AC/DC变换电路的制作方法

本实用新型涉及电源变换器技术领域，尤其涉及ac/dc变换电路。

背景技术：

本部分旨在为权利要求书中陈述的本实用新型实施例提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是现有技术。

当ac/dc变换电路中的ac/dc变换器连接内阻较低的负载(例如电池或者led灯)时，ac/dc变换电路中ac/dc变换器输出的直流电压包含两倍于电网频率的脉动电压。该脉动电压会导致负载中流过较大的脉动电流，从而降低负载寿命。

现有技术中通常采用两级变换器消除负载的脉动电压。第一级变换器为ac/dc变换器，实现功率因数校正、降低电网输出的交流电的谐波电流(谐波电流包含脉动电流)。电网输出的交流电包含了两倍于电网频率的脉动功率，因此，ac/dc变换器的输出中也包含了两倍于电网频率的脉动电压。第二级变换器为dc/dc变换器，实现负载电压的调节、消除负载的脉动电压。但是，现有的ac/dc变换电路，实现消除负载的脉动电压所需的元器件较多，且采用的两级变换器均为全功率变换器，由此导致消除ac/dc变换电路中负载的脉动电压的成本较高，且ac/dc变换电路的体积也较大。

因此，现有消除ac/dc变换电路中负载的脉动电压时，存在成本高、体积大的问题。

技术实现要素：

本实用新型实施例提供一种ac/dc变换电路，分别连接电网和负载，用以在实现消除ac/dc变换电路中负载的脉动电压时，降低ac/dc变换电路的成本和体积，该ac/dc变换电路包括：

交流直流变换模块、直流侧电容及脉动电压抵消模块；

交流直流变换模块的第一端和第二端分别连接电网的第一端和第二端，交流直流变换模块的第三端和第四端分别连接直流侧电容的第一端和第二端，脉动电压抵消模块的第一端和第二端分别连接直流侧电容的第一端和第二端，脉动电压抵消模块的第一输出端连接负载的第二端，脉动电压抵消模块的第二输出端连接直流侧电容的第一端或第二端，使得脉动电压抵消模块与负载串联后连接在直流侧电容的两端。

交流直流变换模块用于对电网交流电进行整流，得到包含脉动电压的直流侧电压；脉动电压的频率为电网频率的两倍，脉动电压抵消模块用于将脉动电压与一直流偏置电压的和作为脉动电压抵消模块的电压指令信号，控制脉动电压抵消模块的输出电压跟踪电压指令信号，以抵消负载上的脉动电压；

其中，直流偏置电压大于脉动电压的振幅。

本实用新型实施例中，交流直流变换模块对电网交流电进行整流，得到包含脉动电压的直流侧电压；串联在负载支路上的脉动电压抵消模块将脉动电压与一直流偏置电压的和作为脉动电压抵消模块的电压指令信号，控制脉动电压抵消模块的输出电压跟踪电压指令信号，以抵消负载上的脉动电压，直流偏置电压大于脉动电压的振幅。本实用新型实施例，仅需要在负载支路上串联脉动电压抵消模块，对负载上的脉动电压进行跟踪，因此，能够在消除负载上脉动电压的同时，降低ac/dc变换电路的成本和体积。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，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，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：

图1(a)至图1(b)为本实用新型实施例提供的ac/dc变换电路的模块结构图；

图2(a)至图2(b)为本实用新型实施例提供的ac/dc变换电路中脉动电压抵消模块20的结构框图；

图3为本实用新型实施例提供的ac/dc变换电路中直流交流转换单元201的电路结构图；

图4为本实用新型实施例提供的ac/dc变换电路中隔离单元202的电路结构图；

图5为本实用新型实施例提供的ac/dc变换电路中整流单元203的电路结构图；

图6为本实用新型实施例提供的ac/dc变换电路的另一模块结构图；

图7为本实用新型实施例提供的ac/dc变换电路中交流直流变换模块10的结构框图；

图8为本实用新型实施例提供的应用本实用新型后的仿真波形。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本实用新型实施例做进一步详细说明。在此，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，但并不作为对本实用新型的限定。

图1(a)至图1(b)示出了本实用新型实施例提供的ac/dc变换电路的模块结构，为便于描述，仅示出了与本实用新型实施例相关的部分，详述如下：

如图1(a)至图1(b)所示，ac/dc变换电路分别连接电网1和负载2，ac/dc变换电路包括：

交流直流变换模块10、直流侧电容cdc及脉动电压抵消模块20；

交流直流变换模块10的第一端①和第二端②分别连接电网1的第一端①和第二端②，交流直流变换模块10的第三端③和第四端④分别连接直流侧电容cdc的第一端①和第二端②，脉动电压抵消模块20的第一输出端③连接负载的第二端②，脉动电压抵消模块20的第二输出端④连接直流侧电容cdc的第一端①(如图1(a)所示)或第二端②(如图1(b)所示)，使得脉动电压抵消模块20与负载2串联后连接在直流侧电容cdc的两端。其中，若直流侧电容cdc的第一端①为正母线，则直流侧电容cdc的第二端②为负母线；若直流侧电容cdc的第一端①为负母线，则直流侧电容cdc的第二端②为正母线。

交流直流变换模块10用于对电网交流电vin进行整流，得到包含脉动电压vc的直流侧电压vdc；脉动电压vc的频率为电网1频率的两倍，脉动电压抵消模块20用于将脉动电压vc与一直流偏置电压vb的和作为脉动电压抵消模块20的电压指令信号，控制脉动电压抵消模块20的输出电压跟踪电压指令信号，以抵消负载2上的脉动电压vc；

其中，直流偏置电压vb大于脉动电压vc的振幅。

在本实用新型实施例中，交流直流变换模块10对电网交流电vin进行整流后得到的直流测电压，包含了频率为电网1频率两倍的脉动电压vc。其中，在一些实施例中，负载2包括电池或者led灯，在其他的实施例中，负载2还包括除电池及led灯之外的其他负载。鉴于负载2内阻很小，该脉动电压vc会使得负载2中流过很大的脉动电流，从而降低负载2的寿命。基于此，申请人创造性的提出在负载2支路上串联一脉动抵消变换模块，用以抵消负载2上的脉动电压vc，从而消除负载2上的脉动电流，提高负载2的使用寿命，使得ac/dc变换电路输出的脉动电流全部由直流侧电容cdc提供，将负载2上的脉动电流控制成接近于零。该在负载2支路上串联一脉动抵消变换模块的方式，可以在实现消除负载2上的脉动电流的同时，降低ac/dc变换电路的体积，降低ac/dc变换电路的成本。

在本实用新型的一实施例中，该脉动抵消变换模块包括dc/dc变换器，当ac/dc变换电路输出的脉动电流全部由直流侧电容cdc提供时，由于dc/dc变换器输出只能是直流电压，因此需要加上一个直流偏置电压vb，dc/dc变换器将脉动电压vc与该直流偏置电压vb的和vb+vc作为脉动电压抵消模块20的电压指令信号，控制脉动电压抵消模块20的输出电压跟踪电压指令信号vb+vc。其中，直流偏置电压vb大于脉动电压vc的振幅，使得电压指令信号vb+vc总是大于零。

另外，由于脉动电压vc是个交流值，而dc/dc变换器的输出电压vcon的最小值要大于零，因此，将直流偏置电压vb与脉动电压vc相加，得到一个大于零的电压指令信号vb+vc，将这个大于零的电压指令信号vb+vc作为dc/dc变换器输出电压vcon的跟踪信号，通过dc/dc变换器的闭环控制功能，将dc/dc变换器输出电压vcon与电压指令信号vb+vc比较，两者的误差信号经比例积分控制器调节后进行脉宽调制，脉宽调制输出相应的宽度和相移的门极信号，去控制dc/dc变换器中变压器的原边和/或副边的半导体开关。

在本实用新型实施例中，交流直流变换模块10对电网交流电vin进行整流，得到包含脉动电压vc的直流侧电压vdc；串联在负载2支路上的脉动电压抵消模块20将脉动电压vc与一直流偏置电压vb的和作为脉动电压抵消模块20的电压指令信号，控制脉动电压抵消模块20的输出电压跟踪电压指令信号，以抵消负载2上的脉动电压vc，直流偏置电压vb大于脉动电压vc的振幅。本实用新型实施例，仅需要在负载2支路上串联脉动电压抵消模块20，对负载2上的脉动电压vc进行跟踪，因此，能够在消除负载2上脉动电压vc的同时，降低ac/dc变换电路的成本和体积。

在本实用新型的一实施例中，通过如下方式确定脉动电压vc：

根据负载电压vo、负载电流io、直流侧电容cdc的阻抗及直流侧电压vdc，确定脉动电压vc的幅度；

根据电网交流电vin的角频率确定脉动电压vc的电压基准；

根据脉动电压vc的幅度及脉动电压vc的电压基准，确定脉动电压vc。

在确定脉动电压vc的幅度时，具体可以通过将负载电压vo、负载电流io相乘得到负载功率po，进而通过负载功率po与直流侧电容cdc的阻抗1/(2ω×c)、直流侧电压vdc，得到脉动电压vc的幅度：po/(2ω×c×vdc)。

假设电网交流电为vin，可以通过锁相环(phaselockedloop)得到电网交流电为vin的角频率ω，进而得到两倍于电网1频率的电压基准-cos(2ωt)。

在得到电压幅度po/(2ω×c×vdc)和电压基准-cos(2ωt)后，即可根据两者得到脉动电压-cos(2ωt)×po/(2ω×c×vdc)。

在本实用新型的一实施例中，脉动电压抵消模块20包括半桥pwm电路、全桥电路及谐振电路中的任意一种。

图2(a)至图2(b)示出了本实用新型实施例提供的ac/dc变换电路中脉动电压抵消模块20的结构示意，为便于描述，仅示出了与本实用新型实施例相关的部分，详述如下：

在本实用新型的一实施例中，如图2(a)至图2(b)所示，脉动电压抵消模块20，包括：

直流交流转换单元201、隔离单元202、整流单元203；

直流交流转换单元201的第一端①为脉动电压抵消模块20的第一端①，直流交流转换单元201的第二端②与隔离单元202的第一端①连接，隔离单元202的第二端②和第三端③分别与整流单元203的第一端①和第二端②连接，直流交流转换单元201的第三端③、隔离单元202的第四端④共接形成脉动电压抵消模块20的第二端②，整流单元的第三端③及第四端④分别为脉动电压抵消模块20的第一输出端③及第二输出端④。

其中，如图2(a)所示，整流单元的第四端作为脉动电压抵消模块20的第二输出端④，与直流交流转换单元201的第三端③、隔离单元202的第四端④共接形成的脉动电压抵消模块20的第二端②连接。如图2(b)所示，整流单元的第四端作为脉动电压抵消模块20的第二输出端④，与作为脉动电压抵消模块20的第一端①的直流交流转换单元201的第一端①连接。

在本实用新型实施例中，直流交流转换单元201将交流直流变换模块10整流得到的包含脉动电压的直流侧电压vdc，转换为交流电压，交流电压进过隔离单元202的隔离后，再经整流单元203进行整流，得到可控的电压vcon，即dc/dc变换器的输出电压。

在本实用新型的一实施例中，可以通过控制隔离单元202中半导体开关的占空比或者开关频率实现输出电压vcon的变化。

图3示出了本实用新型实施例提供的ac/dc变换电路中直流交流转换单元201的电路结构，为便于描述，仅示出了与本实用新型实施例相关的部分，详述如下：

在本实用新型的一实施例中，如图3所示，直流交流转换单元201，包括：

第一开关管s1、第二开关管s2及第一电容c1；

第一开关管s1的漏极为直流交流转换单元201的第一端①，第一开关管s1的源极与

第二开关管s2的漏极共接于第一电容c1的第一端①，第一电容c1的第二端②为直流交流转换单元201的第二端②，第二开关管s2的源极为直流交流转换单元201的第三端③。

在本实用新型实施例中，第一开关管s1和第二开关管s2将交流直流变换模块10整流得到的包含脉动电压vc的直流侧电压vdc转换为交流电压，第一电容c1对转换得到的交流电压进行整流。

图4示出了本实用新型实施例提供的ac/dc变换电路中隔离单元202的电路结构，为便于说明，仅示出了与本实用新型实施例相关的部分，详述如下：

在本实用新型的一实施例中，如图4所示，隔离单元202包括：

第一电感l1、变压器xfm及第二电感l2；

第一电感l1的第一端①为隔离单元202的第一端①，第一电感l1的第二端②连接变压器xfm原边的第一端①，变压器xfm副边的第一端①连接第二电感l2的第一端①，第二电感l2的第二端②与变压器xfm副边的第二端②分别为隔离单元202的第二端②和第三端③，变压器xfm原边的第二端②为隔离单元202的第四端④。

在本实用新型实施例中，第一电感l1和第二电感l2可以外加的电感，以实现软开关工作，提高效率。另外，由于变压器xfm的隔离作用，可将dc/dc变换器(即脉动电压抵消模块20)的正极或者负极连接到ac/dc直流侧的任意一点。

在本实用新型的一实施例中，第一电感l1和/或第二电感l2为变压器xfm的漏感，此时第一电感l1和第二电感l2同样可以实现软开关工作，提高效率。

图5示出了本实用新型实施例提供的ac/dc变换电路中整流单元203的电路结构，为便于说明，仅示出了与本实用新型实施例相关的部分，详述如下：

在本实用新型的一实施例中，如图5所示，整流单元203包括：

第三开关管s3、第四开关管s4、第二电容c2及第三电容c3；

第二电容c2的第一端①及第三电容c3的第一端①共接形成整流单元203的第一端①，第三开关管s3的源极及第四开关管s4的漏极共接形成整流单元203的第二端②，第四开关管s4的源极与第三电容c3的第二端②共接形成整流单元203的第三端③，第三开关管s3的漏极与第二电容c2的第二端②共接形成整流单元203的第四端④。

在本实用新型实施例中，第三开关管s3、第四开关管s4、第二电容c2及第三电容c3对交流电压进行整流后得到一个可控的电压vcon，即dc/dc变换器的输出电压。

图6示出了本实用新型实施例提供的ac/dc变换电路的另一模块结构，为便于说明，仅示出了与本实用新型实施例相关的部分，详述如下：

在本实用新型的一实施例中，如图6所示，ac/dc变换电路在上述模块结构的基础上，还包括：

emi滤波器30，用于抑制电网1中的高频干扰；

emi滤波器30的第一端①和第二端②分别连接电网1的第一端①和第二端②，emi滤波器30的第三端③和第四端④分别连接交流直流变换模块10的第一端①和第二端②。

在本实用新型实施例中，emi滤波器30可以消除电网1中的高频干扰。

图7示出了本实用新型实施例提供的ac/dc变换电路中交流直流变换模块10的电路结构，为便于说明，仅示出了与本实用新型实施例相关的部分，详述如下：

在本实用新型的一实施例中，如图7所示，交流直流变换模块10包括：

第一二极管d1、第二二极管d2、第三二极管d3、第四二极管d4及第五二极管d5、第五开关管s5及第三电感l3；

第一二极管d1的正极与第二二极管d2的负极共接形成交流直流变换模块10的第一端①，第三二极管d3的正极与第四二极管d4的负极共接形成交流直流变换模块10的第二端②，第一二极管d1的负极与第三二极管d3的负极共接于第三电感l3的第一端①，第三电感l3的第二端②与第五开关管s5的源极共接于第五二极管d5的正极，第五二极管d5的负极为交流直流变换模块10的第三端③，第二二极管d2的负极、第四二极管d4的负极及第五开关管s5的漏极共接形成交流直流变换模块10的第四端④。

在本实用新型实施例中，第一二极管d1、第二二极管d2、第三二极管d3、第四二极管d4及第五二极管d5、第五开关管s5及第三电感l3实现对电网交流电vin的整流。

图8示出了本实用新型实施例提供的应用本实用新型后的仿真波形，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：

如图8所示，从上到下依次分别是负载电流io、负载电压vo及dc/dc变换器的输出电压的仿真波形，纵坐标单位分别为安培(a)，伏特(v)，伏特(v)，横坐标单位均为秒。

从图8可以看出，在0.1秒处，串联的dc/dc变换器启动，0.1秒后的负载2上的脉动电流，相较于0.1秒之前负载2上的纹波电流大幅降低。

以下结合本实用新型实施例中ac/dc变换电路的工作原理，对本实用新型进行简要阐述：

参见图1(a)-图7，电网交流电vin经过emi滤波器30后输入到由第一二极管d1、第二二极管d2、第三二极管d3及第四二极管d4组成的全桥整流器后，得到包含脉动电压vc的直流测电压，当第五开关管s5导通时，第三电感l3中的电流上升；当第五开关管s5断开时，第五二极管d5续流，给直流侧电容cdc充电，第三电感l3中的电流下降。调节第五开关管s5的门极信号占空比，可以使得电网1的交流输入电流控制成正弦波，以满足交流测谐波的要求。

直流侧电容cdc的直流测电压，包含了两倍于电网1频率的纹波(即脉动电压vc)，这样的纹波如果加到负载2两端，负载2中将会流过很大的脉动电流。dc/dc变换器的作用是将纹波电压串联到负载2支路上，使得负载2支路上的脉动电压vc与直流侧电容cdc的脉动电压vc相互抵消，从而抑制负载2中的电流纹波。

另外，dc/dc变换器的输入侧接ac/dc的直流侧，输出侧与负载2串联，这里的dc/dc变换器是一个双向变换器，通过高频变压器xfm隔离。dc/dc变换器的输出电压与原边隔离，因此它的输出可以与电池进行串联连接。变压器xfm原边开关管将ac/dc的输出直流侧电压vdc转换成高频交流电压，通过变压器xfm降压后，再由副边开关管整流成一个较低的直流电压。副边整流后的输出电压(即电压信号指令)被控制成一个带有直流电压分量(即直流偏置电压vb)和两倍于电网1频率电压分量的脉动电压。其中的脉动电压用于抵消直流测电容的脉动电压vc，使得ac/dc输出的脉动电流全部由直流侧电容cdc提供，将负载2的电流脉动分量控制成接近于零。

由于dc/dc变换器的输出电压只需抵消直流侧的脉动电压vc，因此，这个dc/dc变换器的容量是负载功率的很小一部分。为了实现脉动电压vc的准确控制，这个dc/dc变换器的控制带宽需要比两倍于电网1频率(100赫兹或120赫兹)高出50倍以上，以实现小的控制误差。

综上所述，在本实用新型实施例中，交流直流变换模块10对电网交流电vin进行整流，得到包含脉动电压vc的直流侧电压vdc；串联在负载2支路上的脉动电压抵消模块20将脉动电压vc与一直流偏置电压vb的和作为脉动电压抵消模块20的电压指令信号，控制脉动电压抵消模块20的输出电压跟踪电压指令信号，以抵消负载2上的脉动电压vc，直流偏置电压vb大于脉动电压vc的振幅。本实用新型实施例，仅需要在负载2支路上串联脉动电压抵消模块20，对负载2上的脉动电压vc进行跟踪，因此，能够在消除负载2上脉动电压vc的同时，降低ac/dc变换电路的成本和体积。

以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。