CN101478245B - 一种z源软开关功率因数校正全桥变换器 - Google Patents

一种z源软开关功率因数校正全桥变换器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种Z源软开关功率因数校正全桥变换器，包括整流桥(Q1)、全桥逆变器(Q2)和变压器(T)，其特征在于还包括阻抗网络(Z)，所述阻抗网络(Z)并联在整流桥(Q1)和全桥逆变器(Q2)的两逆变桥臂之间。阻抗网络(Z)的存在避免了因全桥逆变器(Q2)的两逆变桥臂直通而遭到损毁。当全桥逆变器(Q2)的上、下桥臂直通时，阻抗网络(Z)与全桥逆变器(Q2)构成升压电路，而且通过控制上、下桥臂直通时间可以实现输入功率因数校正。本发明通过阻抗网络(Z)与全桥逆变器(Q2)构成一次升压电路，并由变压器(T)的二次升压，极易实现输出电压的提升，因而非常适用于需要输出高电压的臭氧发生器电源。

Description

一种Z源软开关功率因数校正全桥变换器
技术领域
本发明涉及AC-DC-AC变换技术领域，尤其涉及一种Z源软开关功率因数校正全桥变换器。
背景技术
现有的臭氧发生器电源一般采用如图1所示的串联谐振型全桥变换器，在臭氧发生器的等效负载Cd、Cg、Z前端串联一个电感Ls实现谐振，从而实现软开关。但由于臭氧发生器独特的负载特性：在负载两端电压超过3kV时，臭氧发生器气隙击穿，产生臭氧，表现在负载电路上为气隙等效电容Cg被反向击穿电压为Ucs＝3kV的双向稳压二极管DZ旁路，此时谐振频率随负载谐振频率发生改变，全桥电路不再工作于软开关状态，直到负载两端电压低于3kV，Cg重新参与谐振。另外，串联谐振型全桥变换器桥臂不能直通，因此需要设置死区时间，控制电路复杂，且无法实现功率因数校正。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种Z源软开关功率因数校正全桥变换器。本发明通过阻抗网络Z与全桥逆变器Q2实现输入功率因数校正的功能，同时构成一次升压电路，并由变压器T的二次升压，极易实现输出电压的提升，因而非常适用于需要输出高电压的臭氧发生器电源。本发明通过如下技术方案实现：
一种Z源软开关功率因数校正全桥变换器，如图2所示，包括整流桥Q1，阻抗网络Z，全桥逆变器Q2，变压器T。阻抗网络Z并联在整流桥Q1和全桥逆变器Q2的两逆变桥臂之间。Z源阻抗的存在避免了因全桥逆变器Q2的两逆变桥臂直通而遭到损毁。当全桥逆变器Q2的上、下桥臂直通时，阻抗网络Z与全桥逆变器Q2构成升压电路，而且通过控制上、下桥臂直通时间可以实现输入功率因数校正。
上述Z源软开关功率因数校正全桥变换器电路中，第一电感L1的一端、第一电容C1的一端和整流桥Q1的共阴极连接；第一电感L1的另一端、第二电容C2的一端和全桥逆变器Q2中的第一开关管S1的漏极、第二二极管D2的阳极连接；第二电感L2的一端、第二电容C2的另一端和整流桥Q1的共阳极连接；第二电感L2的另一端、第二电容C1的另一端和全桥逆变器Q2中的第三开关管S3的源极、第四开关管S4的源极连接；第一开关管S1的漏极、第一二极管D1的阴极、第二二极管D2的阳极和第三电容CS1的一端连接；第三开关管S3的源极、第四开关管S4的源极、第三二极管D3的阳极和第四电容CS2的一端连接；第一开关管S1的源极、第一二极管D1的阳极、第三电容CS1的另一端、第三开关管S3的漏极、第三二极管D3的阴极和第四电容CS2的另一端连接，然后和变压器T的同名端连接；第二二极管D2的阴极与第二开关管S2的漏极连接；第四二极管D4的阴极与第四开关管S4的漏极连接；第四二极管D4的阳极与第二开关管S2的源极连接，然后再与变压器T的异名端连接。上述电容均为无极性电容。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：本发明是在整流桥和全桥逆变器的两桥臂之间并入阻抗网络Z而得，逆变桥臂可以直通，因此不存在因逆变桥臂直通而导致开关管损毁的问题，该发明的电路具有高可靠性，而且所有功率器件均实现软开关，实现功率因数校正，易于实现输出电压的提升，因而非常适用于需要输出高电压的臭氧发生器电源。
附图说明
图1为现有常规的谐振软开关臭氧发生器电源。
图2为本发明具体实施方式中Z源软开关功率因数校正全桥变换器的电路实例图
图3为图2所示Z源软开关功率因数校正全桥变换器的负载等效到变压器原边后的结构图。
图4a、图4b为图2所示Z源软开关功率因数校正全桥变换器的Boost功率因数校正等效电路图，其中，图4a为全桥变换器左桥臂直通时的等效Boost电路，图4b为全桥变换器右桥臂直通时的等效Boost电路。。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施作进一步描述。
为便于工作过程分析，考虑到移相ZVZCS全桥变换器的工作频率fs远大于网侧交流电压工频频率fz，在分析本发明电路的工作过程时，可认为在一个开关周期内，网侧输入的电压与电流恒定，因此Z源变换器之前的电路可等效为一个直流电压源Vin，并将臭氧发生器负载Cd、Cg、DZ等效到变压器原边，分别为Cd1、Cg1、DZ1，变压器变比为k，则图2所示电路拓扑可等效成图3所示结构，其Boost校正器功能可等效为图4所示电路，其中图4a为全桥变换器左半桥臂直通时的等效Boost电路，图4b为全桥变换器右半桥臂直通时的等效Boost电路。
在一个工作周期内，变换器有十二个工作模态，如下所述模态1为初始模态，变换器在稳态情况下由模态2到模态12循环工作。
模态1[t0]：在此开关模态，S1和S4导通。原边电流Ip流经L1、S1、Cg1、Cd1、变压器漏感L1k、S4和L2，回到电源。VL1+VC2＝VL2+VC1＝Vin，VS1＝VS4＝0，VCg1、VCd1正向增加。
模态2[t0～t1]：S1和S4继续导通，Ip继续增加，VCg1达到并保持在Ucs，VCd1继续正向增加。
模态3[t1～t2]：在t1时刻开通S2，开通时刻的VS2＝Vin，IS2＝0，因此S2为零电流开通。此模态中，S1、S2和S4均导通，S2中电流IS2由零开始线性上升，IS1线性下降，原边电流Ip线性下降，VCd1继续正向增加。
模态4[t2～t3]：在t2时刻，原边电流Ip下降到0。由于此时S1、S2和S4均导通，因而VC1＝VS2＝VS4＝0，可知VC3＝0，Ip下降到0后不再反向增加，VCg1保持在Ucs，VCd1保持不变。
模态5[t3～t4]：在t3时刻，此时零电压零电流关断S1。此模态中，S2和S4直通，电源Vin向L1、L2充电，由于原边电流Ip为0，VCg1仍然保持在Ucs，VCd1保持不变。
模态6[t4～t5]：在t4时刻零电压关断S4，同时零电压零电流开通S3。S4中的电流转移到S3中。此模态S2、S3导通，Ip反向给L1k、Cd1、Cg1充电，VCg1仍然保持在Ucs，VCd1线性下降。
模态7[t5～t6]：S2、S3继续导通，Ip继续反向给L1k、Cd1、Cg1充电，VCg1两端电压小于Ucs，VCg1、VCd1线性下降，直至电压反向。
模态8[t6～t7]：在t6时刻，V1＝Vin，此时零电流开通S1，与模态2相同。开通时刻VS1＝Vin，IS1＝0，因此S1为零电流开通。此模态中，S1、S2和S3均导通，S1中电流IS1由零开始线性上升，IS2线性下降，原边电流Ip线性下降，VCg1、VCd1反向线性增加，直至VCg1达到-Ucs。
模态9[t7～t8]：在t7时刻，原边电流Ip下降到0。由于此时S1、S2和S3均导通，因而VC1＝VC3＝VS2＝0，可知VS4＝0，Ip下降到0后不再反向增加，VCg1保持在-Ucs，VCd1保持不变。
模态10[t8～t9]：在t8时刻，零电压零电流关断S2。此模态中，S1和S3直通，电源Vin向L1、L2充电，由于原边电流Ip为0，由于原边电流Ip为0，VCg1仍然保持在-Ucs、VCd1保持不变。
模态11[t9～t10]：在t9时刻零电压关断S3，同时零电压零电流开通S4。S3中的电流转移到S4中。此模态S1、S4导通，Ip正向给L1k、CS2充电，VCg1仍然保持在Ucs，VCd1正向线性增加。
模态12[t10～t11]：S1、S4导通，Ip正相给L1k、CS2充电，VCg1两端电压大于-Ucs，VCg1、VCd1线性增加，直至电压反向。VCS2＝Vin时，进入工作模态2，如此循环。
综上所述可知，本发明的Z源软开关功率因数校正全桥变换器具有实现单级功率因数校正、主功率开关器件工作于软开关状态的突出优势，特别是其Boost电路的功能，容易实现电压的提升，因而尤其适合应用于需要高压的臭氧发生器电源。
上面已经非常具体地阐述了本发明所述的Z源软开关功率因数校正全桥变换器及其可能应用的实例。但是，这些并不是对本发明的应用范围的限制。对于本技术领域的一般技术人员来说，对本发明所作的各种等同替换，均落入本发明要求保护的范围内。

Claims (2)

1.一种Z源软开关功率因数校正全桥变换器，包括整流桥(Q1)、全桥逆变器(Q2)和变压器(T)，其特征在于还包括阻抗网络(Z)，所述阻抗网络(Z)并联在整流桥(Q1)和全桥逆变器(Q2)的两逆变桥臂之间，所述阻抗网络(Z)与整流桥(Q1)、全桥逆变器(Q2)构成功率因数校正电路与升压电路；所述阻抗网络(Z)由第一电感(L1)、第二电感(L2)、第一电容(C1)和第二电容(C2)构成；所述全桥逆变器(Q2)由第一开关管(S1)、第二开关管(S2)、第三开关管(S3)、第四开关管(S4)、第一二极管(D1)、第二二极管(D2)、第三二极管(D3)、第四二极管(D4)、第三电容(CS1)和第四电容(CS2)构成；变压器(T)集成有漏感(L1k)；第一电感(L1)的一端、第一电容(C1)的一端和整流桥(Q1)的共阴极连接；第一电感(L1)的另一端、第二电容(C2)的一端和全桥逆变器(Q2)中的第一开关管(S1)的漏极、第二二极管(D2)的阳极连接；第二电感(L2)的一端、第二电容(C2)的另一端和整流桥(Q1)的共阳极连接；第二电感(L2)的另一端、第一电容(C1)的另一端和全桥逆变器(Q2)中的第三开关管(S3)的源极、第四开关管(S4)的源极连接；第一开关管(S1)的漏极、第一二极管(D1)的阴极、第二二极管(D2)的阳极和第三电容(CS1)的一端连接；第三开关管(S3)的源极、第四开关管(S4)的源极、第三二极管(D3)的阳极和第四电容(CS2)的一端连接；第一开关管(S1)的源极、第一二极管(D1)的阳极、第三电容(CS1)的另一端、第三开关管(S3)的漏极、第三二极管(D3)的阴极和第四电容(CS2)的另一端连接，然后和变压器(T)的同名端连接；第二二极管(D2)的阴极与第二开关管(S2)的漏极连接；第四二极管(D4)的阴极与第四开关管(S4)的漏极连接；第四二极管(D4)的阳极与第二开关管(S2)的源极连接，然后再与变压器(T)的异名端连接。
2.根据权利要求1所述的一种Z源软开关功率因数校正全桥变换器电路，其特征在于，第一电容(C1)、第二电容(C2)、第三电容(CS1)和第四电容(CS2)均为无极性电容。
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