一種單級半橋ac-dc變換器的製作方法

2023-04-26 06:45:16

專利名稱：一種單級半橋ac-dc變換器的製作方法
技術領域：
本發明涉及AC-DC變換器技術領域，具體涉及一種單級半橋AC-DC變換器。
背景技術：
目前廣泛應用的AC-DC變換器往往是由一級功率因數校正環節和一級帶隔離變壓器的DC-DC變換器環節組合而成的兩級變換器，如圖1所示基於半橋變換器的兩級AC-DC變換器。在這種AC-DC變換器中，功率因數校正環節通過特定的控制策略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，通過佔空比對輸出電壓進行初調。DC-DC變換器環節對功率因數校正環節輸出電壓進行細調。雙級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，而且功率因數校正環節輸出的直流電壓比輸入交流電壓幅值高，使得開關管&、 &和&要承受比較高的電壓應力。

發明內容
本發明的目的在於克服現有技術存在的上述問題，提供一種單級半橋AC-DC變換器，減少AC-DC變換器功率器件的數量，並降低開關管承受的電壓應力。
本發明提出一種單級半橋AC-DC變換器。本發明的單級半橋AC-DC變換器，實際上是將升降壓PFC環節和基於半橋的DC-DC變換器環節結合而得。本發明有如下技術方案實現
一種單級半橋AC-DC變換器，包括輸入濾波電路E，整流橋2，電感丄，第一電容Cl，第二電容C2，第三電容C0，第一開關管&，第二開關管&，第一二極體D01、第二二極體A)2、和第三二極體其特徵在於，輸入濾波電路E與整流橋Q構成輸入整流濾波電路；輸入濾波電路E、整流橋^、電感Z、開關管&、 二極體D和第一電容d、第二電容C2構成升降壓PFC環節；第一開關管&和第二開關管&、第一電容Q、第二電容C2、變壓器T與第一二極體A^和第二二極體A)2構成半橋DC-DC變換器環節；所述升降壓PFC環節與半橋DC-DC變換器環節共用第一開關管&。
上述的單級半橋AC-DC變換器中，電感i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Z的另一端與第一電容d的一端、第一開關管&的漏極連接；第一電容d的另一端與第二電容C2的一端連接，然後再與變壓器T一次側的異名端連接；第二電容C2的另一端與第三二極體D的陽極連接，然後與第二開關管&的源極連接；第一開關管&的源極與整流橋g的共陽極連接，然後再與第二開關管&的漏極、變壓器T一 次側的同名端連接。
與現有技術相比本發明具有如下優點和效果本發明通過控制第一開關管&的佔空比 使得電感l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卜 第二電容C2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。通過控制開 關管&和&的佔空比可以實現對輸出電壓Fo的調製。本發明實現輸入功率因數校正，而
且相對基於半橋的兩級AC-DC變換器，使用較少的開關管，開關管承受的電壓應力較小，
從而降低了電路的成本和體積。本發明適合用作電解、電鍍等電化學電源。


圖1是現有的基於LLC串聯諧振的兩級AC-DC變換器 圖2是本發明實施方式中單級半橋AC-DC變換器的構成電路實例； 圖3a 圖3e是本發明實施方式中一個開關周期內不同階段的工作過程圖； 圖4是本發明實施方式中在一個開關周期內的工作波形； 圖5是本發明實施方式中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具體實施作進一步描述。
參考圖2，單級半橋AC-DC變換器包括
輸入濾波電路E，整流橋0，電感￡，電容d、 C2和Co，兩個開關管&和&， 二極 管D、 ￡>01和￡)02;
輸入濾波電路E與整流橋2構成輸入整流濾波電路；
輸入濾波電路E、整流橋g、電感L、開關管&、 二極體D和電容d、 C2構成升降 壓PFC環節；
開關管&和&、電容d和C2、變壓器T與二極體"01和Z)02構成半橋DC-DC變換 器環節；
升降壓PFC環節與半橋DC-DC變換器環節共用開關管S1;
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D和電容d、 C2構成升降壓電路。開關管&和&、電容d和
C2與變壓器T構成半橋逆變電路。二扱管Am、 A)2和電容Co構成輸出整流濾波電路。升
降壓電路與半橋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g的 共陰極連接；電感丄的另一端與電容d的一端、開關管&的漏極連接；電容d的另一端
4與電容C2的一端連接，然後再與變壓器T一次側的異名端連接；電容C2的另一端與二極體D的陽極連接，然後與開關管&的源極連接；開關管&的源極與整流橋Q的共陽極連接，然後再與&的漏極、變壓器T一次側的同名端連接。
圖3給出了本發明的電路工作過程，圖4給出了本發明在一個開關周期內的工作波形，圖5給出本發明在工頻模式下的主要波形。令開關管&和&的佔空比相等。(1)在一個開關周期內，電路工作過程如下
階段l (to t》，如圖3a: to時亥U，開關管&導通，電感Z在輸入電壓^s下線性充電，輸出整流二極體D01導通，能量由電容d傳遞到Ko。
階段2(t廣t2)，如圖3b: tj寸刻，開關管&和&關斷，電感Z在(7d+Fa)電壓下線
性放電，電感丄的儲能轉移到電容d和C2。輸出整流二極體Dcn和Do2反偏截止，輸出
電容Cc放電並給負載供電。
階段3 (t2~t3)，如圖3c: t2時亥U，開關管&導通，電感丄繼續在(Ka+P^)電壓下線性
放電，輸出整流二極體Do2導通，能量由電容C2傳遞到&。
階段4(t廣tt)，如圖3d: t3時刻，開關管&和&關斷，電感丄繼續在(7a+Fa)電壓
下線性放電，電感丄的儲能轉移到電容d和C2。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。當電感丄的電流/i下降到零時，此階段完成。
階段5 (t4 ts)，如圖3e: t4時刻，開關管&和&關斷，電感Z的電流&下降到零，輸出整流二極體D^和Do2反偏截止，輸出電容Co放電並給負載供電。
(2)升降壓PFC環節的升降壓原理to h階段電感在輸入電壓F^下線性充電，電流的增量為
其中Dow是開關管&的導通佔空比，r是開關周期。
ti t4階段電感在電壓(Fd+f^)下線性放電，電流的增量為其中i)ow是電感Z放電的佔空比。
當電路工作於電感電流&斷續模式時，有A^叫A^1，由此可得
Kc 一 "ow
r爿fl "OFF
(1)
(2)
(3)
5^的幅值等於電源^的幅值，因此得
formula see original document page 6
由式(4)可知當A^〉D。^時，rcl+rC2>^;當Aw〈D。^時，rcl+FC2<^。通過 控制佔空比可以對電容的端電壓進行初調，而且減小佔空比Aw可以有效的控制電容Q
和C2的端電壓之和低於輸入電壓幅值，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4斷續，在開關管&的每個導通階段&電流峰值與這個導通階段輸入電 壓FcM (Fc^=l^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5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、 Cta濾波電路E得正弦輸入電流/^。
權利要求
1、一種單級半橋AC-DC變換器，包括輸入濾波電路(E)，整流橋(Q)，電感(L)，第一電容(C1)，第二電容(C2)，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)；其特徵在於，輸入濾波電路(E)與整流橋(Q)構成輸入整流濾波電路；輸入濾波電路(E)、整流橋(Q)、電感(L)、開關管(S1)、二極體(D)和第一電容(C1)、第二電容(C2)構成升降壓PFC環節；第一開關管(S1)和第二開關管(S2)、第一電容(C1)、第二電容(C2)、變壓器(T)與第一二極體(DO1)和第二二極體(DO2)構成半橋DC-DC變換器環節；所述升降壓PFC環節與半橋DC-DC變換器環節共用第一開關管(S1)。
2、 根據權利要求1所述的單級半橋AC-DC變換器，其特徵在於，電感(丄)的一端與第三二極體(D)的陰極、整流橋(2)的共陰極連接；電感a)的另一端與第一電容(Q)的一端、第一開關管(&)的漏極連接；第一電容(d)的另一端與第二電容(C2) 的一端連接，然後再與變壓器(T) 一次側的異名端連接；第二電容(C2)的另一端與第 三二極體。)的陽極連接，然後與第二開關管(&)的源極連接；第一開關管(&)的源 極與整流橋(G)的共陽極連接，然後再與第二開關管(&)的漏極、變壓器(T) 一次側 的同名端連接。
全文摘要
本發明提供了一種單級半橋AC-DC變換器，包括輸入整流濾波電路、升降壓PFC環節、半橋DC-DC變換器環節，半橋DC-DC變換器環節由兩個開關管(S1、S2)、兩個電容(C1、C2)、變壓器(T)與兩個二極體(DO1、DO2)構成。所述升降壓PFC環節與半橋DC-DC變換器環節共用一開關管S1，通過控制該開關管的佔空比使得電感(L)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(C1)和第二電容(C2)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，而且相對基於半橋的兩級AC-DC變換器，使用的開關管較少，開關管承受的電壓應力較小，從而降低了電路的成本和體積。
文檔編號H02M7/48GK101499732SQ20091003683
公開日2009年8月5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