基於llc串聯諧振的低電壓應力單級ac-dc變換器的製作方法

2023-04-26 06:54:31

專利名稱：基於llc串聯諧振的低電壓應力單級ac-dc變換器的製作方法
技術領域：
本發明涉及單級AC-DC變換器技術領域，具體涉及基於LLC串聯諧振的低電壓應力 單級AC-DC變換器。
背景技術：
目前LCD電源廣泛採用基於LLC串聯諧振的兩級AC-DC變換器，如圖1所示。在 這種方案中，變換器分為兩個獨立的功率傳輸級。第一級是功率因數校正級，通過特定的 控制策略使得輸入電流跟隨輸入電壓波形，使得輸入電流正弦化，提高功率因數，減少諧 波含量。同時控制電路還對輸出電壓進行反饋，對輸出電壓進行初調。第二級是基於LLC 串聯諧振的DC-DC變換級，第二級對第一級輸出電壓進行細調，並且所有開關管均實現 軟開關。兩級AC-DC變換器可以獲得良好的電氣性能，如高功率因數、良好的電壓調節 性能等。但是電路的元件數多，增加了成本和電路複雜性。
為降低兩級AC-DC變換器的成本，近年來提出了多種單級AC-DC變換器。單級AC-DC 變換器將功率因數校正級和DC-DC變換級結合成一級，共用開關管，如圖2所示的基於 LLC串聯諧振的單級AC-DC變換器。單級型AC-DC變換器在實現功率因數校正的同時， 不用增加功率開關器件數和控制電路就能實現輸出電壓快速調節，減少了開關器件，簡化 了電路的複雜性。 一般的單級AC-DC變換器通過調節一個開關變量就可以同時實現功率 因數校正和輸出電壓調節功能，但是開關管要承受比較高的電壓應力，不適用於寬輸入交 流電壓範圍的LCD電源。

發明內容
本發明的目的在於克服現有技術存在的上述不足，提供一種基於LLC串聯諧振的低電 壓應力單級AC-DC變換器，其由升降壓變換級和基於LLC串聯諧振的DC-DC變換級結 合而得。本發明通過如下技術方案實現
基於LLC串聯諧振的低電壓應力單級AC-DC變換器，其包括輸入濾波電路E，整流 橋g，電感丄，第一電容C，第二電容Cr，第三電容Co，第一開關管&，第二開關管&， 第一二扱管Am，第二二極體A)2和第三二極體A輸入濾波電路E與整流橋g構成輸入 整流濾波電路；電感L、第一開關管&、第三二極體Z)和第一電容C構成升降壓電路；第
一二極體A)"第二二極體A)2和第三電容Co構成輸出整流濾波電路；電感Z的一端與第 三二極體D的陰極、整流橋Q的共陰極連接；電感丄的另一端與電容C的一端、第一開
3關管&的漏極連接；第一電容C的另一端與第三二極體"的陽極連接，再與第二開關管 &的源極連接；第一開關管&的源極與整流橋2的共陽極連接，然後再與第二開關管& 的漏極連接。
上述的基於LLC串聯諧振的低電壓應力單級AC-DC變換器，所述第一開關管&和第 二開關管&均集成有體二極體和體電容；變壓器T集成有漏感^和勵磁電感Zw。
上述的基於LLC串聯諧振的低電壓應力單級AC-DC變換器，所述第一開關管&、第 二開關管&、第一電容C、第二電容Cr、變壓器T以及漏感^和勵磁電感丄n,構成LLC串 聯諧振逆變電路；升降壓電路與LLC串聯諧振逆變電路共用第一開關管&。
上述的基於LLC串聯諧振的低電壓應力單級AC-DC變換器，第一開關管&的漏極、 電感丄的一端與第一電容C的一端連接；第一開關管&的源極、第二開關管&的漏極與 第二電容Cr的一端連接，然後再與整流橋0的共陽極連接；第二開關管&的源極、第一 電容C的另一端與漏感"的一端連接，然後再與第三二極體"的陽極連接；第二電容Cr 的另 一端與變壓器T的同名端連接。
該電路通過控制第一開關管&的佔空比使得電感￡的電流不連續工作從而實現自動功 率因數校正的功能，同時實現第一電容C的端電壓升壓或降壓從而限制開關管的電壓應力 在安全工作範圍。該電路通過控制第一開關管&和第二開關管&的切換頻率來調節輸出電 壓。該電路採用LLC串聯諧振技術實現所有功率器件的軟開關。本發明實現輸入功率因數 校正，提高輸出電壓的調節範圍以及輸入交流電壓適用範圍，可以降低開關管的電壓應力， 實現所有功率器件的軟開關，提高轉換效率。
與現有技術相比本發明具有如下優點和效果本發明的基於LLC串聯諧振的低電壓 應力單級AC-DC變換器以電感丄的電流不連續工作模式實現自動功率因數校正的功能。 以電感L、第一開關管&、第三二極體D和第一電容C構成升降壓電路，當該電路工作於 降壓模式時第一電容C的端電壓低於輸入電壓^的幅值，從而可以降低第一電容C、第 一開關管&和第二開關管&的電壓應力。第一開關管&和第二開關管&、第一電容C和 第二電容G、變壓器T以及T集成的漏感i^和勵磁電感i^構成LLC串聯諧振逆變電路， 實現所有開關管的軟開關。升降壓電路與LLC串聯諧振逆變電路共用開關管&。本發明實 現輸入功率因數校正，並實現升壓和降壓功能，具有寬輸出電壓調節範圍，使用較少的開 關管，效率高，成本低，可用作LCD電源。


圖1是現有的基於LLC串聯諧振的兩級AC-DC變換器；
4圖2是現有的基於LLC串聯諧振的單級AC-DC變換器； 圖3是本發明的基於LLC串聯諧振的低電壓應力單級AC-DC變換器實例圖； 圖4a 圖4i是實施方式中一個開關周期內不同階段的工作過程圖； 圖5是本發明在一個開關周期內的工作波形； 圖6是本發明在工頻模式下的主要波形；
具體實施例方式
以下結合附圖對本發明的實施方式作進一步描述。
基於LLC串聯諧振的低電壓應力單級AC-DC變換器，包含
輸入濾波電路E，整流橋g，電感丄，電容C和Co，兩個開關管&和&， 二極體Z)、 Am和"02， A和d分別是開關管&集成的體二極體和體電容，D2和C2分別是開關管& 集成的體二極體和體電容，"和￡ 分別是變壓器T集成的漏感和勵磁電感；
輸入濾波電路E與整流橋g構成輸入整流濾波電路；
電感L、開關管&、 二極體Z)和電容C構成升降壓電路；
開關管&和&、電容C和C,、變壓器T以及T集成的漏感"和勵磁電感i^構成LLC 串聯諧振逆變電路；
二極體A^、 A)2和電容Co構成輸出整流濾波電路。
參考圖3，輸入交流電源通過濾波電路E和整流橋Q給AB端供電，AB端電壓為正 弦半波。電感L、開關管&、 二極體Z)和電容C構成升降壓電路。開關管&和&、電容C 和G、變壓器T以及T集成的漏感"和勵磁電感4構成LLC串聯諧振逆變電路。二極體 D01、 Z)o2和電容Q)構成輸出整流濾波電路。升降壓電路與LLC串聯諧振逆變電路共用開 關管&。電感丄的一端與二極體D的陰極、整流橋2的共陰極連接(A端)。電感￡的另 一端與電容C的一端、開關管&的漏極連接。電容C的另一端、二極體D的陽極、開關 管&的源極與漏感^的一端連接。開關管&的源極、&的漏極、電容G的一端與整流橋 g的共陽極(B端)連接。電容G的另一端與變壓器T的同名端連接。變壓器T的二次側
繞組M異名端與iV2同名端連接，然後與輸出端負極連接。M同名端與二極體DcM的陽極 連接。iV2異名端與二極體Do2的陽極連接。D(m的陰極與Do2的陰極連接，然後與輸出端
正極連接。A和Q分別是開關管&集成的體二極體和體電容，￡>2和<:2分別是開關管& 集成的體二極體和體電容，i^和丄M分別是變壓器T集成的漏感和勵磁電感。
圖4a 圖4i給出了本發明的電路工作過程，圖5給出了本發明在一個開關周期內的工 作波形，圖6給出本發明在工頻模式下的主要波形。(1)在一個開關周期內的電路工作過程，圖4a 圖4i分別對應如下各個階段
階段l (to h)， to時刻開關管&和&關斷，電感L的電流^與諧振電流&相等，
變壓器一次側電流^為零，輸出被變壓器隔離，輸出整流二極體D^和Do2反偏截止，輸 出電容C0放電並給負載供電。諧振電流&對&的體電容C2充電，同時為&的體電容d 放電。當d放電結束時，&上的體二極體01導通，階段l工作狀態結束。
階段2 (t廣t2): t!時亥U， &關斷，體二極體D!導通，為&的ZVS導通創造條件。此
時^H，電感4的反電動勢F^逐漸上升。t2，時刻FiW=wr0，此時輸出整流二極體Doj
導通，變壓器一次側電壓被鉗位在"&， i^在此電壓下線性充電，不參與諧振。當諧振電
流&上升至0時，階段2工作狀態結束。
階段3 (t2~t3): &在階段2時已加上門極驅動信號，在12時刻，諧振電流^由負變正
時，&正嚮導通，電感丄在輸入電壓^S下線性充電，輸出整流二極體D(M導通，變壓器 一次側電壓被鉗位在"Fo， An在此電壓下線性充電，不參與諧振，能量由電容C傳遞到
Fo。當/ta等於諧振電流&時，階段3結束。
階段4 (t3~t4): t3時亥lj， Z^等於諧振電流&， i^參與諧振，輸出整流二極體Dw反偏
截止，輸出電容Co放電並給負載供電。電感丄繼續在輸入電壓^s下線性充電。
階段5 (t4~t5): U時刻，&和&關斷，輸出整流二極體D(M和Do2反偏截止，輸出電
容Co放電並給負載供電，諧振電流&對體電容G充電，同時為體電容C2放電。電感i:
在電壓(^S-^:i)下充電。當Qt放電結束時，S2上的體二極體D2導通，階段5工作狀態結束。
階段6 (t5~t6): t5時刻，體二極體D2導通，為&的ZVS導通創造條件。電感丄在電
壓Fc下放電並給電容C充電。此時^=&"^，電感丄M的反電動勢Fto逐漸上升。V時刻 FL^-n&,此時輸出整流二極體Do2導通，變壓器一次側電壓被鉗位在-nFo， i^在此電壓 下反向線性充電，不參與諧振。當諧振電流&下降至0時，階段6工作狀態結束。
階段7(t6 t7): &在階段6時已加上門極驅動信號，在te時刻，諧振電流&由正變負
時，&正嚮導通，輸出整流二極體Do2導通，變壓器一次側電壓被鉗位在-"Fo，丄m在此電 壓下反向線性充電，不參與諧振，諧振電流流經4和變壓器一次側，傳遞能量至Fo。電 感丄在電壓rc下繼續放電並給儲能電容C/充電，當電感電流&下降到零時，D反偏截止， 階段7結束。
階段8 (t7~t8): t7時刻，電感電流/i下降到零時，D反偏截止，諧振電流繼續流經Zw
和變壓器一次側，傳遞能量至Fo。當i^等於諧振電流z;時，階段8結束。階段9(ts t9): ts時亥U， ^等於諧振電流&，丄附參與諧振，輸出整流二極體Do2反偏 截止，輸出電容Co放電並給負載供電。 (2)升降壓變換級的工作原理 t2 t4階段電感在輸入電壓F^下線性充電，電流的增量為
其中/)，是開關管&的導通佔空比，r是開關周期。
t4 t5階段電感在輸入電壓(^s-ra)下線性充電，電流的增量為:
△〔2 = f ^_FC"
(1)
t5 t6階段電感在輸入電壓Fc下線性放電，電流的增量為
「c &
(2)
(3)
其中Do^是電感丄放電的佔空比。
當電路工作於電感電流^斷續模式時，有""+A^-l""l。由於t4~t5階段時間非常
短，此階段電流/i的增量可以忽略，由此可得
^s的幅值等於電源K"的幅值，因此得
r朋 "OfF
(4)
KD, (5)
由式(5)可知當Aw〉D,時，當A^〈Z^^時，&<^。通過控制佔空比
可以對電容C的端電壓進行初調，而且減小佔空比Z)ow可以有效的控制電容C的端電壓低 於輸入電壓幅值，從而降低了開關管&和&的電壓應力。 (3)輸入功率因數校正原理
由於電感電流/i斷續，在MOSFET管&的每個導通階段&電流峰值與這個導通階段 輸入電壓Fc^ (Fc^叫F,"l)的平均值成比例，又因為每個導通階段的電壓平均值是正弦變 化的，所以輸入電流的峰值也是正弦變化的。而且電感電流脈衝總是從零開始，所以它們 的平均值也是正弦變化的，如圖6所示。所有交流電流脈衝組成了波形包含了 50或60Hz 頻率的基波和開關頻率分量，經過丄in、 Cin濾波電路E得正弦輸入電流/丄, 。
權利要求
1、基於LLC串聯諧振的低電壓應力單級AC-DC變換器，其特徵在於包括輸入濾波電路(E)，整流橋(Q)，電感(L)，第一電容(C)，第二電容(Cr)，第三電容(CO)，第一開關管(S1)，第二開關管(S2)，第一二極體(DO1)，第二二極體(DO2)和第三二極體(D)；輸入濾波電路(E)與整流橋(Q)構成輸入整流濾波電路；電感(L)、第一開關管(S1)、第三二極體(D)和第一電容(C)構成升降壓電路；第一二極體(DO1)、第二二極體(DO2)和第三電容(CO)構成輸出整流濾波電路；電感(L)的一端與第三二極體(D)的陰極、整流橋(Q)的共陰極連接；電感(L)的另一端與電容(C)的一端、第一開關管(S1)的漏極連接；第一電容(C)的另一端與第三二極體(D)的陽極連接，再與第二開關管(S2)的源極連接；第一開關管(S1)的源極與整流橋(Q)的共陽極連接，然後再與第二開關管(S2)的漏極連接。
2、 根據權利要求1所述的基於LLC串聯諧振的低電壓應力單級AC-DC變換器，其 特徵在於，所述第一開關管(&)和第二開關管(&)均集成有體二極體和體電容；變壓器(T)集成有漏感(丄,)和勵磁電感ara)。
3、 根據權利要求2所述的基於LLC串聯諧振的低電壓應力單級AC-DC變換器，其 特徵在於，第一開關管(&)、第二開關管(&)、第一電容(C)、第二電容(Cr)、變壓器(T)以及漏感(￡》和勵磁電感aw)構成LLC串聯諧振逆變電路；升降壓電路與LLC 串聯諧振逆變電路共用第一開關管(&)。
4、 根據權利要求3所述的基於LLC串聯諧振的低電壓應力單級AC-DC變換器，其 特徵在於，第一開關管(&)的漏極、電感")的一端與第一電容(C)的一端連接；第 一開關管(&)的源極、第二開關管(&)的漏極與第二電容(Cr)的一端連接，然後再 與整流橋(2)的共陽極連接；第二開關管(&)的源極、第一電容(C)的另一端與漏感a》的一端連接，然後再與第三二極體(D)的陽極連接；第二電容(Cr)的另一端與變壓器(T)的同名端連接。
全文摘要
本發明提供一種基於LLC串聯諧振的低電壓應力單級AC-DC變換器，包括由輸入濾波電路(E)與整流橋(Q)構成的輸入整流濾波電路，由電感(L)、第一開關管(S1)、第三二極體(D)和第一電容(C)構成的升降壓電路，由第一二極體(DO1)、第二二極體(DO2)和第三電容(CO)構成的輸出整流濾波電路，和由第一開關管(S1)、第二開關管(S2)、第一電容(C)、第二電容(Cr)、變壓器(T)以及漏感(Lr)和勵磁電感(Lm)構成的LLC串聯諧振逆變電路。本發明實現輸入功率因數校正，並實現升壓和降壓功能，具有寬輸出電壓調節範圍，使用較少的開關管，效率高，成本低，可用作LCD電源。
文檔編號H02M7/21GK101505107SQ20091003683
公開日2009年8月12日 申請日期2009年1月20日 優先權日2009年1月20日
發明者波 張, 張桂東, 肖文勳 申請人:華南理工大學