[发明专利]一种消除工频纹波的AC/DC变换方法

说明书

【技术领域】

本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种消除工频纹波的AC/DC变换方法。

【背景技术】

目前，包括最简单的二极管整流电路以及较为复杂的无桥PFC变换在内的所有AD/DC变换，均采用在其直流输出侧并联大容量电容的无源滤波方式，以减少工频倍频纹波，给负载提供一个较为平稳的输出。

然而，现有技术存在以下问题：

一、大容量滤波电容只能减少工频纹波，并不能消除工频纹波。在对工频纹波有较高要求的场合，如果采用加大滤波电容容量的方法将迅速增加成本，如果采用后级功率变换调节的方法也将增加成本并降低效率。

二、由于大容量滤波电容储能很大，在开机瞬间可能引起较大的冲击电流，降低了可靠性；如果采用软启动电路，将增加成本、降低效率。

三、目前大容量滤波电容多采用电解电容，由于器件本身的原因，损耗很大，降低了效率；电解电容的耐温性能和耐冲击电流性能很差，是功率电子产品中最容易损坏的元件之一，降低了可靠性；电解电容的寿命较短，且随环境温度的升高迅速恶化，已经成为业界最头疼的问题之一。

由于以上原因，业内已经出现若干不使用大容量电解电容的方案，还有若干针对LED这样的特定负载的无电解电容的方案，但是这些方案要吗是牺牲了输入侧的PFC性能，要吗是牺牲了输出侧的纹波性能，或者将工频纹波以高频纹波的方式体现，有的方案确实在一定程度上减少了工频纹波，但是远没有消除，并没有使因交流电过零能量缺失所产生工频纹波低谷得到充分的补偿。

【发明内容】

本发明一种消除工频纹波的AC/DC变换方法是：在AC/DC变换总功率通道IN之后分离为两个功率通道：主功率通道和辅功率通道；其中主功率通道是一个主功率变换单元，辅功率通道依次为一个储能变换单元、一个储能电容和一个填谷变换单元；两个功率通道最后在总输出端OUT处汇合。

所述主功率变换单元实施尽量满足要求的控制、输出主要功率，在其输入侧留下功率富裕、输出侧留下工频纹波低谷；所述储能变换单元实施与所述主功率变换单元输入侧互补的功率控制、利用所述功率富裕给储能电容储能，所述填谷变换单元实施与所述主功率变换单元输出侧互补的功率控制、利用储能电容的释能填补所述工频纹波低谷；实现消除工频纹波的AC/DC变换。

由于本发明所述储能电容处于可控环境，与输出滤波完全分离，使得其储能和释能可以按照需要的工况运行。比如可以采用高压小容量电容储能，与常规滤波电容工况比较：一方面，由于电容储能与电压的平方成正比，电压的提高可以显著提高储能效能，大大减少了需要的电容容量；另一方面，储能电容的输出功率与电容的电压降直接有关，可以不像常规滤波电容那样受输出纹波波幅的限制，而是更大幅度地释放能量，显著提高了释能效能，进一步显著减少了需要的电容容量；同时，电容能量释放是受控的，由所述填谷变换单元根据纹波波谷位置和大小确定，避免了常规滤波电容那样在输出纹波的峰值后的下降沿不需要释能时就开始释能、待到谷底最需要释能时已经无法释能的不利工况，更进一步减少了需要的电容容量。事实上，采用本发明所述方法，所述储能电容的能量几乎是全部被利用到最需要的场合。本发明所述储能电容也可以采用与输出电压相同或不同电压等级的电解电容，所需容量大幅度减少并能消除工频纹波。并且，本发明所述储能电容也可以采用诸如超级法拉电容这样的储能元件，利用器件特性优势获得降低成本、改善性能的效果。

本发明所述主功率变换单元实施尽量满足要求的控制是指：在其输入侧要满足总传输功率的控制要求，必要时也应能够满足功率因素矫正(PFC)的控制要求，在其输出侧要满足输出电压或者电流控制要求。对所述主功率变换单元而言，要同时满足上述控制要求，一方面必然会产生不能由自身转移的功率富裕，这部分能量由辅功率通道转移到储能电容；另一方面也必然会在其输出侧产生因交流电过零能量缺失所形成的工频纹波低谷，这部分能量缺失由填谷变换单元用取自储能电容的能量予以填补。由于有总传输功率的控制要求，这两部分能量是平衡的，输出纹波低谷被充分填补。

本发明所述主功率变换单元实施尽量满足要求的控制还包括：在主功率变换单元和填谷变换单元同时向负载输出能量的情况下，要满足主辅控制要求，即以主功率变换单元为主、填谷功率单元为辅的功率分配控制策略。