一種帶apfc的半橋型功率變換器的製造方法

2023-08-08 12:14:31

一種帶apfc的半橋型功率變換器的製造方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種帶APFC的半橋型功率變換器，其由輸入電容(Cx)、PFC電感(Lx)、二極體(D1、D2)、開關管(Q1、Q2)、直流電容(Cd)、半橋電容(Cs1、Cs2)、檢流電阻(Rs)和過流過壓保護器(1)、差模共模濾波器(2)、控制器(3)、等效負載(4)組成。該變換器省去了整流橋，由單級半橋實現功率因數校正APFC和DC-AC變換，全部器件輪流對稱工作，功耗與散熱均衡，還有效降低了開關管(Q1、Q2)的電流應力和直流電容(Cd)的紋波電流。該變換器拓撲精巧、控制簡易，成本低、效率高、可靠性高。可廣泛用於100～127Vac交流輸入的電子鎮流器、LED驅動電源等開關功率變換器。
【專利說明】—種帶APFC的半橋型功率變換器
一、【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種帶APFC的半橋型功率變換器，是一種高頻電子開關變換器，屬於電力電子【技術領域】。
二、【背景技術】
[0002]目前，大功率節能燈電子鎮流器、LED驅動電源等開關功率變換器，一般要求高功率因數。功率因數校正電路分兩種，一種是被動型另一種是主動型。被動型功率因數校正電路(如填谷電路、電荷泵電路)結構較簡單，PF值在0.9以上，一般用於中小功率變換器。主動型功率因數校正電路(如Boost型APFC拓撲)結構與控制複雜，PF值在0.96以上，一般用於中大功率變換器。
[0003]電子鎮流器和LED驅動電源是電力電子技術的典型應用領域。不但要求變換器具有高功率因數，而且還有專業的性能指標要求。對於大功率節能燈電子鎮流器來說，燈電流的波峰係數是重要的專業性能指標之一，國標要求波峰係數λ <1.7;被動型功率因數校正電路很難滿足要求，尤其是在100?127Vac電網電壓的應用條件下。LED照明是新一代綠色照明，對LED驅動電源也就提出了更高的標準，一般要求功率因數在0.96以上；中大功率LED驅動電源大都採用兩級功率變換，即前級為主動型功率因數校正電路(多為Boost型APFC拓撲)，後級為DC-AC-DC變換(隔離或非隔離，恆流、恆壓或兼有之)。然而，Boost型APFC拓撲電路控制複雜、成本高，致使兩級功率變換電路的總成本高、總效率低，結構複雜、體積偏大，可靠性降低。
[0004]本實用新型的目的是，克服上述現有技術的不足，提供一種帶APFC的半橋型功率變換器，它適用於100?127Vac電壓輸入，由單級半橋電路完成DC-AC (或DC-AC-DC)變換，同時實現主動功率因數校正(APFC)。該變換器拓撲精巧、控制簡易，成本低、效率高、可靠性高。可廣泛用於100?127Vac輸入的電子鎮流器、LED驅動電源等開關功率變換器。
三、實用新型內容
[0005]本實用新型是這樣實現的:
[0006]一種帶APFC的半橋型功率變換器，如圖1所示。其由輸入電容(Cx)、PFC電感(Lx)、二極體(D1、D2)、開關管(Q1、Q2)、直流電容(Cd)、半橋電容(Csl、Cs2)和過流過壓保護器(I)、差模共模濾波器(2)、控制器(3)、等效負載(4)組成。
[0007]等效負載(4)如圖2所示，可以分為兩種情況。圖2(a)是電子鎮流器的等效負載原理圖，其由濾波兼諧振電感(Ls)、濾波兼諧振電容(Cp)和螢光燈管(RL)構成。圖2(b)是LED驅動電源的等效負載原理圖，其由變壓器初級繞組(Lp)、次級繞組(Lsl、Ls2)、整流二極體(Dol、Do2)、濾波電容(Co)和LED光源(Ro)組成。
[0008]該變換器各元器件的連接關係是:100?127Vac交流電源通過過流過壓保護器(I)、差模共模濾波器(2)連接輸入電容(Cx)。二極體(Dl)的陰極與直流電容(Cd)的一端相連作為節點Vd，二極體(D2)的陽極與直流電容(Cd)的另一端相連作為節點GND，二極體(Dl)的陽極與二極體(D2)的陰極相連作為節點Va。開關管(Ql)的漏極連接節點Vd;開關管(Q2)的源極連接節點GND;開關管(Ql)的源極與開關管(Q2)的漏極相連作為節點Vb。半橋電容(Csl)的一端連接節點Vd，半橋電容(Cs2)的一端連接節點GND，半橋電容(Csl、Cs2)的另一端相連作為節點Vc。輸入電容(Cx)的一端連接節點Va，輸入電容(Cx)的另一端連接PFC電感(Lx)的一端，PFC電感(Lx)的另一端連接節點Vb。兩個開關管(Ql、Q2)的柵極連接控制器(3)。等效負載(4)的一端連接節點Vb，等效負載(4)的另一端連接節點Vc。
[0009]半橋電容(Csl、Cs2)可以去掉其中的任一個，從而進一步簡化電路，但這樣會增大直流電容(Cd)的高頻紋波電流。
[0010]該變換器的工作原理簡述如下:
[0011]開關管(Q1、Q2)輪流對稱通斷，不但實現給等效負載(4)供電的DC-AC變換，而且配合二極體(D1、D2)完成了主動功率因數校正(APFC)。
[0012]在正弦交流輸入電源的正半周時，輸入電容(Cx)的電壓為上正下負，由開關管(Q2)和二極體(D2)實現主動功率因數校正。開關管(Ql)關斷、(Q2)導通時，輸入電容(Cx)通過開關管(Q2)和二極體(D2)給PFC電感(Lx)充電；同時，直流電容(Cd)串聯半橋電容(Csl)再並聯半橋電容(Cs2)通過開關管(Q2)給等效負載(4)放電。開關管(Q2)關斷、(Ql)導通時，PFC電感(Lx)的電流通過開關管(Ql)、二極體(D2)和輸入電容(Cx)給直流電容(Cd)充電；同時，直流電容(Cd)串聯半橋電容(Cs2)再並聯半橋電容(Csl)通過開關管(Ql)給等效負載(4)放電。
[0013]在正弦交流輸入電源的負半周時，輸入電容(Cx)的電壓為上負下F，由開關管(Ql)和二極體(Dl)實現主動功率因數校正。開關管(Q2)關斷、(Ql)導通時，輸入電容(Cx)通過二極體(Dl)和開關管(Ql)給PFC電感(Lx)充電；同時，直流電容(Cd)串聯半橋電容(Cs2)再並聯半橋電容(Csl)通過開關管(Ql)給等效負載(4)放電。開關管(Ql)關斷、(Q2)導通時，PFC電感(Lx)的電流通過二極體(Dl)、開關管(Q2)和輸入電容(Cx)給直流電容(Cd)充電；同時，直流電容(Cd)串聯半橋電容(Csl)再並聯半橋電容(Cs2)通過開關管(Q2)給等效負載(4)放電。
[0014]由上述分析可見:一、在開關管(Ql、Q2)輪流對稱通斷期間，通過開關管(Ql、Q2)給直流電容(Cd)的充電電流和放電電流有一部分相互抵消，不但降低了開關管(Q1、Q2)的電流應力，而且減小了直流電容(Cd)的紋波電流，這對於減小器件容量和提高效率有明顯優勢。二、由於死區時間(先關斷後導通的間隔時間)的存在，開關管(Q1、Q2)的導通佔空比略小於0.5,並且隨著開關頻率的提聞,有效佔空比減小。因此直流電容(Cd)的電壓不會高於2倍的正弦交流輸入電壓峰值，開關管的電壓應力也就不會太大。
[0015]在設計中要注意三點:第一，最好使PFC電感(Lx)工作於電流斷續模式(DCM)和臨界連續模式(CRM)，這樣有利於提高功率因數和效率。具體地說就是，在正弦輸入電壓峰值附近工作於CRM模式，而在波谷附近工作於DCM模式。第二，可以利用微調頻率控制(PFM)，進一步提高功率因數和穩定輸出功率。即:隨著輸入電壓平均值和瞬時值升高相應提高開關頻率，反之亦反。第三，最好加入直流電容(Cd)的過電壓檢測與保護，因為在燈管脫落或預熱啟動失敗時，直流電容(Cd)的電壓會升高。
[0016]該變換器的主要電量關係式:[0017]設在正弦交流輸入電壓(Vs)的峰值Vp處，PFC電感(Lx)的電流正好臨界連續。設開關管(Q1、Q2)的導通佔空比對稱且均為Dm，開關頻率為fs。
[0018]正弦交流輸入電壓(Vs)的峰值Vp為:
【權利要求】
1.一種帶APFC的半橋型功率變換器，其由輸入電容(Cx)、PFC電感(Lx)、二極體(D1、D2)、開關管(QU Q2)、直流電容(Cd)、半橋電容(CsU Cs2)和過流過壓保護器(I)、差模共模濾波器(2)、控制器(3)、等效負載(4)組成；100?127Vac交流電源通過過流過壓保護器(I)、差模共模濾波器(2)連接輸入電容(Cx);其特徵是:二極體(Dl)的陰極與直流電容(Cd)的一端相連作為節點Vd，二極體(D2)的陽極與直流電容(Cd)的另一端相連作為節點GND，二極體(Dl)的陽極與二極體(D2)的陰極相連作為節點Va;開關管(Ql)的漏極連接節點Vd;開關管(Q2)的源極連接節點GND;開關管(Ql)的源極與開關管(Q2)的漏極相連作為節點Vb;半橋電容(Csl)的一端連接節點Vd，半橋電容(Cs2)的一端連接節點GND，半橋電容(Csl、Cs2)的另一端相連作為節點Vc ;輸入電容(Cx)的一端連接節點Va，輸入電容(Cx)的另一端連接PFC電感(Lx)的一端，PFC電感(Lx)的另一端連接節點Vb ;兩個開關管(Q1、Q2)的柵極連接控制器(3);等效負載(4)的一端連接節點Vb，等效負載(4)的另一端連接節點Vc。
2.根據權利要求1所述的一種帶APFC的半橋型功率變換器，其特徵在於半橋電容(Csl、Cs2)可以去掉其中的任一個。
【文檔編號】H02M7/219GK203788181SQ201420198863
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年4月12日 優先權日:2014年4月12日
【發明者】張朝輝 申請人:張朝輝