领域普通 技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本 发明保护的范围。此外，还可以理解的是，虽然这种开发过程中所作出的努力 可能是复杂并且冗长的，然而对于与本发明公开的内容相关的本领域的普通技 术人员而言，在本发明揭露的技术内容的基础上进行的一些设计，制造或者生 产等变更只是常规的技术手段，不应当理解为本发明公开的内容不充分。
42.在本发明中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或 特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短 语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的 实施例。本领域普通技术人员显式地和隐式地理解的是，本发明所描述的实施 例在不冲突的情况下，可以与其它实施例相结合。
43.除非另作定义，本发明所涉及的技术术语或者科学术语应当为本发明所属 技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明所涉及的“一”、
ꢀ“
一个”、“一种”、“该”等类似词语并不表示数量限制，可表示单数或复 数。本发明所涉及的术语“包括”、“包含”、“具有”以及它们任何变形， 意图在于覆盖不排他的包含；例如包含了一系列步骤或模
块(单元)的过程、 方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可以还包括没 有列出的步骤或单元，或可以还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的 其它步骤或单元。本发明所涉及的“连接”、“相连”、“耦接”等类似的词 语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电气的连接，不管是直接 的还是间接的。本发明所涉及的“多个”是指大于或者等于两个。“和/或”描 述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“a和/或b”可以表 示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。本发明所涉及的 术语“第一”、“第二”、“第三”等仅仅是区别类似的对象，不代表针对对 象的特定排序。
44.本发明提供的填谷电路连接在整流电路的输出端和后级dc-dc电路的输入 端之间，接收整流电压以提供后级电路的输入电压，其基本实现方案如下：包 括控制电路、第一功率管和第一电容。其中，所述第一功率管与所述第一电容 串联连接后连接在所述填谷电路的高电位输入端和低电位输入端之间，并且， 所述第一功率管与所述第一电容串联连接后连接于所述填谷电路的高电位输出 端和低电位输出端之间。在本发明实施例中，本发明通过控制电路控制第一功 率管的工作状态，以使得第一电容的电压稳定在预设电压的误差范围内。
45.本发明控制电容电压在预设电压的误差范围内，当整流电路输出的整流电 压较高时，提供给所述第一电容的电压足够大，从而能够控制电容电压稳定在 预设电压；而当整流电路输出的整流电压较低时，提供给所述第一电容的电压 小于所述预设电压，电容电压会小于预设电压。因此，当电容电压小于所述预 设电压时，能够反映出此时整流电路输出的整流电压太低，需要所述控制电路 控制所述第一功率管完全导通，使第一电容同时向后级电路供电。当提供给所 述第一电容的电压大于所述预设电压时，所述控制电路控制所述第一功率管的 工作状态以使得所述第一电容的电压稳定在所述预设电压，具体地，当提供给 所述第一电容的电压大于所述预设电压时，所述控制电路控制所述第一功率管 工作在线性区，第一功率管不完全导通，第一电容不再向后级电路供电。即， 本发明的填谷电路在选取合适的预设电压的情况下，能够有效增加导通角。
46.在一些优选的实施例中，控制电路包括电压检测端和驱动端；第一功率管 与所述第一电容串联连接后连接在整流电路正向输出端和负向输出端之间，所 述控制电路的电压检测端连接所述第一电容以获得电容电压采样信号；所述控 制电路的驱动端连接所述第一功率管的控制端；所述控制电路根据所述电容电 压采样信号来控制所述第一功率管的工作状态。
47.本发明的控制电路内设置有基准电压，所述控制电路将所述电容电压采样 信号和所述基准电压进行误差放大，根据误差放大结果生成驱动信号，所述控 制电路的驱动端输出所述驱动信号。
48.在本发明的一优选实施例中，所述填谷电路还包括第一电感和第二功率管， 与所述第一功率管和所述第一电容构成一开关电源。其中，所述第一电容的电 压作为所述开关电源的输出电压，同理，当所述第一电容的电压小于所述预设 电压时，所述控制电路控制所述第一功率管完全导通；当提供给所述第一电容 的电压大于所述预设电压时，所述控制电路控制所述第一功率管工作在开关模 式。
49.基于上述基本实现方案，采用四个实施例予以详细说明。图3、图5至图7 分别示意
实施例一至四的电路结构，都是基于同一发明构思，但具体电路实现 上有所不同，并且本发明实施例的第一开关管应用n型mos管，以配合相应的 应用场合，其中，n型mos管的漏极作为第一功率端、源极作为第二功率端、 栅极作为控制端。对于采用p型mos管的填谷电路，可以根据p型mos管的 特性改变电路的连接关系，本发明不在此进行详细说明。
50.在本发明的一实施例中，所述第一电容的第一端与所述填谷电路的高电位 输入端连接，所述第一电容的第二端与所述第一功率管的第一功率端连接，所 述第一功率管的第二功率端与所述填谷电路的低电位输入端连接，所述第一电 容的第一端和所述第一功率管的第二功率端分别作为所述填谷电路的高电位输 出端和低电位输出端；所述控制电路的电压检测端包括第一电压检测端和第二 电压检测端，分别与所述第一电容的第一端和第二端连接。
51.本实施例更具体地电路连接关系如图3所示，在本实施例中，第一电容采 用电解电容c1，第一电容的第一端和第二端分别为电解电容c1的正极和负极， 所述控制电路u1的第一电压检测端和所述电解电容c1的正极均与所述整流电 路的正向输出端连接，所述电解电容c1的负极与所述第一功率管q1的漏极和 所述控制电路u1的第二电压检测端耦接，所述第一功率管q1的源极和所述控 制电路u1的第一端口均与所述整流电路的负向输出端连接，所述第一功率管 q1的栅极作为控制端与所述控制电路u1的驱动端连接；所述电解电容c1的正 极和所述第一功率管q1的源极分别作为所述填谷电路的高电位输出端和低电 位输出端。在本实施例中，填谷电路的低电位输入端和低电位输出端接地，控 制电路u1还包括第三端口，该端口接地。
52.如图3所示，填谷电路连接在整流电路和后级电路例如dc-dc电路之间， 本实施例的整流电路由四个二极管组成的桥式电路，整流电路对接入的交流输 入电压(ac input)进行整流以输出整流电压，填谷电路接收所述整流电压以得 到ac整流输出电压v_dclink，所述ac整流输出电压v_dclink作为后级dc-dc 电路的输入电压。本实施例的控制电路可以采用控制芯片，填谷电路通过控制 电路u1控制第一功率管q1，将第一电容的两端电压vc(即电容电压)稳定在 预设电压vreg的误差范围内。具体地，本发明在控制电路内预先设置了基准电 压，控制电路u1将表征电容电压vc的电容电压采样信号与基准电压进行比较， 然后控制电路u1根据比较结果进行误差放大，根据放大后的结果生成驱动信号， 该驱动信号由所述控制电路的驱动端输出，根据驱动信号来控制第一功率管q1 的工作状态，从而使得电解电容c1两端的电压稳定在预设电压vreg。
53.本发明的整流输出电压v_dclink的波形参考图4，在t1～t2区间， v_dclink》vreg，第一功率管q1工作在线性区，或者是近似截止区，此时电解 电容c1不给后级dc-dc电路供电，只消耗电解电容c1的漏电流，所以第一 功率管q1这时是近似截止状态；在t2～t3区间，v_dclink《vreg，电解电容c1 给后级dc-dc电路供电，第一功率管q1完全导通，电容电压vc近似等于 v_dclink。由图4的波形看出，输入电流的导通角度相对如图1传统的整流方案 的导通角度大大增加，达到了优化thd(总谐波失真)和pf(功率因数)的效 果。另一方面，本发明的填谷电路可以兼容实现低压输入下的传统整流方案。 由于本发明控制电容电压vc在预设电压的误差范围内，因此本发明中的电解电 容c1可选低耐压第一电容，从而达到了大大减小了第一电容的体积的效果。
54.本发明通过将第一电容两端的电压控制在预设电压的误差范围内，使得当 ac整
流输出电压v_dclink大于预设电压vreg时，电容电压vc＝vreg(微小的 误差可忽略不计)，此时后级dc-dc电路由ac输入(交流输入电压)提供电 流，增加了输入电流的导通角度，优化了thd和pf；当ac整流输出电压 v_dclink《vreg时，第一功率管q1工作在饱和区，完全导通，电解电容c1给后 级负载提供电流，电解电容c1放电，从而实现了高压输入下的填谷电路功能。
55.综上所述，在高压输入下，本发明实施例的填谷电路实现了填谷功能，优 化了pf和thd；在低压输入下，第一功率管q1完全导通，填谷电路工作状态 和如图1传统的整流方案完全一样，但是相对传统的整流方案，同样电容容量， 本发明可以将第一电容电压的两端电压稳定在预设电压的误差范围内，因此本 发明中的电解电容c1耐压可以选的更低，大大减小了系统的体积。
56.在本发明的另一实施例中，可以调整控制电路、第一功率管和第一电容的 连接关系，如，将第一功率管放到高电位侧。具体地，所述第一功率管的第一 功率端与所述填谷电路的高电位输入端连接，所述第一功率管的第二功率端与 所述第一电容的第一端连接，所述第一电容的第二端与所述填谷电路的低电位 输入端连接，所述第一功率管的第一功率端和所述第一电容的第二端分别作为 所述填谷电路的高电位输出端和低电位输出端；所述控制电路的电压检测端与 所述第一电容的第一端连接。
57.具体地可以参考图5，所述第一功率管q1的漏极与所述整流电路的正向输 出端连接，所述控制电路u1的电压检测端与所述电解电容c1的正极均和所述 第一功率管q1的源极耦接，所述电解电容c1的阴极和所述控制电路u1的第 一端口均与所述整流电路的负向输出端连接，所述第一功率管q1的栅极作为控 制端与所述控制电路u1的驱动端连接；所述第一功率管q1的漏极和所述电解 电容c1的阴极分别作为所述填谷电路的正向输出端和负向输出端。在本实施例 中，填谷电路的低电位输入端和低电位输出端接地，控制电路u1还包括第二端 口，该端口接地。需要说明的是，本实施例中的具体示例可以参考上述实施例 及可选实施方式中所描述的示例，本实施例在此不再赘述。
58.在本发明的其他实施例中，本发明不限定于以上实施例提到的线性电源结 构，也可以是任意的dc-dc电源，比如buck等降压型开关电源。对于dc-dc 电源电路，本发明的填谷电路还包括第一电感和第二功率管，与第一功率管和 第一电容构成一开关电源。具体地，本发明的第一电感的一端连接填谷电路的 高电位输入端和低电位输入端中的一端。其中，当第一电感的一端连接填谷电 路的高电位输入端时，第一电感的另一端连接填谷电路的高电位输出端；当第 一电感的一端连接填谷电路的低电位输入端时，第一电感的另一端连接填谷电 路的低电位输出端。
59.在本发明的一实施例中，本发明的第二功率管采用二极管，则二极管和第 一电感的具体连接关系参考图6，本实施例的填谷电路是在图3的基础上增加了 二极管和电感。其中，所述二极管d1的阳极与所述第一功率管q1的漏极和所 述电解电容c1的阴极耦接，所述二极管d1的阴极与所述整流电路的正向输出 端连接；所述第一电感l的第一端与所述整流电路的正向输出端连接，所述第 一电感l的第二端与所述电解电容c1的正极连接。在本实施例中，第一电感l、 二极管d1、第一功率管q1和电解电容c1构成了开关电源，其中，第一电容 c1的两端电压作为开关电源的输出电压，当提供给第一电容c1的电压大于预 设电压时，控制电路u1控制第一功率管q1工作在开关模式；当提供给第一电 容c1的电压小于预设
电压时，控制电路u1控制第一功率管q1工作在饱和区， 第一功率管q1导通。
60.参考图7，在本发明的另一实施例中，所述二极管d1的阳极与所述整流电 路的负向输出端和所述第一电感l的第一端耦接，所述二极管d1的阴极与所述 第一功率管q1的源极和所述电解电容c1的正极耦接，所述第一电感l的第二 端与所述电解电容c1的负极连接。在本实施例中，控制电路u1只有驱动端和 电压检测端，驱动端连接第一功率管q1的控制端，电压检测端连接电解电容 c1的正极。在本实施例中，第一电感l、二极管d1、第一功率管q1和电解电 容c1构成了开关电源，同理，第一电容c1的两端电压作为开关电源的输出电 压，当提供给第一电容c1的电压大于预设电压时，控制电路u1控制第一功率 管q1工作在开关模式；当提供给第一电容c1的电压小于预设电压时，控制电 路u1控制第一功率管q1工作在饱和区，第一功率管q1导通。
61.在本发明的其他实施例中，电感也可以串联在第一电容和第一开关管之间， 本实施例中的具体示例可以参考上述实施例及可选实施方式中所描述的示例， 本实施例在此不再赘述。
62.基于上述的填谷电路，本发明提供了一种控制方法，控制所述第一功率管 的工作状态，以使得所述第一电容的电压稳定在预设电压的误差范围内，其中， 当所述第一电容的电压小于所述预设电压时，控制所述第一功率管完全导通； 当提供给所述第一电容的电压大于所述预设电压时，控制所述第一功率管的工 作状态以使得所述第一电容的电压稳定在所述预设电压。
63.具体地，本发明的控制电路通过其电压检测端获取所述第一电容的电容电 压采样信号；然后根据所述电容电压采样信号来控制所述第一功率管的工作状 态，以增加所述整流电路的导通角。其中，所述控制电路内设置有基准电压， 所述控制电路将所述电容电压采样信号和基准电压进行误差放大，或者将所述 电容电压采样信号和所述基准电压的比较结果进行误差放大，根据误差放大结 果生成驱动信号；根据所述驱动信号控制所述第一功率管的工作状态。即当提 供给所述第一电容的电压大于所述预设电压时，控制所述第一功率管的工作在 线性区或开关模式；当所述第一电容的电压小于所述预设电压时，控制所述第 一功率管的工作在饱和区，从而达到将所述第一电容的两端电压稳定在预设电 压的误差范围内的目的。
64.本发明通过将第一电容两端的电压vc控制在预设电压vreg，在低压输入时， 如果第一电容两端电压小于预设电压vreg，则q1工作在饱和区，完全导通，从 而达到增加导通角的效果。
65.结合图3和图4对本发明的方法进行说明，在t1～t2区间，当ac整流输出 电压v_dclink》vreg时，第一功率管q1工作在线性区，或者是近似截止区，此 时电解电容c1不给后级电路供电，只消耗电解电容c1的漏电流，所以第一功 率管q1这时是近似截止状态；在t2～t3区间，当ac整流输出电压v_dclink《vreg， 电解电容c1给后级电路供电，第一功率管q1完全导通，电容电压vc近似等 于v_dclink。由图4的波形看出，输入电流的导通角度相对如图1传统的整流 方案的导通角度大大增加，达到了优化thd和pf的效果。另一方面，采用本 发明控制方法的填谷电路可以兼容实现低压输入下的传统整流方案，但相对于 如图1所示传统的整流方案，本发明中的电解电容c1可选低耐压第一电容，从 而达到了大大减小了第一电容的体积的效果。
66.需要说明的是，本实施例中的具体示例可以参考上述实施例及可选实施方 式中所描述的示例，本实施例在此不再赘述。
67.本领域的技术人员应该明白，以上所述实施例的各技术特征可以进行任意 的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都 进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明 书记载的范围。
68.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细， 但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的 普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改 进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权 利要求为准。