单级高功因低纹波电压输出转换器电路的制作方法

本发明属于功率电源技术领域，尤其涉及单级高功因低纹波电压输出转换器电路。

背景技术：

目前，采用返驰式转换器的小功率电源，一般在交流电压输入后采用桥式整流子及直流电容滤波，以提供后端返驰式转换器高压的直流输入电压，此种电路架构的输入电流将严重失真导致功率因子不佳。上述电路虽然在移除高压直流电容并使返驰式转换器采用高功因的控制方法，可以改善输入电流波形以及功率因子，但输出电压却含有较高的二次纹波电压。此种单级高功因电路如图1所示，在单位功因下的输入电压及电流波形如图2所示，其输入功率为：

pin＝2viniinsin²ωt＝viniin(1-cos2ωt)(1)

其中vin及iin为输入电压及输入电流的rms值。假设输出电压经过调整为定值vd，基于功率平衡，输出功率等于输入功率，因此输出功率pd＝pin，输出电流可以求得为：

公式(2)中id的直流成份io为提供负载电流，二次电流成份ic2则对输出电容作充放电形成二次侧的无功，其将造成输出电压具有二次纹波。此电压二次纹波的大小为：

由于ω为频点很低的市电频率，由公式(3)可以看出若要有较低的二次纹波输出电压需要使用非常大的输出电容，显然实际当中很难做到。因此，现有技术中存在二次纹波输出电压过高导致使用较大的输出电容的问题。

技术实现要素：

本发明提供的单级高功因低纹波电压输出转换器电路，解决现有技术中存在二次纹波输出电压过高导致使用较大的输出电容的问题。

本发明第一方面提供一种单级高功因低纹波电压输出转换器电路，所述单级高功因低纹波电压输出转换器电路包括交流输入电源、滤波模块、整流模块、二次无功吸收模块、开关模块以及转换模块，所述二次无功吸收模块包括第一单向导通器件、第二单向导通器件、第一储能器件以及二次无功吸收器件；

所述交流输入电源、所述滤波模块以及所述整流模块依次相连，所述整流模块的第一输出端连接所述第一单向导通器件的输出端和所述第一储能器件的第一端，所述第一储能器件的第二端连接所述二次无功吸收器件的第一端和所述转换模块的第一输入端，所述第一单向导通器件的输入端连接所述第二单向导通器件的输出端和所述二次无功吸收器件的第二端，所述第二单向导通器件的输入端连接所述开关模块的输出端和所述整流模块的第二输出端，所述开关模块的输入端连接所述转换模块的第二输入端，所述转换模块的输出端连接负载；

所述整流模块的输出电压高于所述二次无功吸收器件的电压时，当所述开关模块处于导通时，所述二次无功吸收器件向所述第一储能器件和所述转换模块进行放电，使所述第一储能器件和所述转换模块进行储能，当所述开关模块处于关断时，所述第一储能器件向所述二次无功吸收器件进行释能，所述转换模块向所述负载进行释能；

所述整流模块的输出电压不高于所述二次无功吸收器件的电压时，当所述开关模块处于导通时，所述二次无功吸收器件向所述转换模块进行放电，使所述转换模块进行储能，当所述开关模块处于关断时，所述转换模块向所述负载进行释能。

本发明提供单级高功因低纹波电压输出转换器电路，在二次无功吸收模块中设置二次无功吸收器件，用于吸收电路中的二次无功，实现二次无功吸收模块中的电流与转换模块的输出电流几乎相同，进而减少了二次电流成分，即不需要将输出电容设置过大，仅用以衰减高频波纹电流及提供负载瞬间变化时的储能即可。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有技术提供的单极高功因电路的结构示意图；

图2是现有技术提供的高功因电路的的电压及电流波形图；

图3是本发明实施例提供的单级高功因低纹波电压输出转换器电路的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的单级高功因低纹波电压输出转换器电路的电路图；

图5是本发明实施例提供的单级高功因低纹波电压输出转换器电路中输入电压(vin)高于二次无功吸收器件的电压(vd)时的电流波形；

图6是图5中t0至t1时间段的电流流向示意图；

图7是图5中t1至t2时间段的电流流向示意图；

图8是图5中t2至t3时间段的电流流向示意图；

图9是图5中t3至t4时间段的电流流向示意图；

图10是本发明实施例提供的单级高功因低纹波电压输出转换器电路中输入电压(vin)低于二次无功吸收器件的电压(vd)时的电流波形；

图11是图10中t0至t1时间段的电流流向示意图；

图12是图10中t1至t2时间段的电流流向示意图；

图13是图10中t2至t3时间段的电流流向示意图；

图14是本发明实施例提供的单级高功因低纹波电压输出转换器电路的仿真电路的电路图；

图15是图14提供的仿真电路的仿真结果波形图。

具体实施方式

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，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例用以解释本发明，并不用于限定本发明。为了说明本发明的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。

本发明实施例一提供一种单级高功因低纹波电压输出转换器电路，如图3所示，单级高功因低纹波电压输出转换器电路包括交流输入电源101、滤波模块102、整流模块103、二次无功吸收模块104、开关模块106以及转换模块105，二次无功吸收模块104包括第一单向导通器件111、第二单向导通器件113、第一储能器件110以及二次无功吸收器件112；

交流输入电源101、滤波模块102以及整流模块103依次相连，整流模块103的第一输出端连接第一单向导通器件111的输出端和第一储能器件110的第一端，第一储能器件110的第二端连接二次无功吸收器件112的第一端和转换模块105的第一输入端，第一单向导通器件111的输入端连接第二单向导通器件113的输出端和二次无功吸收器件112的第二端，第二单向导通器件113的输入端连接开关模块106的输出端和整流模块103的第二输出端，开关模块106的输入端连接转换模块105的第二输入端，转换模块105的输出端连接负载；

整流模块103的输出电压高于二次无功吸收器件112的电压时，当开关模块106处于导通时，二次无功吸收器件112向第一储能器件110和转换模块105进行放电，使第一储能器件110和转换模块105进行储能，当开关模块106处于关断时，第一储能器件110向二次无功吸收器件112进行释能，转换模块105向负载进行释能；

整流模块103的输出电压不高于二次无功吸收器件112的电压时，当开关模块106处于导通时，二次无功吸收器件112向转换模块105进行放电，使转换模块105进行储能，当开关模块106处于关断时，转换模块105向负载进行释能。

在本发明实施例中，滤波模块102用于对交流输入电源101进行滤波，滤波模块102可以为emi滤波器。

在本发明实施例中，整流模块103用于对输入的交流电源进行整流，整流模块103可以为二极管。

在本发明实施例中，第一单向导通器件111和第二单向导通器件113用于实现单向导通，优选的，第一单向导通器件111和第二单向导通器件113为二极管，第一储能器件110用于储能和释能，第一储能器件110可以为电感。

在本发明实施例中，二次无功吸收器件112用于吸收电路中的二次无功，实现二次无功吸收模块104中的电流与转换模块105的输出电流几乎相同，优选的，二次无功吸收器件112为电容。

基于本发明实施例，在二次无功吸收模块104中设置二次无功吸收器件112，用于吸收电路中的二次无功，实现二次无功吸收模块104中的电流与转换模块105的输出电流几乎相同，进而减少了二次电流成分，即不需要将输出电容设置过大，仅用以衰减高频波纹电流及提供负载瞬间变化时的储能即可。

作为本发明实施例的一种实施方式，对于转换模块105，具体的，如图4所示，转换模块105包括变压器tr、第三单向导通器件以及第二储能器件；

变压器tr的同相输入端为转换模块105的第一输入端，变压器tr的反相输入端为转换模块105的第二输入端，变压器tr的反相输出端连接第三单向导通器件的输入端，第三单向导通器件的输出端连接第二储能器件的第一端，第二储能器件的第二端连接变压器tr的同相输出端；

整流模块103的输出电压高于二次无功吸收器件112的电压时，当开关模块106处于导通时，二次无功吸收器件112向第一储能器件110和变压器tr的初级绕组进行放电，使第一储能器件110和变压器tr的初级绕组进行储能，当开关模块106处于关断时，第一储能器件110向二次无功吸收器件112进行释能，变压器tr的次级绕组向负载进行释能；

整流模块103的输出电压不高于二次无功吸收器件112的电压时，当开关模块106处于导通时，二次无功吸收器件112向变压器tr的初级绕组进行放电，使变压器tr的初级绕组进行储能，当开关模块106处于关断时，变压器tr的次级绕组向负载进行释能。

对于二次无功吸收模块104，具体的，二次无功吸收器件112为第一电容cd。

第一单向导通器件111为第一二极管d1，第一二极管d1的阳极为第一单向导通器件111的输入端，第一二极管d1的阴极为第一单向导通器件111的输出端；

第二单向导通器件113为第二二极管d2，第二二极管d2的阳极为第二单向导通器件113的输入端，第二二极管d2的阴极为第二单向导通器件113的输出端；

第一储能器件110为第一电感l1。

第三单向导通器件为第三二极管d0，第三二极管d0的阳极为第三单向导通器件的输入端，第三二极管d0的阴极为第三单向导通器件的输出端；

第二储能器件为第二电容c0。

对于整流模块103，具体的，整流模块103为第四二极管，第四二极管的阴极为整流模块103的第一输出端，第四二极管的阳极为整流模块103的第二输出端。

对于滤波模块102，具体的，滤波模块102包括第二电感、第三电容和第四电容，第二电感的第一端与第三电容的第一端共接并构成滤波模块102的第一输入端，第三电容的第二端与第四电容的第一端共接并构成滤波模块102的第二输入端和第二输出端，第二电感的第二端与第四电容的第二端共接并滤波模块102的第一输出端。

基于上述具体的单级高功因低纹波电压输出转换器电路，交流输入电压连接至emi滤波器，接着经过二极管整流子整流，再接上一个二次无功吸收电路，最后再连接至返驰式转换器，提供负载电压，二次无功吸收电路包含一个储能电感l1，一个二次无功吸收电容cd，以及二个二极管d1及d2。返驰式转换器的变压器tr匝数比为n1:n2，变压器自感量为lm，二次侧整流二极管为do，输出电容为co与负载r并联。开关采用定频切换，一开关切换周期时间为ts。

当整流后的输入电压vin高于无功吸收电容电压vd时，二极管整流子将会导通，工作波形如图5所示，在一个切换周期下的工作模式如图6至图9所示，包括：(1)在t0～t1期间，开关模块q导通，vin-l1-cd-d2形成一输入电压降压导通路径，第一电感l1在此期间进行储能，而cd-tr-q-d2则形成一返驰式转换器变压器激磁路径使变压器上的自感lm储能，此期间电感l1的电流id与开关的电流iq线性上升，id2流经二次无功吸收电容cd使其放电，id2电流为iq与id的差值。(2)在t1～t2期间，开关模块q截止，l1-cd-d1形成一导通路径使第一电感l1的储能释放给二次无功吸收电容cd，而tr-do-r则形成一返驰式转换器变压器去磁路径使变压器上的自感lm释能给负载，此期间第一电感l1的电流id与第三二极管do的电流ido线性下降，id1电流等于id。(3)在t2～t3期间，id电流下降至零后所有一次侧组件的导通均停止，而二次侧返驰式转换器变压器上的自感lm持续释能给负载r，第三二极管do的电流ido持续线性下降至t3时下降至零。(4)在t3～t4期间，所有一次侧组件与二次侧组件的导通均停止，负载r所需能量由输出电容co提供，至t4时结束一个周期，开关再转为导通进入下一周期。

当整流后的输入电压vin低于无功吸收电容电压vd时，二极管整流子不会导通，在此期间返驰式转换器的能量完全来自于二次无功吸收电容cd，工作波形如图10所示，在一个切换周期下的工作模式如图11至图13所示，包括：(1)在t0～t1期间，开关模块q导通，cd-tr-q-d2则形成一返驰式转换器变压器激磁路径使变压器上的自感lm储能，此期间开关模块的电流iq线性上升，id2流经二次无功吸收电容cd使其放电。(2)在t1～t2期间，开关模块q截止，tr-do-r形成一返驰式转换器变压器去磁路径使自感lm释能给负载，第三二极管do的电流ido线性下降，至t2时下降至零。(4)在t2～t3期间，所有组件的导通均停止，负载所需能量由输出电容co提供，至t3时结束一个周期，开关再转为导通进入下一周期。

图14所示为本发明的具体仿真实施例，其交流输入电压vs＝220vrms，输出电压vo＝5v，输出功率为20w，电感l1＝200h，二次无功吸收电容cd＝33f，变压器自感lm＝120h，变压器的匝数比5:1，输出电容co＝100f，电路采用峰值电流模式控制，切换频率设定为100khz，仿真结果如图15所示。其显示输入电流is在vin高于无功吸收电容电压vd时，二极管整流子导通使is波形接近正弦，功率因子(pf)为极高的0.952。二次无功确实储存于cd上使vd电压平均值为120v且具有严重的二次纹波，但也正因为其完全吸收此二次无功，输出电压vo为纹波极低的直流，且此纹波为高频，不存在二次低频纹波，以上均验证所提出发明虽为单级电路，但确实能同时达到高功因与低纹波电压输出的功能。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。