谐振式交流直流变换装置及其控制方法与流程

本发明是有关功率因数校正技术，且特别是有关于单级式功率因数变换装置。

背景技术：

关于交流直流变换装置，已知技术中通常使用这样的技术方案，如图1所示，包括整流电路11，前级DC-DC变换电路12和后级DC-DC变换电路13，所述整流电路11的输入端子IN接收交流输入AC，并对其进行整流，将输出提供至前级DC-DC变换电路12的输入端端子MID1，前级DC-DC变换电路12的输出连接至为后级DC-DC变换电路13的输入端端子MID2，后级DC-DC变换电路13的输出端为输出端子OUT，提供输出电压Vout。前级DC-DC变换电路12实现功率因数校正，使端子MID1上的电流呈馒头波，从而使输入端子IN上的电流呈正弦，满足功率因数校正的要求。前级DC-DC变换电路12一般选择为升压式(Boost)变换器，使输出电压为固定值Vmid2，输入电流Imid1呈馒头波。后级DC-DC变换电路13把输入电压Vmid2变换成所需要的电压Vout或电流Iout。

已知技术中的交流直流变换装置采用了两级结构，前级DC-DC变换电路12为硬开关电路，介于开关损耗和电路干扰，开关频率不可以设置为很高的频率，这大大限制了该级电路的功率密度，不利于实现电路小型化。而且两级式的电路结构采用器件较多，成本相对较高。

技术实现要素：

本发明正是思及于此，提供一种谐振式交流直流变换装置及其控制方法，采用整流桥后施加谐振变换器的方案，这种单级结构，简化了电路，降低了成本，而且通过本发明的控制方法实现电路中开关器件的软开关。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

谐振式交流直流变换装置，包括整流电路和谐振变换电路，所述整流电路的输入端接收交流输入，其输出端和所述谐振变换电路的输入端连接，所述整流电路实现交流直流变换，所述谐振变换电路实现功率因数校正和调节输出，所述谐振式交流直流变换装置还包括：

一输出控制电路，检测所述谐振变换电路的输出变量，计算出输出误差控制量；

一输入电压采样电路，检测所述谐振变换电路的输入电压，输出输入电压采样值；

一乘法电路，将所述输出误差控制量和所述输入电压采样值相乘，并输出输入电流控制参考值；

一输入控制电路，检测所述谐振变换电路的输入电流，并接收所述输入电流控制参考值，计算出电流误差控制量；

一驱动信号发生电路，接收所述电流误差控制量，产生驱动信号，所述驱动信号控制所述谐振变换电路中开关器件的开通和关断。

本发明一优选的实施例中，所述整流电路为由开关器件二极管组成的全桥整流电路。

本发明一优选的实施例中，所述谐振变换电路为全桥LLC谐振变换电路。

本发明一优选的实施例中，所述谐振变换电路为半桥LLC谐振变换电路。

本发明一优选的实施例中，所述输出控制电路包括输出电压采样电路和电压控制环，所述输出电压采样电路采样所述谐振变换电路的输出电压，并输出输出电压采样值，所述电压控制环为一调节器，接收所述输出电压采样值和输出电压控制参考值，计算出输出误差控制量。

本发明一优选的实施例中，所述输出控制电路包括输出电流采样电路和第一电流控制环，所述输出电流采样电路采样所述谐振变换电路的输出电流，并输出输出电流采样值，所述电流控制环为一调节器，接收所述输出电流采样值和输出电流控制参考值，计算出输出误差控制量。

本发明一优选的实施例中，所述输入控制电路包括输入电流采样电路和第二电流控制环，所述输入电流采样电路采样所述谐振变换装置的输入电流，输出输入电流采样值，所述第二电流控制环为一调节器，接收所述输入电流控制参考值和所述输入电流采样值，计算出输入误差控制量。

本发明一优选的实施例中，所述调节器为比例积分调节器。

本发明还提供一种谐振式交流直流变换装置的控制方法，所述谐振式交流直流变换装置包括整流电路和谐振变换电路，所述整流电路的输入端接收交流输入，其输出端和所述谐振变换电路的输入端连接，所述控制方法包括：

检测所述谐振变换电路的输出变量，计算出输出误差控制量；

所述输出误差控制量与谐振变换电路的输入电压采样值相乘，所得乘积作为输入电流控制参考值；

检测所述谐振变换电路的输入电流，得到输入电流采样值；

使用输入电流控制参考值和输入电流采样值计算产生驱动信号；

使用所述驱动信号控制所述谐振变换装置中开关器件的开通和关断。

本发明一优选的实施例中，所述输出变量为输出电流或输出电压。

有益效果，本发明通过单级谐振变换电路，实现对交流直流变换装置的功率因数校正和输出变量控制，电路结构简单，本发明设计的控制方法实现了谐振变换电路中开关器件的软开关，从而可以进一步提高开关器件的开关频率，进而减小变压器或电感等磁芯元件的体积，达到缩小整个装置体积的目的，提高装置的功率密度，形成轻薄的外观。

为让发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图式作详细说明如下。

附图说明

图1为已知技术中交流直流变换装置的电路示意图。

图2为本发明技术方案电路示意图。

图3为本发明技术方案控制电路示意图。

图4为本发明控制电路一具体实施例图。

图5为本发明控制电路另一具体实施例图。

图6为本发明整流电路和谐振变换电路一具体实施例图。

图7为本发明整流电路和谐振变换电路另一具体实施例图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需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。

本发明中所述的“第一”、“第二”、“第三”等(如果存在)用于在类似要素之间进行区别，并且不一定是描述特定的次序或者按时间的顺序。要理解，这样使用的这些术语在适当的环境下是可互换的，使得在此描述的主题的实施例如是能够以与那些说明的次序不同的次序或者以在此描述的另外的次序来进行操作。另外，凡可能之处，在图示及实施方式中使用相同标号的组件/构件/步骤，系代表相同或类似部件。

本发明实施例提供一种谐振式交流直流变换装置及其控制方法，使用单级谐振变换电路连接在整流电路之后，同时实现功率因数校正和输出变量调节，简化了电路结构，同时实现谐振变换电路中开关器件的软开关。

如图2所示为本发明技术方案电路框图，所述谐振式交流直流变换装置包括整流电路21和谐振变换电路22，所述整流电路的输入端子IN接收交流输入电压Vin，进行AC-DC整流变换后，提供直流电Vmid至所述谐振变换电路的输入端子MID，谐振变换电路22接收直流电Vmid，进行功率因数校正和输出调节后提供输出Vout至输出端子OUT，谐振变换电路22保证端子MID上的电流Imid呈馒头波，使得端子IN上的电流Iin呈正弦，实现功率因数校正。

图3为本发明控制电路方框示意图，如图3所示，在图2的电路中加入了控制电路34，所述控制电路包括：

一输出控制电路341，检测所述谐振变换电路32的输出端子OUT上的输出变量，计算出输出误差控制量S1；

一输入电压采样电路342，检测所述谐振变换电路32的输入端子MID上的电压Vmid，输出输入电压采样值S2；

一乘法电路343，将所述输出误差控制量和所述输入电压采样值相乘，并输出输入电流控制参考值S3；

一输入控制电路344，所述输出控制电路344包括输入电流采样电路3441检测所述谐振变换电路的输入电流，输出输入电流采样值S4，还包括一电流控制环3442，所述电流控制环3442接收所述输入电流控制参考值S3和所述输入电流采样值S4，计算出电流误差控制量S5；

一驱动信号发生电路345，接收所述电流误差控制量S5，产生驱动信号PWM，所述驱动信号PWM控制所述谐振变换电路中开关器件的开通和关断。

本发明优选的，所述电流控制环3442为一调节器，更具体的说，是比例积分调节器，但是本发明并不以此为限，任何具有调节计算的调节器均可在此应用。

本发明当输入电压Vin从峰值向过零点附近减小时，PFC功能恰好要求输入电流也相应减小过零，利用并联谐振在小电流情况下的高增益特性，可以通过降低开关频率,提高输入和输出间的升压比，从而维持输出电压的恒定。

如图4所示为本发明输入控制电路的另一具体实施例图，本实施例中，其他部件与图3所示的电路相同，输出控制电路441包括输出电流采样电路4411和电流控制环4412，所述电流采样电路4411采样谐振变换电路42输出端OUT的输出电流，输出输出电流采样值S02，所述电流控制环4412接收输出电流采样值S02和输出电流参考值Iref，计算出输出误差控制量S1。

本发明优选的，所述电流控制环4412为一调节器，更具体的说，是比例积分调节器，但是本发明并不以此为限，任何具有调节计算的调节器均可在此应用。

如图5所示为本发明输入控制电路的一具体实施例图，本实施例中，其他部件与图3所示的电路相同，输出控制电路541包括输出电压采样电路5411和电压控制环5412，所述电压采样电路5411采样谐振变换电路52输出端OUT的输出电压，输出输出电压采样值S01，所述电压控制环5412接收输出电压采样值S01和输出电压参考值Vref，计算出输出误差控制量S1。

本发明优选的，所述电压控制环5412为一调节器，更具体的说，是比例积分调节器，但是本发明并不以此为限，任何具有调节计算的调节器均可在此应用。

如图6所示，为本发明整流电路和谐振电路的一具体实施例，本实施例中，输入电压Vin为工频交流输入，一般为电网电压，连接在输入端子IN，为整流电路61提供输入，整流电路61为整流桥D_R1～D_R4实现AC-DC变换；整流电路61和谐振变换电路62通过端子MID串联连接，谐振变换电路62为一半桥谐振变换电路，其中电感L_r，电容C_r和电感L_m构成LLC谐振环节；开关S₁，S₂和电容C₁，C₂构成高频逆变电路，把直流电压变为高频交流量；二极管DF1、DF2和电容CF1、CF2构成谐振电路的半桥式整流电路，把通过谐振网络的高频交流电整流成端子OUT所需直流。输出端子OUT上并联连接有输出滤波电容Co和负载Ro。在工频半波期间内，当输入电压Vin从峰值向过零点附近减小时，PFC功能恰好要求输入电流也相应减小过零，利用并联谐振在小电流情况下的高增益特性，可以通过降低开关频率,提高输入和输出间的升压比，从而维持输出电压的恒定。

如图7所示，为本发明整流电路和谐振电路的另一具体实施例，本实施例中，输入电压Vin为工频交流输入，一般为电网电压，连接在输入端子IN，为整流电路71提供输入，整流电路71为二极管DR1～DR4构成的全桥整流电路实现AC-DC变换；整流电路71和谐振变换电路72通过端子MID串联连接，谐振变换电路72为全桥谐振变换电路，其中电感Lr，电容Cr和变压器T，构成LLC谐振环节；S1，S2，S3，S4构成高频逆变电路，把直流电压变为高频交流量；DF1，DF2，DF3，DF4构成谐振电路的半桥式整流电路，把通过谐振网络的高频交流电整流成端子OUT所需直流。输出端子OUT上并联连接有输出滤波电容Co和负载Ro。

本发明具有非常好的效果：采用谐振变换器直接实现功率因数校正和输出调节的功能。可以应用在交流输入、直流输出的电源变换中，特别是要求体积小、效率高的电源、充电器和相关产品中。例如需要电动车充电器等；或者大功率工业电源中，如电解电镀电源等。

虽然本发明已以实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围当视后附的申请专利范围所界定者为准。