專利名稱：一種交流-直流功率變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電子技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種交流-直流功率變換器。
背景技術(shù)：
交流-直流功率變換器(AC/DC converter)用以將交流電壓轉(zhuǎn)換為一恒定的直流電信號(hào)(例如直流電壓或者直流電流)。由于交流-直流功率變換器的功率較高，因此廣泛應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)大功率的負(fù)載，例如電機(jī)、LED燈等。交流-直流功率變換器通常包括一整流橋，以將外部交流電壓轉(zhuǎn)換為一正弦半波直流輸入電壓來(lái)提供給后續(xù)變換電路。為了減小對(duì)交流電網(wǎng)的諧波污染，交流-直流功率變換器通常需要功率因數(shù)校正電路(PFC)來(lái)實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正功能，獲得一較高的功率因數(shù)?，F(xiàn)有技術(shù)中，單級(jí)變換電路或者兩級(jí)變換電路均可以實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正功能以及獲得恒定的輸出電信號(hào)。參考圖1，所示為一種采用現(xiàn)有技術(shù)的單級(jí)交流-直流功率變換器的一具體實(shí)施例。在該實(shí)施方式中，單級(jí)交流-直流功率變換器包括單級(jí)PFC主電路10和單級(jí)PFC控制電路20兩部分。其中，單級(jí)PFC主電路為反激式(flyback)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，單級(jí)PFC控制電路包括電流閉環(huán)控制電路21，電流控制電路22，過(guò)零觸發(fā)電路23，隔離電路和乘法器U5。電流閉環(huán)控制電路21采樣單級(jí)PFC主電路的輸出電流，其輸出信號(hào)經(jīng)隔離電路后與輸入電壓經(jīng)乘法器U5運(yùn)算后得到的信號(hào)，作為基準(zhǔn)信號(hào)輸入至電流控制電路22的同相輸入端，反相輸入端采樣輸入電流，輸出端連接至過(guò)零觸發(fā)電路23。過(guò)零觸發(fā)電路23包括電壓比較器U3和RS觸發(fā)器U4，電流控制電路22的輸出端和電壓比較器U3的輸出端分別連接至RS觸發(fā)器的復(fù)位端R和置位端S。RS觸發(fā)器的輸出信號(hào)通過(guò)控制開(kāi)關(guān)管S的導(dǎo)通或者截止的狀態(tài)，使輸入電流跟隨輸入電壓變化，以此提高單級(jí)PFC電路的功率因數(shù)。但是，采用這種實(shí)現(xiàn)方式，輸出電流存在紋波，并且當(dāng)紋波較大時(shí)，輸出電流的誤差較大，因此，輸入端的電流存在較大誤差，不能準(zhǔn)確跟隨輸入電壓的變化，功率因數(shù)大大降低。參考圖2，所示為另一種采用現(xiàn)有技術(shù)的兩級(jí)交流-直流功率變換器的原理框圖。在該實(shí)施方式中，交流-直流功率變換器包括兩級(jí)功率級(jí)電路203和205，以及第一級(jí)控制電路204和第二級(jí)控制電路206。第一級(jí)功率級(jí)電路203接收正弦半波直流輸入電壓，第一級(jí)控制電路204控制第一級(jí)功率級(jí)電路203，使得輸入電流的波形跟隨所述正弦半波直流輸入電壓，從而實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正。與第一級(jí)功率級(jí)電路級(jí)聯(lián)的第二級(jí)功率級(jí)電路205用以接收第一級(jí)功率級(jí)電路203的輸出電壓Voutl，根據(jù)LED燈207所需的驅(qū)動(dòng)電壓，第二級(jí)控制電路206控制第二級(jí)功率級(jí)電路205，以獲得基本恒定的輸出電流和輸出電壓，使之能夠正常驅(qū)動(dòng)LED燈207。采用圖2所示的交流-直流功率變換器，對(duì)諧波的處理效果較好，可以達(dá)到較高的功率因數(shù)；具有獨(dú)立的PFC級(jí)，可以對(duì)輸入DC/DC級(jí)的直流電壓進(jìn)行預(yù)調(diào)節(jié)，輸出電壓比較精確；帶載能力比較高，適合于功率較高的場(chǎng)合。但是，它至少需要兩套控制電路和至少兩個(gè)功率開(kāi)關(guān)管，所需的元器件較多，成本較高；功率密度低，損耗比較大；尤其對(duì)于中小功率的電子設(shè)備，很不經(jīng)濟(jì)。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種交流-直流功率變換器，其通過(guò)控制和驅(qū)動(dòng)電路控制功率級(jí)電路中的能量傳輸過(guò)程，以實(shí)現(xiàn)輸出一穩(wěn)定電信號(hào)驅(qū)動(dòng)負(fù)載并且同時(shí)實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正功能。本發(fā)明的交流-直流功率變換器較現(xiàn)有技術(shù)中的單級(jí)交流-直流功率變換器控制精度高，較兩級(jí)交流-直流功率變換器控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。依據(jù)本發(fā)明的一種交流-直流功率變換器，包括一整流橋和濾波電容，以將外部交流電壓轉(zhuǎn)換為正弦半波直流輸入電壓，所述交流-直流功率變換器還包括第一儲(chǔ)能元件、第二儲(chǔ)能元件和第三儲(chǔ)能元件， 在每一開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，在第一工作狀態(tài)時(shí)，第一路徑接收所述正弦半波直流輸入電壓，并對(duì)所述第一儲(chǔ)能元件進(jìn)行儲(chǔ)能，所述第一儲(chǔ)能元件上的第一電流連續(xù)上升；第二路徑接收第二直流電壓，并對(duì)所述第二儲(chǔ)能元件進(jìn)行儲(chǔ)能，流過(guò)所述第二儲(chǔ)能元件的第二電流持續(xù)上升；所述第一路徑和所述第二路徑共用一開(kāi)關(guān)管；在第二工作狀態(tài)時(shí)，所述第一儲(chǔ)能元件通過(guò)第三路徑釋放能量至所述第三儲(chǔ)能元件和一負(fù)載，以在所述第三儲(chǔ)能元件上產(chǎn)生所述第二直流電壓，同時(shí)所述第一電流連續(xù)下降；所述第二儲(chǔ)能元件通過(guò)第四路徑將能量釋放至所述負(fù)載；其中，所述第一電流跟隨所述正弦半波直流輸入電壓變化，并且所述交流-直流功率變換器的輸出電信號(hào)維持恒定。優(yōu)選的，在第一工作狀態(tài)時(shí)，所述正弦半波直流輸入電壓通過(guò)所述第一路徑對(duì)所述第一儲(chǔ)能元件進(jìn)行儲(chǔ)能和釋放能量至所述負(fù)載。優(yōu)選的，在第一工作狀態(tài)時(shí)，所述正弦半波直流輸入電壓通過(guò)所述第一路徑對(duì)所述第一儲(chǔ)能元件進(jìn)行儲(chǔ)能和釋放能量至所述負(fù)載；并且，所述第二直流電壓通過(guò)所述第二路徑對(duì)所述第二儲(chǔ)能元件進(jìn)行儲(chǔ)能和釋放能量至所述負(fù)載。優(yōu)選的，所述第一儲(chǔ)能元件包括第一感性元件，所述第二儲(chǔ)能元件包括第二感性元件，所述第三儲(chǔ)能元件包括一容性元件。進(jìn)一步的，所述的交流-直流功率變換器還包括控制和驅(qū)動(dòng)電路，其接收所述第一電流和第二電流的峰值電流信號(hào)，以據(jù)此產(chǎn)生一驅(qū)動(dòng)信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)所述開(kāi)關(guān)管。優(yōu)選的，在第一工作狀態(tài)時(shí)，所述開(kāi)關(guān)管處于導(dǎo)通狀態(tài)；在第二工作狀態(tài)時(shí)，所述開(kāi)關(guān)管處于關(guān)斷狀態(tài)。優(yōu)選的，所述第一儲(chǔ)能元件、所述第三儲(chǔ)能元件、所述第一路徑和所述第三路徑組成第一級(jí)功率級(jí)電路。優(yōu)選的，所述第二儲(chǔ)能元件、所述第二路徑和所述第四路徑組成第二級(jí)功率級(jí)電路。優(yōu)選的，所述輸出電信號(hào)包括一!'亙定的輸出電流，用以驅(qū)動(dòng)LED負(fù)載。依據(jù)上述的一種交流-直流功率變換器，其兩級(jí)功率級(jí)電路共用一開(kāi)關(guān)管和控制和驅(qū)動(dòng)電路，簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了功率因數(shù)校正功能和輸出恒定電信號(hào)驅(qū)動(dòng)負(fù)載，在電路更加簡(jiǎn)潔的基礎(chǔ)上保證精度的準(zhǔn)確，成本低，準(zhǔn)確性好。在隔離式功率級(jí)電路中，本發(fā)明中的控制和驅(qū)動(dòng)電路只采樣原邊信號(hào)來(lái)推算出輸出電流的信息，從而控制輸出電信號(hào)的穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了從原邊控制恒流驅(qū)動(dòng)，安全性好。


圖1所示為采用現(xiàn)有技術(shù)的一種單級(jí)交流-直流功率變換器的原理框圖；圖2所示為采用現(xiàn)有技術(shù)的一種兩級(jí)交流-直流功率變換器的原理框圖；圖3A所示為依據(jù)本發(fā)明的交流-直流功率變換器的第一實(shí)施例的原理框圖；圖3B所示為圖3A所示的交流-直流功率變換器在第一工作狀態(tài)時(shí)的導(dǎo)電路徑圖；圖3C所示為圖3A所示的交流-直流功率變換器在第二工作狀態(tài)時(shí)的導(dǎo)電路徑圖；圖4A所示為依據(jù)本發(fā)明的交流-直流功率變換器的第二實(shí)施例的原理框圖；圖4B所示為圖4A所示的交流-直流功率變換器在第一工作狀態(tài)時(shí)的導(dǎo)電路徑圖；圖4C所示為圖4A所示的交流-直流功率變換器在第二工作狀態(tài)時(shí)的導(dǎo)電路徑圖；圖5A所示為依據(jù)本發(fā)明的交流-直流功率變換器的第三實(shí)施例的原理框圖；圖5B所示為圖5A所示的交流-直流功率變換器在第一工作狀態(tài)時(shí)的導(dǎo)電路徑圖；圖5C所示為圖5A所示的交流-直流功率變換器在第二工作狀態(tài)時(shí)的導(dǎo)電路徑圖；圖6A所示為依據(jù)本發(fā)明的交流-直流功率變換器的第四實(shí)施例的原理框圖；圖6B所示為圖6A所示的交流-直流功率變換器在第一工作狀態(tài)時(shí)的導(dǎo)電路徑圖；圖6C所示為圖6A所示的交流-直流功率變換器在第二工作狀態(tài)時(shí)的導(dǎo)電路徑圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的幾個(gè)優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)描述，但本發(fā)明并不僅僅限于這些實(shí)施例。本發(fā)明涵蓋任何在本發(fā)明的精髓和范圍上做的替代、修改、等效方法以及方案。為了使公眾對(duì)本發(fā)明有徹底的了解，在以下本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中詳細(xì)說(shuō)明了具體的細(xì)節(jié)，而對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)沒(méi)有這些細(xì)節(jié)的描述也可以完全理解本發(fā)明。參考圖3A，所示為依據(jù)本發(fā)明的交流-直流功率變換器的第一實(shí)施例的原理框圖。在本實(shí)施例中，外部交流電壓經(jīng)整流橋BR和濾波電容Cl整流濾波后得到一正弦半波直流輸入電壓Vin。所述交流-直流功率變換器還包括第一儲(chǔ)能元件即電感LI，第二儲(chǔ)能元件即變壓器Tl (包括原邊繞組Lp和副邊繞組Ls)，第三儲(chǔ)能元件即電容C2。此外，所述交流-直流功率變換器還包括控制和驅(qū)動(dòng)電路301，所述控制和驅(qū)動(dòng)電路301控制所述開(kāi)關(guān)管Q的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。
參考圖3B，所示為圖3A所示的交流-直流功率變換器在第一工作狀態(tài)時(shí)的導(dǎo)電路徑圖；在第一工作狀態(tài)時(shí)，所述控制和驅(qū)動(dòng)電路301控制所述開(kāi)關(guān)管Q導(dǎo)通，電感L1、二極管Dl和開(kāi)關(guān)管Q形成第一路徑①，所述正弦半波直流輸入電壓通過(guò)所述第一路徑①對(duì)所述電感LI儲(chǔ)能，所述電感LI上的第一電流I1持續(xù)上升。電容C2、變壓器Tl的原邊繞組Lp和開(kāi)關(guān)管Q形成第二路徑②，電容C2兩端的的第二直流電壓Vbus對(duì)所述原邊繞組Lp釋放能量，變壓器Tl儲(chǔ)能，其原邊繞組Lp上的第二電流I2持續(xù)上升。參考圖3C，所示為圖3A所示的交流-直流功率變換器在第二工作狀態(tài)時(shí)的導(dǎo)電路徑圖；在第二工作狀態(tài)時(shí)，所述控制和驅(qū)動(dòng)電路301控制所述開(kāi)關(guān)管Q關(guān)斷，所述電感L1、二極管D1、變壓器Tl的原邊繞組Lp和電容C2形成第三路徑③，所述電感LI釋放能量，第一電流I1持續(xù)下降，所述電感LI釋放的能量一部分通過(guò)變壓器Tl傳遞給負(fù)載，另一部分用以給電容C2充電，電容C2兩端產(chǎn)生所述第二直流電壓Vbus。變壓器Tl的副邊繞組Ls、二極管D2和電容C3形成第四路徑④，變壓器中儲(chǔ)存的能量通過(guò)所述第四路徑傳遞至負(fù)載。
其中，所述二極管Dl用以防止在第二工作狀態(tài)時(shí)，第三路徑中的電流回流至輸入端。此外，所述交流-直流功率變換器中的控制和驅(qū)動(dòng)電路301接收所述第一電流I1和第二電流I2的峰值電流信號(hào)Ipki和IPK2，以及電感LI上電流從峰值下降至為零的時(shí)間Iffl和變壓器Tl中激磁電感上電流從峰值下降至為零的時(shí)間Iff2,以產(chǎn)生一驅(qū)動(dòng)信號(hào)來(lái)控制開(kāi)關(guān)管Q的開(kāi)關(guān)動(dòng)作，以實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正和恒定的輸出電流。其中，峰值電流信號(hào)Ipki和Ipk2可通過(guò)現(xiàn)有的或改進(jìn)的任一種峰值采樣電路對(duì)第一電流I1和第二電流I2采樣實(shí)現(xiàn)，圖3Α中沒(méi)有示出具體電路結(jié)構(gòu)。另外，本實(shí)施例中所述第一路徑①和第三路徑③形成一升壓型功率級(jí)電路，其接收正弦半波直流輸入電壓Vin以在電容C2的兩端產(chǎn)生一基本恒定的第二直流電壓Vbus。當(dāng)電容C2的電容值較大時(shí)，電容C2兩端的電壓Vbus波動(dòng)很小，可保持基本恒定。所述第二路徑②和第四路徑④形成一反激式功率級(jí)電路，其接收電容C2兩端的第二直流電壓Vbus以通過(guò)第四路徑④產(chǎn)生一基本恒定的輸出電壓Vo，以及一基本恒定的輸出電流Io來(lái)驅(qū)動(dòng)負(fù)載，如LED負(fù)載。從圖3A中可以看出，所述升壓型功率級(jí)電路中的第一路徑①和反激式功率級(jí)電路中的第二路徑②共用開(kāi)關(guān)管Q以及控制和驅(qū)動(dòng)電路301。因此，本實(shí)施例中的交流-直流功率變換器結(jié)構(gòu)較現(xiàn)有技術(shù)簡(jiǎn)單，控制更加簡(jiǎn)易。下面根據(jù)上述實(shí)施例的交流-直流功率變換器的電路結(jié)構(gòu)，以及不同工作狀態(tài)時(shí)的導(dǎo)電路徑詳細(xì)說(shuō)明本實(shí)施例中的交流-直流功率變換器的功率因數(shù)校正以及恒定輸出電信號(hào)的實(shí)現(xiàn)原理。根據(jù)反激式功率級(jí)電路的工作原理，在變壓器中的勵(lì)磁電感電流工作于臨界導(dǎo)通模式(BCM)時(shí)，且電感LI電流下降到零的時(shí)間早于變壓器中勵(lì)磁電感電流下降到零的時(shí)間，輸出電流如下公式(I)計(jì)算得到I0 =Ipkl X 晉 X^ +Ipk2 X 發(fā)(I)其中，Ipkl表示電感LI上第一電流的峰值電流；Ipk2表示變壓器Tl的原邊繞組上第二電流的峰值電流；n表示變壓器Tl的原邊繞組Lp與副邊繞組Ls的匝數(shù)之比^ffl表示電感LI上電流從峰值下降至為零的時(shí)間At5ff2表示變壓器中勵(lì)磁電感上電流從峰值下降至為零的時(shí)間；ts表不一個(gè)開(kāi)關(guān)周期，為和之和。其中，所述第一電流的峰值電流Ipkl可由以下公式計(jì)算獲得Ipkl - X tOn這里，Vin表示正弦半波直流輸入電壓，L1表示電感LI的電感值，tm表示開(kāi)關(guān)管Q的導(dǎo)通時(shí)間。所述第二電流的峰值電流Ipk2可由以下公式計(jì)算獲得Ipk 2 — X ton
這里，Vbus表示電容C2兩端的第二直流電壓，L2表示電感L2的電感值。此外，電感LI上電流從峰值下降至為零的時(shí)間Iffl可由公式計(jì)算得Vh^0-VinXt°n其中，所述Vo為所述交流-直流功率變換器的輸出電壓。勵(lì)磁電感上電流從峰值下降至為零的時(shí)間Iff2可由公式計(jì)算得torT2 =^-Xton一個(gè)開(kāi)關(guān)周期ts為ts = ton + toff2 — b:v~ x ton將上述Ipkl、Ipk2> toffl, toff2和ts的計(jì)算公式均代入Io的公式(I)中得
「 n .nL Γ Vin2XnV0, Vhus 2I/。、
0064 L = —-- X ton X ---2---h( 2 )
0 2(n Vtl+Vhus) on LCVbus +HV0-Vin) XL1 L2 J從公式(2)中可以看出，除正弦半波直流輸入電壓外，其它均為恒定值，因此，要實(shí)現(xiàn)輸出電流Itl恒定，則只需要控制開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間tm，以使得導(dǎo)通時(shí)間tm與式(2)第一項(xiàng)多項(xiàng)式的乘積為一恒定值即可。導(dǎo)通時(shí)間可由控制和驅(qū)動(dòng)電路控制，在本實(shí)施例中，控制和驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)所述第一電流的峰值電流Ipkl、所述第二電流的峰值電流Ipk2、電感LI上電流從峰值下降至為零的時(shí)間Iffl和原邊繞組Lp上電流從峰值下降至為零的時(shí)間^ff2可控制調(diào)整導(dǎo)通時(shí)間tm，以實(shí)現(xiàn)控制輸出電流Io恒定。控制和驅(qū)動(dòng)電路301可以為任何合適形式的已知的或者改進(jìn)的電路，在此不再列舉實(shí)施例進(jìn)行說(shuō)明。從上述控制方案中可以看出，本發(fā)明實(shí)施例的控制和驅(qū)動(dòng)電路只采樣原邊信號(hào)，從采樣的原邊信號(hào)推算出輸出電流，從而實(shí)現(xiàn)輸出恒流控制，因此，本方案采用的原邊控制方案不但精度高，而且安全性好。根據(jù)升壓型功率級(jí)電路的工作原理，其本實(shí)施例中的輸入電流Iin即電感LI上的第一電流可由下式計(jì)算獲得J1=Ipaixhi^hKi⑶
2ts由式(2)可得到導(dǎo)通時(shí)間tQnS ;
「00691 t — 2xi0x(nVo+Vbus ) X_(Vbus +IiV0-Vin)xLiXL2_
on - Vin2XnV0XL2+Vbus 2XL1XCVhljs +nV0-Vln)將Ipkl、tQn、tQffl、ts和tQn的計(jì)算公式均代入上式(3)中得
j _ \j 、，V0Xl0X(V^us +nVo)xL*2 λ Λ It 一 Vjn X τι2 Tr t 77τ 2I TTr :7 TlTI 4 J
Vjrt XnV0 X 1^2 +Vhus xL^ X(V^us +nV。~*V^n )
從式(4)中可以看出，由于第二直流電壓Vbus較大，因此，后一項(xiàng)多項(xiàng)式可近似為一常數(shù)，輸入電流Iin近似跟隨正弦半波直流輸入電壓Vin的變化，實(shí)現(xiàn)了功率因數(shù)校正功倉(cāng)泛。需要說(shuō)明的是，上述的推導(dǎo)公式只適用于在變壓器中的勵(lì)磁電感電流工作于臨界導(dǎo)通模式(BCM)時(shí)推導(dǎo)的結(jié)果，工作模式不同其推導(dǎo)過(guò)程亦不相同，在此不一一概述。從上述推導(dǎo)過(guò)程可以看出，本發(fā)明實(shí)施例的交流-直流功率變換器，其兩級(jí)功率級(jí)電路只需一個(gè)開(kāi)關(guān)管和控制和驅(qū)動(dòng)電路即可實(shí)現(xiàn)能量的傳輸過(guò)程，并完成功率因數(shù)校正和輸出恒定電信號(hào)。本發(fā)明實(shí)施例中在第二工作狀態(tài)時(shí)，由于第一儲(chǔ)能兀件電感LI和第二儲(chǔ)能元件變壓器Tl中的能量均可釋放供給負(fù)載，因此，對(duì)第三儲(chǔ)能元件電容C2的耐壓要求較低。此外，本發(fā)明實(shí)施例的電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但控制精度高，紋波小，穩(wěn)定性好，可很好地應(yīng)用于LED驅(qū)動(dòng)等場(chǎng)合。參考圖4A，所示為依據(jù)本發(fā)明的交流-直流功率變換器的第二實(shí)施例的原理框圖。本實(shí)施例中的交流-直流功率變換器的第一儲(chǔ)能元件為電感L2，第二儲(chǔ)能元件為變壓器Tl、第三儲(chǔ)能元件為電容C4。參考圖4B所示為圖4A所示的交流-直流功率變換器在第一工作狀態(tài)時(shí)的導(dǎo)電路徑圖；在第一工作狀態(tài)時(shí)，所述控制和驅(qū)動(dòng)電路401控制開(kāi)關(guān)管Q導(dǎo)通，二極管D1、電感L2和開(kāi)關(guān)管Q形成第一路徑①，所述正弦半波直流輸入電壓通過(guò)所述第一路徑①對(duì)所述電感L2儲(chǔ)能，所述電感L2上的第一電流I1持續(xù)上升；變壓器Tl的原邊繞組Lp、二極管D4、電容C4形成第二路徑②，所述電容C4兩端的第二直流電壓通過(guò)第二路徑給變壓器儲(chǔ)能，流過(guò)原邊繞組Lp的第二電流持續(xù)上升。圖4C所示為圖4A所示的交流-直流功率變換器在第二工作狀態(tài)時(shí)的導(dǎo)電路徑圖；在第二工作狀態(tài)時(shí)，所述控制和驅(qū)動(dòng)電路401控制開(kāi)關(guān)管Q關(guān)斷，電感L2、變壓器Tl的原邊繞組Lp、電容C4、二極管D3形成第三路徑③，電感L2釋放能量，流過(guò)電感L2中的第一電流持續(xù)下降，電感L2中的能量一部分通過(guò)變壓器Tl輸出至負(fù)載，另一部分用以給電容C2充電，電容C2兩端產(chǎn)生所述第二直流電壓Vbus，同上述實(shí)施例，在電容C2的容值較大時(shí)，其兩端電壓基本恒定，即所述第二直流電壓Vbus基本恒定；變壓器Tl的副邊繞組Ls、二極管D2和第三電容C3形成第四路徑④，變壓器儲(chǔ)存的能量通過(guò)所述第四路徑④傳遞給負(fù)載。從上述過(guò)程得出，本實(shí)施例中的第一路徑①和第三路徑③形成一升降壓型功率級(jí)電路，其將所述正弦半波直流輸入電壓Vin轉(zhuǎn)換為電容C4的兩端的基本恒定的第二直流電壓Vbus。第二路徑②和第四路④徑形成一反激式功率級(jí)電路，其接收所述第二直流電壓Vbus以產(chǎn)生一基本恒定的輸出電壓Vo，以及一基本恒定的輸出電流Io來(lái)驅(qū)動(dòng)LED負(fù)載。其中，二極管D3用以在第三路徑中為電感L2提供續(xù)流通路；二極管D4用以防止輸入電壓Vin直接連接到地。本實(shí)施例中的交流-直流功率變換器的功率因數(shù)校正以及恒定輸出電信號(hào)的實(shí)現(xiàn)原理與第一實(shí)施例基本相同，其詳細(xì)推導(dǎo)過(guò)程不再闡述。同理，本實(shí)施例中的交流-直流功率變換器的能量傳輸過(guò)程只需要一個(gè)開(kāi)關(guān)管和控制和驅(qū)動(dòng)電路，并同時(shí)實(shí)現(xiàn)了功率因數(shù)校正和恒定輸出電信號(hào)，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，精度高。參考圖5A，所示為依據(jù)本發(fā)明的交流-直流功率變換器的第三實(shí)施例的原理框圖。本實(shí)施例中的交流-直流功率變換器的第一儲(chǔ)能元件為電感L3、第二儲(chǔ)能元件為電感L4、第三儲(chǔ)能元件為電容C5。
參考圖5B，所示為圖5A所示的交流-直流功率變換器在第一工作狀態(tài)時(shí)的導(dǎo)電路徑圖；在第一工作狀態(tài)時(shí)，所述控制和驅(qū)動(dòng)電路501控制所述開(kāi)關(guān)管Q導(dǎo)通，二極管D1、電感L3、電容C3和開(kāi)關(guān)管Q形成第一路徑①，所述正弦半波直流輸入電壓通過(guò)所述第一路徑①對(duì)所述電感L3儲(chǔ)能，所述電感L3上的第一電流I1持續(xù)上升，同時(shí)，所述正弦半波直流輸入電壓通過(guò)所述第一路徑①將能量傳遞給負(fù)載；電容C5、電感L4、電容C3和開(kāi)關(guān)管Q形成第二路徑②，電容C5通過(guò)第二路徑②釋放能量，電感L4儲(chǔ)能，電感L4上的第二電流上升，并且電容C2中的能量同時(shí)也供給負(fù)載。參考圖5C，所示為圖5A所示的交流-直流功率變換器在第二工作狀態(tài)時(shí)的導(dǎo)電路徑圖；在第二工作狀態(tài)時(shí)，所述控制和驅(qū)動(dòng)電路501控制所述開(kāi)關(guān)管Q關(guān)斷，電感L3、電容C3、二極管D5、電容C5形成第三路徑③，電感上第一電流I1持續(xù)下降，電感L3釋放能量，其能量一部分用以供給負(fù)載，一部分用以給電容C5充電，電容C5兩端產(chǎn) 生所述第二直流電壓Vbus ;電感L4、電容C3、二極管D5形成第四路徑④，電感L4通過(guò)所述第四路徑④將能量傳遞給負(fù)載。其中，二極管D5用以作為電感L3和L4續(xù)流回路。在本實(shí)施例中，第一路徑①和第三路徑③形成一升壓型功率級(jí)電路，以將所述正弦半波直流輸入電壓Vin轉(zhuǎn)換為電容C5的兩端的基本恒定的第二直流電壓Vbus。第二路徑②和第四路徑④形成一降壓型功率級(jí)電路，以接收所述第二直流電壓Vbus以產(chǎn)生一基本恒定的輸出電壓Vo，以及一基本恒定的輸出電流Io來(lái)驅(qū)動(dòng)LED負(fù)載。下面根據(jù)本實(shí)施例的交流-直流功率變換器的電路結(jié)構(gòu)，以及不同工作狀態(tài)時(shí)的導(dǎo)電路徑詳細(xì)說(shuō)明本實(shí)施例中的交流-直流功率變換器的功率因數(shù)校正以及恒定輸出電信號(hào)的實(shí)現(xiàn)原理。根據(jù)降壓型功率級(jí)電路的工作原理，當(dāng)電感L3中電流工作于斷續(xù)導(dǎo)通模式(DCM)、電感L4電流工作于臨界導(dǎo)通模式(BCM)時(shí)，輸出電流Io如下公式(5)計(jì)算得到I0 =l^X7on +Toff3· + IeUI X Ton +Toff4i(5)
0 2Ts2Ts其中，Ipk3表示電感L3上第一電流的峰值電流；Ipk4表示電感L4上第二電流的峰值電流Atxff3表示電感L3上電流從峰值下降至為零的時(shí)間Atjff4表示電感L4上電流從峰值下降至為零的時(shí)間；ts表示一個(gè)開(kāi)關(guān)周期，為七 和^ff4之和。其中，電感L3的峰值電流可由以下公式計(jì)算獲得
TVin -V0 IIpjt^ — X tonOA生，^in表不正弦半波直流輸入電壓，Vo表不輸出電壓，1^表不電感L3的電感值， 表示開(kāi)關(guān)管Q的導(dǎo)通時(shí)間。電感L4的峰值電流可由以下公式計(jì)算獲得
τ _ ^bus —V。V- j.Ipk 4 — L4 ton這里，Vbus表示電容C5兩端的第二直流電壓，L4表示電感L4的電感值。此外，電感L3中電流從峰值下降至為零的時(shí)間Uf3可由公式計(jì)算得toff3 = -~° X ton
Vbus +V0-Vin
電感L4中電流從峰值下降至為零的時(shí)間Iff4可由公式計(jì)算得
權(quán)利要求
1.一種交流-直流功率變換器，包括一整流橋和濾波電容，以將外部交流電壓轉(zhuǎn)換為正弦半波直流輸入電壓，其特征在于，所述交流-直流功率變換器還包括第一儲(chǔ)能元件、第二儲(chǔ)能元件和第三儲(chǔ)能元件，在每一開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，在第一工作狀態(tài)時(shí)，第一路徑接收所述正弦半波直流輸入電壓，并對(duì)所述第一儲(chǔ)能元件進(jìn)行儲(chǔ)能，所述第一儲(chǔ)能元件上的第一電流連續(xù)上升；第二路徑接收第二直流電壓，并對(duì)所述第二儲(chǔ)能元件進(jìn)行儲(chǔ)能，流過(guò)所述第二儲(chǔ)能元件的第二電流持續(xù)上升；所述第一路徑和所述第二路徑共用一開(kāi)關(guān)管；在第二工作狀態(tài)時(shí)，所述第一儲(chǔ)能元件通過(guò)第三路徑釋放能量至所述第三儲(chǔ)能元件和一負(fù)載，以在所述第三儲(chǔ)能元件上產(chǎn)生所述第二直流電壓，同時(shí)所述第一電流連續(xù)下降；所述第二儲(chǔ)能元件通過(guò)第四路徑將能量釋放至所述負(fù)載；其中，所述第一電流跟隨所述正弦半波直流輸入電壓變化，并且所述交流-直流功率變換器的輸出電信號(hào)維持恒定。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的交流-直流功率變換器，其特征在于，在第一工作狀態(tài)時(shí)，所述正弦半波直流輸入電壓通過(guò)所述第一路徑對(duì)所述第一儲(chǔ)能元件進(jìn)行儲(chǔ)能和釋放能量至所述負(fù)載。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的交流-直流功率變換器，其特征在于，在第一工作狀態(tài)時(shí)，所述正弦半波直流輸入電壓通過(guò)所述第一路徑對(duì)所述第一儲(chǔ)能元件進(jìn)行儲(chǔ)能和釋放能量至所述負(fù)載；并且，所述第二直流電壓通過(guò)所述第二路徑對(duì)所述第二儲(chǔ)能元件進(jìn)行儲(chǔ)能和釋放能量至所述負(fù)載。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的交流-直流功率變換器，其特征在于，所述第一儲(chǔ)能元件包括第一感性元件，所述第二儲(chǔ)能元件包括第二感性元件，所述第三儲(chǔ)能元件包括一容性元件。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的交流-直流功率變換器，其特征在于，還包括控制和驅(qū)動(dòng)電路，其接收所述第一電流和第二電流的峰值電流信號(hào)，以據(jù)此產(chǎn)生一驅(qū)動(dòng)信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)所述開(kāi)關(guān)管。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的交流-直流功率變換器，其特征在于，在第一工作狀態(tài)時(shí)，所述開(kāi)關(guān)管處于導(dǎo)通狀態(tài)；在第二工作狀態(tài)時(shí)，所述開(kāi)關(guān)管處于關(guān)斷狀態(tài)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的交流-直流功率變換器，其特征在于，所述第一儲(chǔ)能元件、所述第三儲(chǔ)能元件、所述第一路徑和所述第三路徑組成第一級(jí)功率級(jí)電路。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的交流-直流功率變換器，其特征在于，所述第二儲(chǔ)能元件、所述第二路徑和所述第四路徑組成第二級(jí)功率級(jí)電路。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的交流-直流功率變換器，其特征在于，所述輸出電信號(hào)包括一恒定的輸出電流，用以驅(qū)動(dòng)LED負(fù)載。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種交流-直流功率變換器，通過(guò)控制和驅(qū)動(dòng)電路控制兩級(jí)功率級(jí)電路中的能量傳輸過(guò)程，以實(shí)現(xiàn)輸出一穩(wěn)定電信號(hào)驅(qū)動(dòng)負(fù)載并且同時(shí)實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正功能。本發(fā)明的交流-直流功率變換器兩級(jí)功率級(jí)電路共用一開(kāi)關(guān)管和控制和驅(qū)動(dòng)電路，電路結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，降低了電路成本，而且輸出紋波小，精度高。此外，本發(fā)明中的控制和驅(qū)動(dòng)電路只采樣原邊信號(hào)來(lái)推算出輸出電流的信息，從而控制輸出電信號(hào)的穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了從原邊控制的恒流驅(qū)動(dòng)，安全性好。
文檔編號(hào)H05B37/02GK103023352SQ20121053881
公開(kāi)日2013年4月3日 申請(qǐng)日期2012年12月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月11日
發(fā)明者鄧建, 趙晨 申請(qǐng)人:矽力杰半導(dǎo)體技術(shù)(杭州)有限公司