一种图腾柱无桥电路及电源模组的制作方法

1.本发明实施例涉及电力电子技术领域，特别涉及一种图腾柱无桥电路及电源模组。


背景技术：

2.在能源转换系统中，电源的转换效率是评价系统的一个重要参数。与传统的功率转换电路相比，无桥电路可以消除部分或者全部二极管，从而降低电路的导通损耗，在高效能源转换上具有优势。而图腾柱无桥(totem-pole bridgeless)电路作为无桥电路的一种，具有电路结构简单和转换效率高等优点，近年来得到越来越普遍的应用。
3.在实现本发明实施例过程中，发明人发现以上相关技术中至少存在如下问题：目前，在图腾柱无桥电路数字控制的部分，控制单元需要通过模数转换器来采集交流输入电流信号，而采集的交流输入电流信号，由于电流采样器件还会产生一定的直流偏置电压，因此还需要对交流输入电流进行进一步的处理，才能够用于环路控制，现有的图腾柱无桥电路中通常需要占用控制器较多的资源实现电流采样，且难以解决直流偏置电压带来的误差问题。


技术实现要素：

4.本技术实施例提供了一种图腾柱无桥电路及电源模组。
5.本发明实施例的目的是通过如下技术方案实现的：
6.为解决上述技术问题，第一方面，本发明实施例中提供了一种图腾柱无桥电路，包括：电流采样单元，与所述图腾柱无桥电路的交流输入端连接，用于采集所述图腾柱无桥电路的交流输入电流并转换为电流采样信号；电流处理单元，其第一输入端与所述电流采样单元的输出端连接以获取所述电流采样信号，其第二输入端与所述电流采样单元的电源输入端连接以获取直流偏置电压，所述电流处理单元配置为将所述交流输入电流和所述直流偏置电压叠加以得到馒头波电流信号；桥臂单元，其输入端与交流电源连接，其输出端用于输出直流电；控制单元，包括模数转换器和控制器，所述模数转换器的输入端与所述电流处理单元的输出端连接，所述控制器与所述桥臂单元中的开关器件连接，所述控制单元配置为根据所述馒头波电流信号输出驱动信号至所述开关器件。
7.在一些实施例中，所述电流采样单元包括：霍尔传感器，其输入端与所述图腾柱无桥电路的交流输入端连接，其输出端与所述电流处理单元的第一输入端连接，其电源输入端与所述电流处理单元的第二输入端连接；偏置分压电路，其输入端与直流供电电源连接，其输出端与所述霍尔传感器的电源输入端连接。
8.在一些实施例中，所述电流采样单元包括：电流采样电阻，连接在所述交流电源和所述图腾柱无桥电路的交流输入端之间；隔离运放，其输入端与所述电流采样电阻连接，其输出端与所述电流处理单元的第一输入端连接，其电源输入端与所述电流处理单元的第二输入端连接；偏置分压电路，其输入端与直流供电电源连接，其输出端与所述隔离运放的电
源输入端连接。
9.在一些实施例中，所述偏置分压电路包括：串联的两个分压电阻，所述串联的两个分压电阻的一端与所述直流供电电源连接，且与霍尔传感器或者隔离运放的电源输入端连接，所述串联的两个分压电阻的另一端接地，所述电流处理单元的第二输入端连接在所述两个分压电阻之间的连接点；滤波电容，并联在所述串联的两个分压电阻的两端。
10.在一些实施例中，所述电流处理单元包括：运算放大器，其输出端与所述模数转换器连接；第一极性切换开关，其输入端与所述电流采样单元的输出端连接，所述第一极性切换开关的输出端配置为在所述交流电源输出正半周时与所述运算放大器的正向输入端连接、在所述交流电源输出负半周时与所述运算放大器的反向输入端连接；第二极性切换开关，其输入端与所述电流采样单元的电源输入端连接，所述第二极性切换开关的输出端配置为在所述交流电源输出正半周时与所述运算放大器的反向输入端连接、在所述交流电源输出负半周时与所述运算放大器的正向输入端连接。
11.在一些实施例中，所述图腾柱无桥电路还包括：电压采样单元，其输入端与所述图腾柱无桥电路的交流输入端连接，其第一输出端与所述第一极性切换开关的控制端连接，其第二输出端与所述第二极性切换开关的控制端连接。
12.在一些实施例中，所述图腾柱无桥电路还包括：电压采样单元，其第一输入端与所述电流采样单元的输出端连接，其第二输入端与所述电流采样单元的电源输入端连接，其第一输出端与所述第一极性切换开关的控制端连接，其第二输出端与所述第二极性切换开关的控制端连接。
13.在一些实施例中，所述图腾柱无桥电路还包括：快速过流保护单元，其输入端与所述运算放大器的输出端连接，其输出端与所述控制器的输入端连接。
14.在一些实施例中，所述控制单元还包括：功率因数校正电路，其输入端与所述模数转换器的输出端连接，其输出端与所述控制器连接。
15.为解决上述技术问题，第二方面，本发明实施例中提供了一种电源模组，其特征在于，包括：如第一方面所述的图腾柱无桥电路。
16.与现有技术相比，本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明实施例中提供了一种图腾柱无桥电路及电源模组，该图腾柱无桥电路包括电流采样单元、电流处理单元、桥臂单元和控制单元，控制单元包括模数转换器和控制器，电流处理单元通过电流采样单元获取电流采样信号，并获取电流采样单元的直流偏置电压，进而将所述电流采样信号和所述直流偏置电压叠加以得到馒头波电流信号，以使控制单元能够根据所述馒头波电流信号输出驱动信号至所述开关器件，从而实现电源模组内对电流的环路控制，且该电路结构简单、采样的电流误差小。
附图说明
17.一个或多个实施例中通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件/模块表示为类似的元件/模块，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。
18.图1是本发明实施例提供的一种图腾柱无桥电路的结构框图；
19.图2是本发明实施例提供的另一种图腾柱无桥电路的结构框图；
20.图3是图2所示电路中电流采样单元、电流处理单元、电压采样单元和快速过流保护单元的一种电路结构图；
21.图4是图2所示电路中电流采样单元、电流处理单元、电压采样单元和快速过流保护单元的另一种电路结构图；
22.图5是图2所示图腾柱无桥电路的一种电气连接结构图；
23.图6是图2所示电路中电流采样单元、电流处理单元、电压采样单元和快速过流保护单元的又一种电路结构图；
24.图7是图3所示电路中的采样波形图；
25.图8是本发明实施例提供的一种电源模组的结构图。
26.附图说明：100、图腾柱无桥电路；110、电流采样单元；120、电流处理单元；130、桥臂单元；140、控制单元；150、电压采样单元；160、快速过流保护单元；v
cs
、电流采样信号；hall sensor、霍尔传感器；v
dd
、直流供电电源；rs、电流采样电阻；u0、隔离运放；111、偏置分压电路；ac、交流电源；r1/r2、分压电阻；cs、滤波电容；v
cs_ref
、直流偏置电压；u1、运算放大器；s1、第一极性切换开关；s2、第二极性切换开关；adc、模数转换器；sr1、第一慢速开关管；sr2、第二慢速开关管；q1、第一快速开关管；q2、第二快速开关管；l1、输入电感；c1、输出滤波电容；r
l
、输出负载；cntlr、控制器；141、功率因数校正电路；v
oc_ref
、参考信号；v
ac
、交流输入电压；v
acl
、交流电源火线的电压；v
acn
、交流电源零线的电压；i
ac
、交流输入电流；i
ac_fb
、馒头波信号的电流；10、电源模组。
具体实施方式
27.下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
28.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
29.需要说明的是，如果不冲突，本发明实施例中的各个特征可以相互结合，均在本技术的保护范围之内。另外，虽然在装置示意图中进行了功能模块划分，但是在某些情况下，可以不同于装置中的模块划分。当一个元件被表述“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件，或者其间可以存在一个或多个居中的元件。
30.除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本说明书中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是用于限制本发明。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
31.此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
32.为了解决当前图腾柱无桥电路中由于电流采样器件的直流偏置电压带来的误差较大的问题，以及控制器对于采样的交流输入电流处理时占用处理器/控制器资源较多的
问题，本发明实施例提供了一种图腾柱无桥电路，该电路通过电流处理单元直接获取电流采样单元的直流偏置电压与电流采样单元采集到的电流采样信号进行叠加处理，减少直流偏置电流带来的误差，且处理后得到的馒头波信号可直接通过模数转换器输出至控制单元，控制单元不需要再对电流信号进行进一步处理，从而节约了控制单元中的处理资源。且由于控制单元中的模数转换器可直接接收馒头波信号进行处理，不需要采用采样范围比较宽的模数转换器。进一步地，电流处理单元输出的馒头波电流信号还可以直接用于快速过流保护等。
33.具体地，下面结合附图，对本发明实施例作进一步阐述。
34.本发明实施例提供了一种图腾柱无桥电路，请参见图1，其示出了本发明实施例提供的一种图腾柱无桥电路的结构框图，所述图腾柱无桥电路100包括：电流采样单元110、电流处理单元120、桥臂单元130、控制单元140。进一步地，请参见图2，其示出了本发明实施例提供的另一种图腾柱无桥电路的结构框图，所述图腾柱无桥电路100还可以包括：电压采样单元150、快速过流保护单元160。
35.本发明实施例提供的图腾柱无桥电路100，通过桥臂单元130将交流电源转换为直流电输出时，可通过电流采样单元110采集交流输入电流并转换为电流采样信号，电流采样信号经过电流处理单元120处理为馒头波信号后，可直接作为环路控制的调整参数，控制单元140可根据馒头波信号相应调整开关器件驱动信号，并将驱动信号发送至桥臂单元130实现闭环调整。同时，还可通过电压采样单元150采集交流输入电压以确定交流电源的工作周期，以使电流处理单元120相应调整输出信号的极性。此外，经过电流处理单元120处理后的信号还可以直接输入至快速过流保护单元160实现快速过流保护。
36.所述电流采样单元110，与所述图腾柱无桥电路100的交流输入端连接，用于采集所述图腾柱无桥电路100的交流输入电流i
ac
；需要说明的是，所述电流采样单元110除了可以采集所述图腾柱无桥电路100的交流输入电流i
ac
，还可以根据需要设置为可采集所述图腾柱无桥电路100的直流输出电流，和/或，设置为可采集所述图腾柱无桥电路100中任意一个单元的电流，例如，采集流经所述桥臂单元130的开关器件的电流，具体可根据实际对电流的采样需要进行设置。
37.具体地，请参见图3，其示出了图2所示图腾柱无桥电路中电流采样单元110、电流处理单元120、电压采样单元150和快速过流保护单元160的一种电路结构，如图3所示，所述电流采样单元110包括：霍尔传感器hall sensor和偏置分压电路111。其中，所述霍尔传感器hall sensor，其输入端与所述图腾柱无桥电路100的交流输入端连接，其输出端与所述电流处理单元120的第一输入端连接，其电源输入端与所述电流处理单元120的第二输入端连接；所述偏置分压电路111，其输入端与直流供电电源v
dd
连接，其输出端与所述霍尔传感器hall sensor的电源输入端连接。所述霍尔传感器hall sensor采集到交流输入电流i
ac
后，通过其输出端将交流输入电流i
ac
转换为电流采样信号v
cs
输出至电流处理单元120的第一输入端，电流处理单元120的第二输入端则还通过所述偏置分压电路111获取所述霍尔传感器hall sensor的直流偏置电压。
38.或者，请参见图4，其示出了图2所示图腾柱无桥电路中电流采样单元110、电流处理单元120、电压采样单元150和快速过流保护单元160的另一种电路结构，所述电流采样单元110包括：电流采样电阻rs、隔离运放u0、偏置分压电路111。其中，所述电流采样电阻rs，连
和所述第二快速开关管q2的反向恢复时间比所述第一慢速开关管sr1和所述第二慢速开关管sr2的反向恢复时间短。所述第一慢速开关管sr1和所述第二慢速开关管sr2的开关与交流电源ac的输出电压的频率同步。
44.且有，请继续参见图5，所述图腾柱无桥电路100还包括输入电感l1，其一端与交流电源ac连接，其另一端连接在所述第一快速开关管q1和所述第二快速开关管q2之间。且有，请继续参见图5，所述图腾柱无桥电路100还包括输出滤波电容c1和输出负载r
l
，所述输出滤波电容c1和所述输出负载r
l
分别并联在所述桥臂单元130的输出侧。
45.当在所述交流电源ac输出正半周的交流电时，输入电感l1、第一快速开关管q1、第一慢速开关管sr1可构成储能电路，交流电源ac对输入电感l1储能，且输出侧的输出滤波电容c1和输出负载r
l
也构成单独的电流回路；输入电感l1、第二快速开关管q2、第一慢速开关管sr1可构成续流电路，且输入电感l1对输出滤波电容c1和输出负载r
l
释放能量。而在所述交流电源ac输出负半周的交流电时，第二慢速开关管sr2、第二快速开关管q2、输入电感l1构成储能电路，交流电源ac对输入电感l1储能，且输出滤波电容c1对输出负载r
l
放电；第二慢速开关管sr2、第一快速开关管q1、输入电感l1构成续流电路，输入电感l1对负载端的输出滤波电容c1和输出负载r
l
释放能量。
46.所述控制单元140可通过输出驱动信号srl调整第一慢速开关管sr1的占空比和开关频率等，通过输出驱动信号srh调整第二慢速开关管sr2的占空比和开关频率等，通过输出驱动信号pwml调整第一快速开关管q1的占空比和开关频率等，通过输出驱动信号pwmh调整第二快速开关管q2的占空比和开关频率等。且有，所述第一慢速开关管sr1和所述第二慢速开关管sr2、所述第一快速开关管q1和所述第二快速开关管q2可以是晶闸管、mos管、igbt管等功率开关器件，且慢速开关管和快速开关管可以是相同类型/型号的开关管，也可以是不同类型、不同型号的开关管，具体可根据实际需要进行选择。
47.所述控制单元140，包括模数转换器adc和控制器cntlr，所述模数转换器adc的输入端与所述电流处理单元120的输出端连接，所述控制器cntlr与所述桥臂单元130中的开关器件连接，所述控制单元140配置为根据所述馒头波电流信号输出驱动信号至所述开关器件。所述控制单元140可结合交流电源的极性、过零点和软启控制等，输出驱动信号至所述桥臂单元130中的各个开关器件中实现调制。相较于现有技术中模数转换器adc还需要采集直流偏置电压的情况，在本发明实施例中，模数转换器adc仅需将整流后的馒头波信号转换为数字信号输出至控制器cntlr，因此，可选用采样范围较窄、精度不高的模数转换器，减少成本。
48.其中，所述控制单元140通过输出脉冲宽度调制(pulse width modulation，pwm)信号至如图5所述的第一慢速开关管sr1和第二慢速开关管sr2、第一快速开关管q1和所述第二快速开关管q2以实现功率调制。所述控制器cntlr配置为能够输出所述脉冲宽度调制信号的控制器件，其具有计算和判断的功能，可以是一个pid控制器，可以是一个微控制单元(micro controller unit，mcu)，具体可根据实际需要选择所述控制器cntlr的型号，不需要拘泥于本发明实施例的限定。
49.具体地，请继续参见图5，所述控制单元140还包括：功率因数校正(power factor correction，pfc)电路141，其输入端与所述模数转换器adc的输出端连接，其输出端与所述控制器cntlr连接。由于交流输入电压和交流输入电流一般为同相位运行，所述电流处理单
元120输出的不带直流偏置的馒头波信号可以直接用于功率因数校正电路141的环路控制。
50.所述电压采样单元150可通过采集交流输入电压或交流输入电流的极性作为控制所述第一极性切换开关s1和所述第二极性切换开关s2的控制信号。具体地，请分别参见图3和图6，其中，图6示出了图2所示图腾柱无桥电路中电流采样单元110、电流处理单元120、电压采样单元150和快速过流保护单元160的又一种电路结构。
51.当所述电压采样单元150通过采集交流输入电压的极性作为所述第一极性切换开关s1和所述第二极性切换开关s2的控制信号时，请参见图3，所述电压采样单元150，其输入端与所述图腾柱无桥电路100的交流输入端连接，其第一输出端与所述第一极性切换开关s1的控制端连接，其第二输出端与所述第二极性切换开关s2的控制端连接。其中，电压采样单元150通过第一输入端和第二输入端分别连接至交流电源ac的火线和零线，并通过第一输入端采集交流电源ac火线的电压v
acl
、通过第二输入端采集交流电源ac零线的电压v
acn
。
52.且有，在所述交流电源ac输出正半周时，请一并参见图7，其示出了图3所示电路中的采样波形图，其中，v
ac
为交流输入电压的波形，i
ac
为交流输入电流的波形，v
cs_ref
为直流偏置电压的波形，v
oc_ref
为比较器u3的参考信号的电压，i
ac_fb
为运算放大器u1输出的馒头波信号的电流的波形。可通过比较器u2检测到所述第一输入端的电压v
acl
高于所述第二输入端的电压v
acn
，此时，所述比较器u2极性输出polarity为正，所述第一极性切换开关s1和所述第二极性切换开关s2往上打，所述第一极性切换开关s1接通所述电流采样单元110的输出端和所述运算放大器u1的正向输入端，所述第二极性切换开关s2接通所述电流采样单元110的电源输入端和所述运算放大器u1的反向输入端，所述运算放大器u1将正弦波的电流采样信号v
cs
和直流偏置电压v
cs_ref
叠加后，输出如图7所示的正半周的馒头波电流信号。
53.而在所述交流电源ac输出负半周时，请继续参见图7，可通过比较器u2检测到所述第一输入端的电压v
acl
低于所述第二输入端的电压v
acn
，此时，所述比较器u2极性输出polarity为负，所述第一极性切换开关s1和所述第二极性切换开关s2往下打，所述第二极性切换开关s2接通所述电流采样单元110的输出端和所述运算放大器u1的正向输入端，所述第一极性切换开关s1接通所述电流采样单元110的电源输入端和所述运算放大器u1的反向输入端，所述运算放大器u1输出负半周的馒头波电流信号。
54.当所述电压采样单元150通过采集交流输入电流的极性作为所述第一极性切换开关s1和所述第二极性切换开关s2的控制信号时，请参见图6，所述电压采样单元150，其第一输入端与所述电流采样单元110的输出端连接，其第二输入端与所述电流采样单元110的电源输入端连接，其第一输出端与所述第一极性切换开关s1的控制端连接，其第二输出端与所述第二极性切换开关s2的控制端连接。
55.且有，在所述交流电源ac输出正半周时，请继续参见图7，可通过比较器u2检测到所述第一输入端的电压v
cs
高于所述第二输入端的电压v
cs_ref
，此时，所述比较器u2极性输出polarity为正，所述第一极性切换开关s1和所述第二极性切换开关s2往上打，所述第一极性切换开关s1接通所述电流采样单元110的输出端和所述运算放大器u1的正向输入端，所述第二极性切换开关s2接通所述电流采样单元110的电源输入端和所述运算放大器u1的反向输入端，所述运算放大器u1输出正半周的馒头波电流信号。
56.而在所述交流电源ac输出负半周时，请继续参见图7，可通过比较器u2检测到所述第一输入端的电压v
cs
低于所述第二输入端的电压v
cs_ref
，此时，所述比较器u2极性输出
polarity为负，所述第一极性切换开关s1和所述第二极性切换开关s2往下打，所述第二极性切换开关s2接通所述电流采样单元110的输出端和所述运算放大器u1的正向输入端，所述第一极性切换开关s1接通所述电流采样单元110的电源输入端和所述运算放大器u1的反向输入端，所述运算放大器u1输出负半周的馒头波电流信号。
57.请参见图3、图4、图6，所述快速过流保护单元160，其输入端与所述运算放大器u1的输出端连接，其输出端与所述控制器cntlr的输入端连接。所述运算放大器u1的输出的馒头波信号可直接用于输入过流保护，减少因模数转换器adc的采样带来的延时，实现快速过流保护。具体地，所述快速过流保护单元160包括比较器u3，所述运算放大器u1的输出端与比较器u3的正相输入端连接，比较器u3的反相输入端则输入参考信号v
oc_ref
。请一并参见图7，在运算放大器u1输出的馒头波信号i
ac_fb
的电平高于参考信号v
oc_ref
时，触发快速过流保护。
58.本发明实施例还提供了一种电源模组，请参见图8，其示出了本发明实施例提供的一种电源模组的结构，所述电源模组10包括图腾柱无桥电路100，所述图腾柱无桥电路100为图1至图6所示实施例中所述的图腾柱无桥电路100，具体请参见上述，此处不再详述。
59.所述电源模组10采用本发明实施例提供的图腾柱无桥电路100时，能够实现电流信号的快速、准确采集，实现电流环路控制的快速实现，还可以实现快速过流保护，且电路结构简单、成本较低。
60.本发明实施例中提供了一种图腾柱无桥电路及电源模组，该图腾柱无桥电路包括电流采样单元、电流处理单元、桥臂单元和控制单元，控制单元包括模数转换器和控制器，电流处理单元通过电流采样单元获取电流采样信号并获取电流采样单元的直流偏置电压，进而将所述电流采样信号和所述直流偏置电压叠加以得到馒头波电流信号，以使控制单元能够根据所述馒头波电流信号输出驱动信号至所述开关器件，从而实现电源模组内对电流的环路控制，且该电路结构简单、采样的电流误差小。
61.需要说明的是，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。
62.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其他变化，为了简明，它们没有在细节中提供；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。