一种开关电源及填谷电路发明专利

专利名称：一种开关电源及填谷电路

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202111562900.1

专利申请（专利权）人：广州金升阳科技有限公司
权利人地址：广东省广州市黄埔区南云四路8号

专利发明（设计）人：请求不公布姓名,请求不公布姓名,请求不公布姓名

专利摘要：本发明设计开关电源领域，公开了一种开关电源及填谷电路，其中，开关电源包括第一储能单元、第二储能单元、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第一开关、第二开关、第一绕组、第二绕组。本发明可适用于宽电压输入的开关电源领域，当输入电压为低电压输入时，控制第一开关和第二开关导通，在输入电压为高电压输入时，控制第一开关和第二开关关断。所述储能单元为电容时，本发明开关电源可以为不同范围的输入电压提供合适的滤波容量，且可以提高高压输入时的PF值和解决低压输入时大电容输出电压起伏波动大和冲击电流的问题，同时减小系统体积，降低成本。

主权利要求：
1.一种开关电源，包括：主功率电路以及填谷电路，所述主功率电路具有第一绕组、第二绕组、第一开关管以及第二开关管；其特征在于，所述填谷电路具有第一储能单元、第二储能单元、二极管以及第三开关管；
所述第一储能单元的正极用于与所述开关电源的正输入端连接，且所述第一储能单元的正极和所述第一绕组的第一端连接，所述第一储能单元的负极分别连接所述第一开关管的源极、所述二极管的阳极和所述第三开关管的漏极；所述第一绕组的第二端与所述第一开关管的漏极连接；所述二极管的阴极连接所述第二储能单元的正极和所述第二绕组的第一端，所述第二绕组的第二端与第二开关管的漏极相连接；所述第二储能单元的负极分别与第二开关管的源极和第三开关管的源极相连并接入地。
2.一种开关电源，包括：主功率电路以及填谷电路，所述主功率电路具有第一绕组、第二绕组、第一开关管以及第二开关管，其特征在于，所述填谷电路具有第一储能单元、第二储能单元、二极管以及第三开关管；
所述第一储能单元的正极用于与所述开关电源的正输入端连接，且所述第一储能单元的正极和所述第一绕组的第一端、所述第三开关管的漏极连接，所述第一储能单元的负极连接所述第一开关管的源极和所述二极管的阳极，第一绕组的第二端与所述第一开关管的漏极相连接，所述二极管的阴极分别连接所述第二储能单元的正极、所述第三开关管的源极和所述第二绕组的第一端，所述第二绕组的第二端和所述第二开关管的漏极相连接，所述第二储能单元的负极和所述第二开关管的源极相连接并接入地。
3.根据权利要求1至2任一项所述开关电源，其特征在于，所述第三开关管为MOS管、继电器、三极管、晶闸管或IGBT；第一储能单元和第二储能单元为参数均一致的储能器件。
4.一种开关电源，包括：主功率电路以及填谷电路，所述主功率电路具有第一绕组、第二绕组、第一开关管以及第二开关管，其特征在于，所述填谷电路具有第一储能单元、第二储能单元、二极管、第三开关管以及第四开关管；
所述第一储能单元的正极用于与所述开关电源的正输入端连接，且所述第一储能单元的正极分别与所述第一绕组的第一端和所述第四开关管的漏极连接，所述第一储能单元的负极分别连接所述第三开关管的漏极、所述第一开关管的源极和所述二极管的阳极；所述第一绕组的第二端和所述第一开关管的漏极相连接，所述二极管的阴极分别连接所述第二储能单元的正极、所述第四开关管的源极和所述第二绕组的第一端，所述第二绕组的第二端和所述第二开关管的漏极相连接，所述第三开关管的源极分别与所述第二储能单元的负极和所述第二开关管的源极相连接并接入地。
5.根据权利要求4所述开关电源，其特征在于，所述开关电源工作时，所述第三开关管和所述第二开关管同时开通和关断。
6.根据权利要求4所述开关电源，其特征在于，第三开关管和第二开关管分别为MOS管、继电器、三极管、晶闸管或IGBT；第一储能单元和第二储能单元为参数均一致的储能器件。
7.一种填谷电路，用于开关电源中，所述开关电源具有主功率电路，所述主功率电路具有第一绕组、第二绕组、与所述第一绕组串联连接的第一开关管以及与所述第二绕组串联连接的第二开关管，其特征在于，所述填谷电路具有第一储能单元、第二储能单元、二极管、第三开关管以及第四开关管；
所述第一储能单元并联在由所述第一绕组和所述第一开关管组成的串联支路的两端，且所述第一储能单元的正极用于与所述开关电源的正输入端连接；
所述第二储能单元并联在由所述第二绕组和所述第二开关管组成的串联支路的两端；
所述二极管的阳极连接所述第一储能单元的负极，所述二极管的阴极连接所述第二绕组的一端和所述第二储能单元的正极；
所述第三开关管的漏极连接所述第一储能单元的负极，所述第三开关管的源极连接所述第二储能单元的负极并接入地；
所述第四开关管的漏极连接所述第一储能单元的正极，所述第四开关管的源极连接所述第二绕组的一端。
8.一种开关电源，包括：主功率电路以及填谷电路，所述主功率电路具有第一绕组、第二绕组、第三绕组、第一开关管、第二开关管以及第三开关管；
所述填谷电路具有第一储能单元、第二储能单元、第三储能单元、第一二极管、第二二极管、第四开关管、第五开关管、第六开关管以及第七开关管；
所述第一储能单元的正极用于与所述开关电源的正输入端连接，且所述第一储能单元的正极分别连接所述第一绕组的第一端、所述第五开关管的漏极和所述第七开关管的漏极，所述第一储能单元的负极连接所述第四开关管的漏极、所述第一开关管的源极和所述第一二极管的阳极；
所述第一绕组第二端和所述第一开关管的漏极相连接，所述第一二极管的阴极分别连接所述第二储能单元的正极、所述第二绕组的第一端和所述第五开关管的源极；
所述第二绕组的第二端和所述第二开关管的漏极相连接，所述第二储能单元的负极分别与所述第二二极管的阳极、所述第二开关管的源极以及所述第六开关管的漏极相连；
所述第二二极管的阴极分别与所述第三储能单元的正极、所述第七开关管的源极、所述第三绕组的第一端连接，所述第三绕组的第二端与所述第三开关管的漏极相连接，所述第三开关管的源极和所述第三储能单元的负极、所述第六开关管的源极以及所述第四开关管的源极相连接并接入地。
9.根据权利要求8所述开关电源，其特征在于，还设有与所述填谷电路并联的另一填谷电路。 说明书 : 一种开关电源及填谷电路技术领域[0001] 本发明涉及开关电源领域，尤其涉及宽电压输入的开关电源及填谷电路。背景技术[0002] 工业与民用领域中都经常需要将各种电网的交流电整流为直流电，为了让开关电源满足全球电网标准就需要将开关电源的输入电压设计为满足宽范围输入电压要求，这样不仅给电源设计带来了难度，而且增加了电路中无源器件的选型规格，增加了电路的体积和重量，同时也会带来较大的成本压力，开关电源的输入部分通常由桥式整流电路和滤波电容构成，二者均为非线性器件，由于大容量电容的存在，使得桥式整流电路中的二极管的导通角变得很窄，仅在交流电压输入的峰值部分才会导通，导致交流输入电流发生严重失真，变成尖峰脉冲，这种电流波形中包含大量的谐波分量，不仅会对电网造成影响，而且使得有功功率和功率因数大幅度降低。且当开关电源的主功率电路使用双管串联方案时，存在主功率开关管瞬态不均压现象。[0003] 请参考图1，图1为现有的开关电源中的填谷电路与主功率电路的连接图，其中，填谷电路包括电容C1、电容C2、二极管D1、二极管D2、二极管D3、开关S1以及开关S2；主功率电路包括依序串联连接的第一绕组L1、第一开关管Q3、第二绕组L2以及第二开关管Q4。[0004] 传统的开关电源具有的串联充电，并联放电的特点，即在高压输入条件下，开关S1和及开关S2关断，电容C1和电容C2组成串联回路进行充电；在低压输入条件下，开关S1和及开关S2导通，电容C1和电容C2并联给负载放电，如此，不但使得高压输入时功率因数(PF值)提高，且可有效减小低压输入时输出电压起伏的波动大的问题和抑制冲击电流。然而该开关电源存在的缺陷为：由于开关电源的主功率电路使用多管串联方案，在开关电源瞬态工作的场合(如短路情况)，第一开关管Q3和第二开关管Q4会出现不均压的情况。发明内容[0005] 有鉴于此，本发明主要可用于解决主功率使用多管串联的开关电源在工作中尤其是瞬态工作中主功率开关管不均压问题，本发明目的是通过以下技术方案实现的：[0006] 第一种方案：一种开关电源，包括：主功率电路以及填谷电路，所述主功率电路具有第一绕组、第二绕组、第一开关管以及第二开关管；[0007] 所述填谷电路具有第一储能单元、第二储能单元、二极管以及第三开关管；[0008] 所述第一储能单元的正极用于与所述开关电源的正输入端连接，且所述第一储能单元的正极和所述第一绕组的第一端连接，所述第一储能单元的负极分别连接所述第一开关管的源极、所述二极管的阳极和所述第三开关管的漏极；所述第一绕组的第二端与所述第一开关管的漏极连接；所述二极管的阴极连接所述第二储能单元的正极和所述第二绕组的第一端，所述第二绕组的第二端与第二开关管的漏极相连接；所述第二储能单元的负极分别与第二开关管的源极和第三开关管的源极相连并接入地。[0009] 第二种方案：一种开关电源，包括：主功率电路以及填谷电路，所述主功率电路具有第一绕组、第二绕组、第一开关管以及第二开关管，[0010] 所述填谷电路具有第一储能单元、第二储能单元、二极管以及第三开关管；[0011] 所述第一储能单元的正极用于与所述开关电源的正输入端连接，且所述第一储能单元的正极和所述第一绕组的第一端、所述第三开关管的漏极连接，所述第一储能单元的负极连接所述第一开关管的源极和所述二极管的阳极，第一绕组的第二端与所述第一开关管的漏极相连接，所述二极管的阴极分别连接所述第二储能单元的正极、所述第三开关管的源极和所述第二绕组的第一端，所述第二绕组的第二端和所述第二开关管的漏极相连接，所述第二储能单元的负极和所述第二开关管的源极相连接并接入地。[0012] 优选地，所述第三开关管为MOS管、继电器、三极管、晶闸管或IGBT；第一储能单元和第二储能单元为参数均一致的储能器件。[0013] 第三种方案：一种开关电源，包括：主功率电路以及填谷电路，所述主功率电路具有第一绕组、第二绕组、第一开关管以及第二开关管；[0014] 所述填谷电路具有第一储能单元、第二储能单元、二极管、第三开关管以及第四开关管；[0015] 所述第一储能单元的正极用于与所述开关电源的正输入端连接，且所述第一储能单元的正极分别与所述第一绕组的第一端和所述第四开关管的漏极连接，所述第一储能单元的负极分别连接所述第三开关管的漏极、所述第一开关管的源极和所述二极管的阳极；所述第一绕组的第二端和所述第一开关管的漏极相连接，所述二极管的阴极分别连接所述第二储能单元的正极、所述第四开关管的源极和所述第二绕组的第一端，所述第二绕组的第二端和所述第二开关管的漏极相连接，所述第三开关管的源极分别与所述第二储能单元的负极和所述第二开关管的源极相连接并接入地。[0016] 在一实施例中，所述开关电源工作时，所述第三开关管和所述第二开关管同时开通和关断。[0017] 第四种方案：一种开关电源，包括：主功率电路以及填谷电路，所述主功率电路具有第一绕组，第二绕组、第三绕组、第一开关管、第二开关管、第三开关管；[0018] 所述填谷电路具有第一储能单元、第二储能单元、第三储能单元、第一二极管、第二二极管、第四开关管、第五开关管、第六开关管以及第七开关管；[0019] 所述第一储能单元的正极用于与所述开关电源的正输入端连接，且所述第一储能单元的正极分别连接所述第一绕组的第一端、所述第五开关管的漏极和所述第七开关管的漏极，所述第一储能单元的负极连接所述第四开关管的漏极、所述第一开关管的源极和所述第一二极管的阳极；[0020] 所述第一绕组第二端和所述第一开关管的漏极相连接，所述第一二极管的阴极分别连接所述第二储能单元的正极、所述第二绕组的第一端和所述第五开关管的源极；[0021] 所述第二绕组的第二端和所述第二开关管的漏极相连接，所述第二储能单元的负极分别与所述第二二极管的阳极、所述第二开关管的源极以及所述第六开关管的漏极相连；[0022] 所述第二二极管的阴极分别与所述第三储能单元的正极、所述第七开关管的源极、所述第三绕组的第一端连接，所述第三绕组的第二端与所述第三开关管的漏极相连接，所述第三开关管的源极和所述第三储能单元的负极、所述第六开关管的源极以及所述第四开关管的源极相连接并接入地。[0023] 在一实施例中，所述开关电源还设有与所述填谷电路并联的另一填谷电路。[0024] 第五种方案：提供一种填谷电路，用于开关电源中，所述开关电源具有主功率电路，所述主功率电路具有第一绕组、第二绕组、与所述第一绕组串联连接的第一开关管以及与所述第二绕组串联连接的第二开关管；所述填谷电路具有第一储能单元、第二储能单元、二极管、第三开关管以及第四开关管；[0025] 所述第一储能单元并联在由所述第一绕组和所述第一开关管组成的串联支路的两端，且所述第一储能单元的正极用于与所述开关电源的正输入端连接；[0026] 所述第二储能单元并联在由所述第二绕组和所述二开关管组成的串联支路的两端；[0027] 所述二极管的阳极连接所述第一储能单元的负极，所述第二极管的阴极连接所述第二绕组的一端和所述第二储能单元的正极；[0028] 所述第三开关管的漏极连接所述第一储能单元的负极，所述第三开关管的源极连接所述第二储能单元的负极并接入地；[0029] 所述第四开关管的漏极连接所述第一储能单元的正极，所述第四开关管的源极连接所述第二绕组的一端。[0030] 本发明的工作原理后面会结合具体实施例进行详细说明，此处不赘述，所述储能单元为电容时，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：[0031] 1、通过控制填谷电路中的开关管的导通与关断，可以调整接入主功率电路中的储能单元的总容量，能够为不同电压范围的输入电压提供合适的储能单元，并且解决原方案在高压瞬态电压应力不均的问题；适用于交流的宽压输入或光伏直流输入场合，有效降低了电路成本，提高了电路的可靠性；[0032] 2、在开关电源的输入电压为高压时，关断填谷电路中的开关管，此时两个储能单元以及主功率电路中的绕组为串联工作模式，可以降低对大电容耐压选型的要求，降低成本，同时由于减小了大电容容量，使得电容放电时电压下降更多，则可以增大整流桥的导通角，提高高压输入下的PF值；[0033] 3、在开关电源的输入电压为低压时，开通填谷电路中的开关管，此时两储能单元为并联的工作模式，电容容量增大，可以使得启机瞬间的冲击电流降低，同时解决低压输出电压起伏波动大的问题，减小系统体积，降低成本。附图说明[0034] 图1为为现有的开关电源中的填谷电路与主功率电路的连接图；[0035] 图2为本发明开关电源第一实施例的原理图；[0036] 图3为本发明开关电源第二实施例的原理图；[0037] 图4为本发明开关电源第三实施例的原理图；[0038] 图5为本发明开关电源第四实施例的原理图；[0039] 图6为本发明开关电源第五实施例的原理图。具体实施方式[0040] 第一实施例[0041] 图2为本发明开关电源第一实施例原理图，开关电源包括：主功率电路以及填谷电路。[0042] 主功率电路具有原边电路和副边电路(未图示)，原边电路包括：第一绕组L1、第二绕组L2、与第一绕组L1串联连接的第一开关管Q1以及与第二绕组L2串联连接的第二开关管Q2。[0043] 填谷电路具有第一储能单元C1、第二储能单元C2、二极管D1以及第三开关管Q3，本实施例中，第一储能单元C1和第二储能单元C2参数均一致的电容，以下将第一储能单元C1简称为电容C1，第二储能单元C2简称为电容C2；第一开关管Q1、第二开关管Q2和第三开关管Q3分别为MOS管。[0044] 电容C1的正极与开关电源的正输入端Vin+连接，且电容C1的正极和第一绕组L1的第一端连接，电容C1的负极分别连接第一开关管Q1的源极、二极管D1的阳极和第三开关管Q3的漏极；第一绕组L1的第二端与第一开关管Q1的漏极连接；二极管D1的阴极连接电容C2的正极和第二绕组L2的第一端，第二绕组L2的第二端与第二开关管Q2的漏极相连接；电容C2的负极分别与第二开关管Q2的源极和第三开关管Q3的源极相连并接入地。[0045] 本实施例中填谷电路的工作原理如下：[0046] 当从开关电源的正输入端Vin+输入的电压为高压时，控制第一开关管Q1关断，第三开关管Q3关断时，二极管D1导通，电容C1与电容C2为串联方式进行充电，电容C1与电容C2串联后，总容值降低，电容C1与电容C2串联后给后级供电时，其两端电压会下降更多，则可以增大整流二极管的导通角度，从而提高高压输入下的PF值，并且此时第一绕组L1与第一开关管Q1串联后与电容C1并联，并且此时第二绕组L2与第二开关管Q2串联后与电容C2并联，在开关电源工作过程中，第一开关管Q1和第二开关管Q2在稳态时通过第一电感L1和第二电感L2进行均压；且由于由第一绕组L1与第一开关管Q1串联组成的支路与电容C1并联，在短路过程中，第一开关管Q1可通过电容C1进行均压；同样地，由于由第二绕组L2与第二开关管Q2串联组成的支路与电容C2并联，在短路过程中，第二开关管Q2可通过电容C2进行均压。[0047] 在从开关电源的正输入端Vin+输入的电压为低压时，此时第三开关Q3导通，二极管D1处于截止状态，电容C1进行充电，电容C2经过第二电感L2耦合进行充电，此时，电容容量增大，电容C1和电容C2分别给后级第一电感L1和第二电感L2进行供电时，其两端电压不会因为容量不足而导致输出电压起伏波动大的问题，同时可以减小冲击电流，降低系统体积，节约成本。[0048] 第二实施例[0049] 图3为本发明开关电源的第二实施例原理图，与第一实施例相比，不同之处在于，本实施例的开关电源中的填谷电路的第三开关管Q3在高边进行控制。[0050] 填谷电路具有电容C1(第一储能单元)、电容C2(第二储能单元)、二极管D1以及第三开关管Q3。电容C1(第一储能单元)的正极用于与开关电源的正输入端连接，且电容C1的正极和第一绕组的第一端连接，电容C1的负极连接第一开关管Q1的源极和二极管D1的阳极，第一绕组L1的第二端与第一开关管Q1的漏极相连接，二极管D1的阴极分别连接电容C2(第二储能单元)的正极、第三开关管Q3的源极和第二绕组L2的第一端，第二绕组L2的第二端和第二开关管Q2的漏极相连接，电容C2的负极和第二开关管Q2的源极相连接并接入地GND。[0051] 本实施例中填谷电路的工作原理与第一实施例的区别为：在开关电源的正输入端Vin+输入的电压为低压时，第三开关管Q3导通，电容C2充电，电容C1经过第二电感L2耦合进行充电，第一绕组L1和第二绕组L2并联励磁为后级提供能量。[0052] 第三实施例[0053] 图4为本发明开关电源的第三实施例原理图，与第一实施例相比，不同之处在于，本实施例的开关电源中的填谷电路中还设有第四开关管Q4。[0054] 填谷电路具有电容C1(第一储能单元)、电容C2(第二储能单元)、二极管D1、第三开关管Q3以及第四开关管Q4。[0055] 电容C1的正极用于与开关电源的正输入端连接，且电容C1的正极分别与第一绕组L1的第一端和第四开关管Q4的漏极连接，电容C1的负极分别连接第三开关管Q3的漏极、第一开关管Q1的源极和二极管D1的阳极；第一绕组L1的第二端和第一开关管Q1的漏极相连接；二极管D1的阴极分别连接电容C2的正极、第四开关管Q4的源极和第二绕组L2的第一端，第二绕组L2的第二端和第二开关管Q2的漏极相连接，第三开关管Q3的源极分别与电容C2的负极和第二开关管Q2的源极相连接并接入地GND。[0056] 本实施例填谷电路的工作原理与第一实施例的区别为：在开关电源的正输入端Vin+输入的电压为低压时，第三开关管Q3和第四开关管Q4同时导通，电容C1和电容C2并联充电，第一绕组L1和第二绕组L2并联励磁为后级提供能量。[0057] 第四实施例[0058] 请参考图5，图5为本发明开关电源的第四实施例原理图，本实施例的开关电源包括主功率电路以及填谷电路。主功率电路具有第一绕组L1，第二绕组L2、第三绕组L3、第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3；填谷电路具有电容C1(第一储能单元)、电容C2(第二储能单元)、电容C3(第二储能单元)、第一二极管D1、第二二极管D2、第四开关管Q4、第五开关管Q5、第六开关管Q6以及第七开关管Q7。[0059] 电容C1的正极Vin+与开关电源的正输入端连接，且电容C1的正极分别连接第一绕组L1的第一端、第五开关管Q5的漏极和第七开关管Q7的漏极，电容C1的负极连接第四开关管Q4的漏极、第一开关管Q1的源极和第一二极管D1的阳极；第一绕组L1第二端和第一开关管Q1的漏极相连接，第一二极管D1的阴极分别连接电容C2的正极、第二绕组L2的第一端和第五开关管Q5的源极；第二绕组L2的第二端和第二开关管Q2的漏极相连接，电容C2的负极分别与第二二极管管D2的阳极、第二开关管Q2的源极以及第六开关管Q6的漏极相连；第二二极管D2的阴极分别与电容C3的阳极、第七开关管Q7的源极、第三绕组L3的第一端连接，第三绕组L3的第二端与第三开关管Q3的漏极相连接，第三开关管Q3的源极和电容C3的阴极、第六开关管Q6的源极以及第四开关管Q4的源极相连接并接入地。[0060] 本实施例的一种改进型填谷电路的工作原理与第二实施例的区别为：增加了第三绕组L3和第三开关管Q3，开关电源输入的电压为低压时，同时导通第四开关管Q4、第五开关管Q5、第六开关管Q6和第七开关管Q7，此时电容C1、电容C2和电容C3为并联充电工作状态，与实施例二相同；开关电源输入的电压为高压时，电容C1、电容C2、电容C3串联，提高耐压和PF值。[0061] 第五实施例[0062] 请参考图6所示，图6为发明开关电源第五实施例原理图，与第三实施例相比，本实施例进行级数拓展，设置了多级填谷电路，主功率电路增加了开关管Qn、Qn+1，绕组Ln、绕组Ln+1；填谷电路中增加了储能单元Cn、Cn+1，二极管D2、Dn，开关管Q5、Q6，Qn1和Qn2，,多级填谷电路其原理与实施例三、四相同。[0063] 以上仅是本发明的实施方式，需要特别指出的是，上述实施方式不应视为对本发明的限制，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

专利地区：广东

专利申请日期：2021-12-20

专利公开日期：2024-06-18

专利公告号：CN114337250B