專利名稱：一種消除工頻紋波的ac/dc變換方法
一種消除工頻紋波的AC/DC變換方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電力電子技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種消除工頻紋波的AC/DC變換方法。背景技術(shù)：
目前，包括最簡單的二極管整流電路以及較為復(fù)雜的無橋PFC變換在內(nèi)的所有 AD/DC變換，均采用在其直流輸出側(cè)并聯(lián)大容量電容的無源濾波方式，以減少工頻倍頻紋 波，給負(fù)載提供一個較為平穩(wěn)的輸出。然而，現(xiàn)有技術(shù)存在以下問題一、大容量濾波電容只能減少工頻紋波，并不能消除工頻紋波。在對工頻紋波有較 高要求的場合，如果采用加大濾波電容容量的方法將迅速增加成本，如果采用后級功率變 換調(diào)節(jié)的方法也將增加成本并降低效率。二、由于大容量濾波電容儲能很大，在開機(jī)瞬間可能引起較大的沖擊電流，降低了 可靠性；如果采用軟啟動電路，將增加成本、降低效率。三、目前大容量濾波電容多采用電解電容，由于器件本身的原因，損耗很大，降低 了效率；電解電容的耐溫性能和耐沖擊電流性能很差，是功率電子產(chǎn)品中最容易損壞的元 件之一，降低了可靠性；電解電容的壽命較短，且隨環(huán)境溫度的升高迅速惡化，已經(jīng)成為業(yè) 界最頭疼的問題之一。由于以上原因，業(yè)內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)若干不使用大容量電解電容的方案，還有若干針對 LED這樣的特定負(fù)載的無電解電容的方案，但是這些方案要嗎是犧牲了輸入側(cè)的PFC性能， 要嗎是犧牲了輸出側(cè)的紋波性能，或者將工頻紋波以高頻紋波的方式體現(xiàn)，有的方案確實 在一定程度上減少了工頻紋波，但是遠(yuǎn)沒有消除，并沒有使因交流電過零能量缺失所產(chǎn)生 工頻紋波低谷得到充分的補(bǔ)償。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明一種消除工頻紋波的AC/DC變換方法是在AC/DC變換總功率通道IN之 后分離為兩個功率通道主功率通道和輔功率通道；其中主功率通道是一個主功率變換單 元，輔功率通道依次為一個儲能變換單元、一個儲能電容和一個填谷變換單元；兩個功率通 道最后在總輸出端OUT處匯合。所述主功率變換單元實施盡量滿足要求的控制、輸出主要功率，在其輸入側(cè)留下 功率富裕、輸出側(cè)留下工頻紋波低谷；所述儲能變換單元實施與所述主功率變換單元輸入 側(cè)互補(bǔ)的功率控制、利用所述功率富裕給儲能電容儲能，所述填谷變換單元實施與所述主 功率變換單元輸出側(cè)互補(bǔ)的功率控制、利用儲能電容的釋能填補(bǔ)所述工頻紋波低谷；實現(xiàn) 消除工頻紋波的AC/DC變換。由于本發(fā)明所述儲能電容處于可控環(huán)境，與輸出濾波完全分離，使得其儲能和釋 能可以按照需要的工況運行。比如可以采用高壓小容量電容儲能，與常規(guī)濾波電容工況比 較一方面，由于電容儲能與電壓的平方成正比，電壓的提高可以顯著提高儲能效能，大大減少了需要的電容容量；另一方面，儲能電容的輸出功率與電容的電壓降直接有關(guān)，可以不 像常規(guī)濾波電容那樣受輸出紋波波幅的限制，而是更大幅度地釋放能量，顯著提高了釋能 效能，進(jìn)一步顯著減少了需要的電容容量；同時，電容能量釋放是受控的，由所述填谷變換 單元根據(jù)紋波波谷位置和大小確定，避免了常規(guī)濾波電容那樣在輸出紋波的峰值后的下降 沿不需要釋能時就開始釋能、待到谷底最需要釋能時已經(jīng)無法釋能的不利工況，更進(jìn)一步 減少了需要的電容容量。事實上，采用本發(fā)明所述方法，所述儲能電容的能量幾乎是全部被 利用到最需要的場合。本發(fā)明所述儲能電容也可以采用與輸出電壓相同或不同電壓等級的 電解電容，所需容量大幅度減少并能消除工頻紋波。并且，本發(fā)明所述儲能電容也可以采用 諸如超級法拉電容這樣的儲能元件，利用器件特性優(yōu)勢獲得降低成本、改善性能的效果。本發(fā)明所述主功率變換單元實施盡量滿足要求的控制是指在其輸入側(cè)要滿足總 傳輸功率的控制要求，必要時也應(yīng)能夠滿足功率因素矯正(PFC)的控制要求，在其輸出側(cè) 要滿足輸出電壓或者電流控制要求。對所述主功率變換單元而言，要同時滿足上述控制要 求，一方面必然會產(chǎn)生不能由自身轉(zhuǎn)移的功率富裕，這部分能量由輔功率通道轉(zhuǎn)移到儲能 電容；另一方面也必然會在其輸出側(cè)產(chǎn)生因交流電過零能量缺失所形成的工頻紋波低谷， 這部分能量缺失由填谷變換單元用取自儲能電容的能量予以填補(bǔ)。由于有總傳輸功率的控 制要求，這兩部分能量是平衡的，輸出紋波低谷被充分填補(bǔ)。本發(fā)明所述主功率變換單元實施盡量滿足要求的控制還包括在主功率變換單元 和填谷變換單元同時向負(fù)載輸出能量的情況下，要滿足主輔控制要求，即以主功率變換單 元為主、填谷功率單元為輔的功率分配控制策略。本發(fā)明所述在AC/DC變換總功率通道IN之后分離為兩個功率通道是指主功率通 道和輔功率通道可以在交流輸入側(cè)就開始分離，也可以是在不可控的二極管整流電路后以 同壓或者倍壓的方式分離，還可以是在前級為一級可控的總功率變換單元的同一回路直流 輸出或者不同回路直流輸出上再實施的分離。特別地，如果要滿足PFC控制要求，有前級總 功率變換單元時，前級總功率變換單元可以是一個PFC變換；如果沒有前級總功率變換單 元或者前級總功率變換單元不是一個PFC變換，則有兩種選擇如果所述輔功率通道有一 個儲能變換單元，則該儲能變換單元與主功率變換單元一起協(xié)調(diào)互補(bǔ)實現(xiàn)PFC控制要求； 如果沒有所述儲能變換單元，則需要主功率變換單元具備一個與儲能電容功率過程對應(yīng)的 PFC補(bǔ)償控制策略，實現(xiàn)可能是不完全的PFC控制要求。本發(fā)明一種消除工頻紋波的AC/DC變換方法對其中各個功率變換單元的具體電 路拓?fù)涞囊蕾囆暂^少，包括整流電路在內(nèi)的各個功率變換單元可以根據(jù)其運行工況靈活地 選擇最適應(yīng)的電路形式；既可以實現(xiàn)非隔離的輸出，也能夠?qū)崿F(xiàn)隔離的輸出；既可以是輸 出電流控制，也可以是輸出電壓控制。并且，包括各種PFC技術(shù)、無橋整流技術(shù)、交錯控制技 術(shù)、軟開關(guān)技術(shù)、組合拓?fù)浼夹g(shù)以及磁集成技術(shù)在內(nèi)的當(dāng)前電力電子領(lǐng)域最先進(jìn)的技術(shù)均 可能得到應(yīng)用。在功率等級上也沒有限制，不僅適用于LED驅(qū)動這樣的小功率應(yīng)用，也適用 于其他功率等級的AC/DC變換。相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明一種消除工頻紋波的AC/DC變換方法顯著減少了需要 的儲能電容的容量，充分補(bǔ)償了因交流電過零能量缺失所形成的工頻紋波低谷，徹底擺脫 了 AC/DC變換對工頻紋波濾波的依賴，且電路形式靈活，適應(yīng)各種功率等級和控制方式，使 AC/DC變換不使用大容量電解電容成為可能，特別適合高功率因素、高可靠性、高功率密度、無電解電容的AC/DC變換，具有廣闊的應(yīng)用前景。
圖1是本發(fā)明一種消除工頻紋波的AC/DC變換方法第一實施方式的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明一種消除工頻紋波的AC/DC變換方法第一實施方式的一種非隔離輸 出電路的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是本發(fā)明一種消除工頻紋波的AC/DC變換方法第一實施方式的一種隔離輸出 電路的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是本發(fā)明一種消除工頻紋波的AC/DC變換方法第二實施方式的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5是本發(fā)明一種消除工頻紋波的AC/DC變換方法第二實施方式的一種非隔離輸 出電路的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式下面結(jié)合附圖和本發(fā)明的實施方式作進(jìn)一步詳細(xì)說明。請參閱圖1，是本發(fā)明一種消除工頻紋波的AC/DC變換方法第一實施方式的結(jié)構(gòu) 示意圖。本實施方式在總功率通道IN之后分離為兩個功率通道主功率通道a和輔功率通 道b，分別連接到主功率變換單元和儲能變換單元，其中主功率變換單元的輸出直接連接到 總輸出端OUT，儲能變換單元的輸出連接到儲能電容后，再經(jīng)由填谷變換單元連接到總輸出 端OUT。其中，a、b兩個功率通道可以是從交流輸入側(cè)就開始分離的兩個功率通道，也可以 是在一個不可控的二極管整流電路后以同壓或者其中一個以倍壓的方式分離的兩個功率 通道。為滿足總傳輸功率的控制要求和PFC控制要求，首先要按照常規(guī)的方法通過輸入 端IN的電壓和電流回饋以及輸出端OUT的功率回饋形成一個總控制策略PFC，然后根據(jù)這 個總控制策略PFC分別確定主功率變換單元的控制策略A和儲能變換單元的控制策略B，基 本關(guān)系為A+B = PFC。其中，主功率變換單元的控制策略A —是要滿足其輸出功率控制不得超過總控制 策略PFC，即A < = PFC ；二是要有一個常規(guī)的輸出端的回饋e，以滿足輸出電壓或者電流控 制要求；三是要滿足與填谷變換單元之間的主輔控制要求，即A — C。儲能變換單元的控制策略B是一個與主功率變換單元的控制策略A互補(bǔ)控制策 略，實現(xiàn)轉(zhuǎn)移由總控制策略PFC確定的總傳輸功率中未能由主功率變換單元轉(zhuǎn)移的功率的 控制，即B = PFC-A。此外，必要時可以有一個來自儲能電容的電壓回饋d，防止儲能電容電 壓意外溢出。填谷變換單元的控制策略C是一個常規(guī)的輸出端的回饋c的控制策略，以滿足輸 出電壓或者電流控制要求；同時也要滿足與主功率變換單元之間的主輔控制策略A — C。所述控制策略中，主功率變換單元的控制策略A和儲能變換單元的控制策略B有 確定的互補(bǔ)關(guān)系，可以由若干邏輯電路和運算電路實現(xiàn)；主輔控制策略A —C可以簡單地使 主功率變換單元輸出端回饋e的閥值稍微大于填谷變換單元輸出端回饋c的閥值實現(xiàn)，也 可以采用諸如滑?？刂七@樣的更有利的控制策略。
由于所述主功率變換單元直接與輸入端IN和輸出端OUT連接，承擔(dān)主要功率傳輸 的僅有一級變換，因此本實施方式是高效率方式。本實施方式各部參考波形見圖1。請參閱圖2，是本發(fā)明一種消除工頻紋波的AC/DC變換方法第一實施方式的一種 非隔離輸出電路的結(jié)構(gòu)示意圖。由輸入端IN輸入的交流電經(jīng)由不可控的整流電路D整流后分為離兩個功率通道， 主功率通道連接到由電感Li、開關(guān)Kl以及二極管Dl組成的Buck-Boost主功率變換單元， 其輸出連接到總輸出端OUT ；輔功率通道連接到由電感L2、開關(guān)K2以及二極管D2組成的 Boost儲能變換單元。所述儲能變換單元的輸出端接有一儲能電容C3，再連接到由開關(guān)K3、 二極管D3以及電感L3組成的Buck填谷變換單元，所述填谷變換單元的輸出連接到總輸出 端 OUT。以上各個變換單元應(yīng)滿足如圖1所示本發(fā)明第一實施方式的控制策略，相關(guān)元件 的運行參數(shù)由各自的運行工況確定。輸入濾波電容Cl以及輸出濾波電容C2只需按照高頻紋波濾波要求設(shè)置，必要時 可增加高頻濾波電感與之配合。對于本發(fā)明一種消除工頻紋波的AC/DC變換方法的所有電路而言，儲能電容C3的 輸入端就是其輸出端，儲能電容C3的另一端連接到符合填谷變換單元電路結(jié)構(gòu)且更有利 于儲能的總輸出端OUT的某一點上；儲能電容C3需要的最小容量可按下式確定C = Pt/ (kFU2)式中，Pt為需要的填谷功率，F(xiàn)為工頻頻率，U為儲能電容上的最高儲能電壓，k為 效能系數(shù)。效能系數(shù)k是一個小于1數(shù)，其大小與儲能電容利用效能和填谷變換單元的效 率有關(guān)。需要的填谷功率Pt在PFC控制條件下可以大致按照總輸出功率的三分之一估計。圖2是本發(fā)明一種消除工頻紋波的AC/DC變換方法第一實施方式的一種非隔離輸 出電路的結(jié)構(gòu)，但不能認(rèn)定這是其唯一的一種非隔離輸出電路結(jié)構(gòu)。請參閱圖3，是本發(fā)明一種消除工頻紋波的AC/DC變換方法第一實施方式的一種 隔離輸出電路的結(jié)構(gòu)示意圖。由輸入端IN輸入的交流電經(jīng)由不可控的整流電路D整流后分離為兩個功率通道， 主功率通道連接到由開關(guān)K1、變壓器Bl以及二極管Dl組成的反激式主功率變換單元，其輸 出連接到總輸出端OUT ；輔功率通道連接到由開關(guān)K2、變壓器B2以及二極管D2組成的另一 路反激式儲能變換單元，其輸出與儲能電容C3連接，然后經(jīng)由一個由開關(guān)K3、二極管D3以 及電感L3組成的Buck填谷變換單元后，與總輸出端OUT連接。Cl、C2是高頻紋波濾波電 容。以上各個變換單元應(yīng)滿足如圖1所示本發(fā)明第一實施方式的控制策略，相關(guān)元件 的運行參數(shù)由各自的運行工況確定。一個典型的應(yīng)用實例是用1只IuFIOOOV的儲能電 容，即可支撐一個150W左右、高功率因素、無電解電容、無工頻紋波、輸出電流控制的LED路 燈驅(qū)動電源。圖3是本發(fā)明一種消除工頻紋波的AC/DC變換方法第一實施方式的一種隔離輸出 電路的結(jié)構(gòu)，但不能認(rèn)定這是其唯一的一種隔離輸出電路結(jié)構(gòu)。請參閱圖4，是本發(fā)明一種消除工頻紋波的AC/DC變換方法第二實施方式的結(jié)構(gòu) 示意圖。
在本實施方式中，PFC變換單元是一個包括了總功率控制在內(nèi)的常規(guī)PFC變換單 元，可以是無橋的、軟的、交錯的甚至隔離的PFC變換單元，其控制策略PFC也是常規(guī)的、通 過輸入端IN的電壓和電流回饋以及輸出端OUT的功率回饋形成的。與常規(guī)PFC變換不同 的有兩點一點是在輔功率通道b上增加了一個防止儲能電容電壓溢出的保護(hù)控制回饋d， 如果所述PFC變換單元能夠確保在任何情況儲能電容下沒有電壓溢出，該回饋d可以取消； 另一點是該PFC變換的輸出側(cè)被分離為a、b兩個功率通道，以便以兩種最適宜的電壓等級 被分別連接到主功率變換單元和儲能電容，如果主功率變換單元的輸入電壓采用與儲能電 容相同的電壓等級，則該PFC變換單元的兩路輸出也可以是同一路輸出的兩個單向傳輸支 路。所述主功率變換單元和填谷功率變換單元分別實施滿足輸出電壓或者電流控制 要求的控制策略A和C，并滿足一個主輔控制策略A — C的控制。本實施方式?jīng)]有儲能變換單元；是兩級變換；各部參考波形見圖4。請參閱圖5，是本發(fā)明一種消除工頻紋波的AC/DC變換方法第二實施方式的一種 非隔離輸出電路的結(jié)構(gòu)示意圖。由耦合電感L和L2、開關(guān)K、二極管D和D2組成的Boost總功率變換單元可以是 PFC控制的，分別通過二極管D和D2將輸出功率分離為兩兩個單向傳輸支路。由二極管D 分離出的主功率通道連接到由Kl、Dl和Ll組成的Buck主功率變換單元，其輸出與總輸出 端OUT相連；由二極管D2分離出的輔功率通道連接到儲能電容C3，再經(jīng)過由K3、D3和L3 組成的Buck填谷變換單元連接到總輸出端OUT。以上各個變換單元應(yīng)滿足如圖4所示本發(fā)明第二實施方式的控制策略，相關(guān)元件 的運行參數(shù)由各自的運行工況確定。其中，C2是高頻紋波濾波電容；Cl是總功率變換單元 和主功率變換單元之間的拓?fù)溷暯与娙?，適當(dāng)?shù)碾娙萑萘坎拍鼙ＷC兩個電壓型拓?fù)渲g的 動作協(xié)調(diào)。圖5是本發(fā)明一種消除工頻紋波的AC/DC變換方法第二實施方式的一種非隔離輸 出電路的結(jié)構(gòu)，但不能認(rèn)定這是其唯一的一種非隔離輸出電路結(jié)構(gòu)。也不能認(rèn)定第二實施 方式不能有隔離輸出的電路結(jié)構(gòu)。圖1和圖4是本發(fā)明一種消除工頻紋波的AC/DC變換方法的兩種實施方式的結(jié) 構(gòu)，但不能認(rèn)定本發(fā)明僅限于這兩種實施方式的結(jié)構(gòu)。以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實施方式對本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定 本發(fā)明的具體實施只局限于這些說明。對于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在 不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的 保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種消除工頻紋波的AC/DC變換方法，其特征在于在AC/DC變換總功率通道IN之 后分離為兩個功率通道主功率通道和輔功率通道；其中主功率通道是一個主功率變換單 元，輔功率通道依次為一個儲能變換單元、一個儲能電容和一個填谷變換單元；兩個功率通 道最后在總輸出端OUT處匯合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種消除工頻紋波的AC/DC變換方法，其特征在于所述總 功率通道是一個總功率變換單元，所述總功率變換單元至少是一個整流單元、至少有一個 直流輸出回路，所述主功率通道和輔功率通道在所述直流輸出回路上實施分離。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種消除工頻紋波的AC/DC變換方法，其特征在于所述輔 功率通道上沒有所述儲能變換單元，儲能電容需要的儲能功率由所述總功率變換單元的所 述直流輸出回路提供。
全文摘要
本發(fā)明將AC/DC變換的總功率通道分離為主功率通道和輔功率通道。其中主功率通道是一個主功率變換單元，盡可能完成滿足要求的主要功率傳輸，留下工頻紋波低谷；輔功率通道將主功率變換單元不能由自身轉(zhuǎn)移的多余能量直接或者通過一個儲能變換單元轉(zhuǎn)移給一個儲能電容儲能，再經(jīng)由一個填谷變換單元將儲能電容的儲能適時地轉(zhuǎn)移給由主功率變換單元留下工頻紋波低谷，從而實現(xiàn)消除工頻紋波的AC/DC變換。本發(fā)明顯著減少了需要的儲能電容容量，徹底消除了工頻紋波，電路形式靈活，適應(yīng)各種功率等級和控制方式，特別適合高功率因素、高可靠性、高功率密度、無電解電容的AC/DC變換，具有廣闊的應(yīng)用前景。
文檔編號H02M7/04GK102064721SQ20101062299
公開日2011年5月18日 申請日期2010年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月16日
發(fā)明者李義 申請人:李義