基於llc串聯諧振的單級單相ac-dc變換器的製作方法

2023-04-26 06:55:21

專利名稱：基於llc串聯諧振的單級單相ac-dc變換器的製作方法
技術領域：
本發明涉及AC-DC變換器，尤其涉及一種實現功率因數校正和軟開關的單級 單相AC-DC變換器。
背景技術：
具有隔離變壓器的單相AC-DC變換器已廣泛應用於LCD和LED等電源中。傳 統的單相AC-DC變換器在輸入整流橋後直接接儲能大電容，導致變換器功率因數 低、輸入電流諧波大，並且對電網造成汙染。為了減小單相AC-DC變換器的輸入 電流諧波，提高輸入功率因數，減小變換器對電網的汙染， 一般在整流橋後加入一 級有源功率因數校正環節。當單相AC-DC變換器需要隔離時，還要在有源功率因 數校正環節後加入一級帶隔離變壓器的DC-DC變換器。因此，傳統的具有隔離變 壓器的單相AC-DC變換器一般由輸入整流橋、有源功率因數校正環節、帶隔離變 壓器的DC-DC變換器組合而成，如圖1所示，整個單相AC-DC變換器使用的功率 管較多，而且經過多級變換，造成較大的功率損耗，特別是開關損耗。

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 的單級單相AC-DC變換器，將輸入整流橋、有源功率因數校正環節和帶隔離變壓 器的DC-DC變換器集成，即將這三個變換環節的二極體和開關管集成，從而構成 新的單級AC-DC變換器，同時採用LLC串聯諧振迴路實現所有功率器件的軟開關。 本發明通過如下技術方案實現
基於LLC串聯諧振的單級單相AC-DC變換器，其包括一個單相PFC環節、一 個LLC串聯諧振DC-DC變換器環節和輸出濾波電容C0，所述單相PFC環節由一 個輸入電感L、第一二極體Di和第二二極體D2、第一MOS管&和第二MOS管S2 和一個儲能電容Ca構成；所述LLC串聯諧振DC-DC變換器環節由上述兩個MOS 管&、 &、 一個諧振電容G、 一個變壓器T、輸出整流二極體之一D(M、輸出整流 二極體之二 Do2及集成在所述變壓器T中的勵磁電感Z^和漏電感A構成；所述單 相PFC環節與LLC串聯諧振DC-DC變換器環節共用第一 MOS管&和第二 MOS 管&，並通過該兩個MOS管的切換工作同時實現輸入功率因數校正和輸出電壓調 節。上述基於LLC串聯諧振的單級單相AC-DC變換器中，單相PFC變換器的輸入 整流橋由第一二極體Dh第二二極體D2、第一MOS管&和第二MOS管&構成； 單相交流電源的一端通過輸入電感L和第一二極體D！的陽極、第二二極體D2的陰 極連接；單相交流電源的另一端直接與第一 MOS管&的源極、第二MOS管&的 漏極連接，然後再與變壓器T的同名端連接；儲能電容Cd的一端與第一MOS管Si 的漏極、第一二極體Di的陰極連接；儲能電容Cd的另一端與第二 MOS管&的源 極、第二二極體D2的陽極連接，然後再與諧振電容G的一端連接，諧振電容C,的 另一端與變壓器T的異名端連接。
本發明具有如下優點和效果單相PFC變換器與DC-DC變換器共同構成單級 單相AC-DC變換器。單相PFC變換器與DC-DC變換器共用 一對MOS管&和&， 相對於傳統的Boost PFC + LLC串聯諧振DC-DC變換器構成的單相兩級AC-DC變 換器，該發明涉及的電路省去了兩個輸入整流二極體、 一個開關管和一個續流二極 管，降低了電路的成本和體積。本發明採用LLC串聯諧振技術實現MOS管&和S2 的零電壓開關，以及整流二極體Dw和Do2的零電流關斷，電路中所有功率器件都 實現軟開關，從而極大地降低該發明電路的開關損耗。本發明適合用作LCD電源。 相對於傳統的帶隔離變壓器的多級AC-DC變換器，本發明的電路結構簡單，功率 器件較少，控制電路簡單，效率高。


圖1為傳統的具有隔離變壓器的單相AC-DC變換器電路圖。 圖2是本發明實施方式中的電路實例圖，圖中，Z)w和Cw分別為MOS管&的
體二極體和體電容，Ds2和Cs2分別為MOS管&的體二極體和體電容；
圖3是本發明實施方式中在不同時間階段(to~t9)的工作原理示意圖； 圖4a 圖4i為實施方式中分別對應於不同階段的工作模態(Va>0)示意圖； 圖5a、圖5b為實施方式中輸入電源Va<0時的兩種工作模態示意圖。
具體實施例方式
以下結合附圖對本發明作進一步描述。本發明涉及的電路包含 一個單相PFC變換器，它由一個輸入電感L、兩個二極體Di和D2、兩個MOS
管&和&、 一個儲能電容Cd構成；
一個LLC串聯諧振DC-DC變換器，它由兩個MOS管&和&、 一個諧振電容
CV、 一個變壓器T及其集成的勵磁電感Lm和漏電感Lr、兩個輸出整流二極體D(M和Do2構成；
一個輸出濾波電容C0。
參考圖2，輸入電感L、 二極體D!和D2、 MOS管&和&、儲能電容Cd構成 單相PFC變換器；MOS管&和&、諧振電容C"變壓器T及其集成的勵磁電感 Lm和漏電感Lr、輸出整流二極體D01和Do2構成LLC串聯諧振DC-DC變換器； 單相PFC變換器與LLC串聯諧振DC-DC變換器共用兩個MOS管&和單相交 流電源r。的一端通過輸入電感丄和二極體D!的陽極、二極體D2的陰極連接；單相 交流電源K的另一端直接與MOS管&的源極、MOS管&的漏極連接，然後再與 變壓器的同名端連接；儲能電容Cd的一端與MOS管&的漏極、二極體Di的陰極 連接；儲能電容Cd的另一端與MOS管&的源極、二極體D2的陽極連接，然後再 與諧振電容C,的一端連接；諧振電容C,的另一端與變壓器T的異名端連接。
圖3給出了本發明的工作原理，圖4和5給出了本發明的工作模態。電路穩態 工作時，本發明的工作過程如下
(1)當輸入電源VaX)時，工作原理和工作模態分別如圖3和4所示。
階段l(to ti)，如圖4a: to時刻MOS管S!和S2關斷，電感Lm的電流i^與諧 振電流iu相等，變壓器一次側電流ip為零，輸出被變壓器隔離，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iu對S2的體電容 Cs2充電，同時為Si的體電容Cw放電。tr時刻，當CS1的端電壓Vcsi小於輸入電 壓Va時，輸入二極體Di開始導通，電感L在電壓(Va-Vcsl)下充電。當C^放電 結束時，Si上的體二極體D^導通，階段l工作狀態結束。
階段2(t廣t2)，如圖4b: t!時亥ij， S2關斷，體二極體Dsi導通，為Si的ZVS 導通創造條件。此時輸出整流二極體Dm導通，變壓器一次側電壓被鉗位在nVo， Lm在此電壓下線性充電，不參與諧振，ip—^-iun。電感L在輸入電壓Va下線性充 電。當諧振電流iLr上升至O時，階段2工作狀態結束。
階段3 (t2~t3)，如圖4c: Si在階段1時已加上門極驅動信號，在t2時刻，諧振 電流iu由負變正時，Si正嚮導通，電感L繼續在輸入電壓Va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nV0， Lm在此電壓下線性充電， 不參與諧振，能量由Vcd傳遞到Vo。當iun等於諧振電流iu時，階段3結束。
階段4 (t3~t4)，如圖4d: t3時刻，iLm等於諧振電流iLr， Lm參與諧振，輸出整
流二極體D(M反偏截止，輸出電容Co放電並給負載供電。電感L繼續在輸入電壓Va下線性充電。
階段5 (t4~t5)，如圖4e: t4時刻，Si和S2關斷，輸出整流二極體Dcm和D02 反偏截止，輸出電容Co放電並給負載供電，諧振電流iu對體電容Csi充電，同時 為體電容Cs2放電。ts，時刻，當CS1的端電壓Vcsi大於輸入電壓Va時，電感L在電 壓(Vcsl-Va)下放電。當Cs2放電結束時，S2上的體二極體Ds2導通，階段5工作 狀態結束。
階段6(t廣t6)，如圖4f: ts時亥J，體二極體Ds2導通，為S2的ZVS導通創造條
件。電感L在電壓Vcd下放電並給儲能電容Cd充電。此時輸出整流二極體D(52導通， 變壓器一次側電壓被鉗位在-nVO， Lm在此電壓下線性充電，不參與諧振，ip=iu_iLm。 當諧振電流iLr下降至O時，階段6工作狀態結束。
階段7(t6 t7)，如圖4g: S2在階段6時己加上門極驅動信號，在t6時刻，諧振
電流iu由正變負時，S2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-nVo， Lm在此電壓下線性充電，不參與諧振，諧振電流流經Lm和變壓器一
次側，傳遞能量至Vo。電感L在電壓Vcd下放電並給儲能電容Cd充電，當電感電 流iL下降到零時，D,反偏截止，階段7結束。
階段8 (t7~t8)，如圖4h: t7時刻，電感電流iL下降到零時，D!反偏截止，諧振 電流繼續流經Lm和變壓器一次側，傳遞能量至Vo。當il^等於諧振電流iu時，階
段8結束。
階段9 (t8~t9)，如圖4h ts時刻，iun等於諧振電流iLr， Lm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)當輸入電源Va〈0，工作波形如圖5所示。
當輸入電源VaO時，電路工作模態與輸入電源VaX)時的工作模態近似。所 不同的是當S,關斷和S2導通時，電感L在輸入電壓Va下線性充電，見圖5a;當 Si導通和S2關斷時，電感L在輸入電壓Va下線性放電，見圖5b。
為驗證本發明的基於LLC串聯諧振的單級單相AC-DC變換器的功率因數校正 能力和電壓調節性能，我們進行了有關實驗，並採用變頻控制技術對該電路進行控 制。實驗結果表明，功率因數和效率分別達到99%和94%。相對於傳統的帶隔離變 壓器的多級AC-DC變換器，本發明的電路結構簡單，功率器件較少，控制電路簡 單，效率高。
權利要求
1、基於LLC串聯諧振的單級單相AC-DC變換器，其特徵在於包括一個單相PFC環節、一個LLC串聯諧振DC-DC變換器環節和輸出濾波電容(CO)，所述單相PFC環節由一個輸入電感(L)、第一二極體(D1)和第二二極體(D2)、第一MOS管(S1)和第 MOS管(S2)和一個儲能電容(Cd)構成；所述LLC串聯諧振DC-DC變換器環節由上述兩個MOS管(S1、S2)、一個諧振電容(Cr)、一個變壓器(T)、輸出整流二極體之一(DO1)和輸出整流二極體之二(DO2)構成；所述單相PFC環節與LLC串聯諧振DC-DC變換器環節共用第一MOS管(S1)和第二MOS管(S2)，並通過該兩個MOS管的切換工作同時實現輸入功率因數校正和輸出電壓調節。
2、 根據權利要求1所述的基於LLC串聯諧振的單級單相AC-DC變換器，其特 徵在於，單相PFC變換器的輸入整流橋由第一二極體(Di)、第二二極體(D2)第 一 MOS管(&)和第二 MOS管(&)構成；單相交流電源的一端通過輸入電感(L) 和第一二極體(DD的陽極、第二二極體(D2)的陰極連接；單相交流電源的另一 端直接與第一MOS管(&)的源極、第二MOS管(&)的漏極連接，然後再與變 壓器(T)的同名端連接；儲能電容(Cd)的一端與第一MOS管(&)的漏極、第 一二極體(D!)的陰極連接；儲能電容(Cd)的另一端與第二 MOS管(&)的源 極、第二二極體(D2)的陽極連接，然後再與諧振電容(C》的一端連接，諧振電 容(C》的另一端與變壓器(T)的異名端連接。
3、 根據權利要求1所述的基於LLC串聯諧振的單級單相AC-DC變換器，其特 徵在於所述變壓器(T)集成有勵磁電感(Zm)和漏電感(")。
全文摘要
本發明提供了一種基於LLC串聯諧振的單級單相AC-DC變換器，包括一個單相PFC環節、一個LLC串聯諧振DC-DC變換器環節和輸出濾波電容(CO)，所述單相PFC環節與LLC串聯諧振DC-DC變換器環節共用第一MOS管和第二MOS管，通過該兩個MOS管的切換工作同時實現輸入功率因數校正和輸出電壓調節，並實現所有功率器件的軟開關，具有較高的效率。單相PFC變換器與DC-DC變換器共同構成單級單相AC-DC變換器。單相PFC變換器與DC-DC變換器共用一對MOS管，該發明涉及的電路省去了兩個輸入整流二極體、一個開關管和一個續流二極體，降低了電路的成本和體積，本發明適合用作LCD電源。
文檔編號H02M7/21GK101527520SQ20091003682
公開日2009年9月9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