CN101478247A - 具有电压反馈的单级ac-dc变换电路 - Google Patents

具有电压反馈的单级ac-dc变换电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有电压反馈的单级AC－DC变换电路，包括一个整流器、一对耦合电感、一个储能电容器、一个高频开关管和原边绕组带有两个中心抽头的变压器，其特征在于：所述的整流器，输入端接交流电源；所述的一对耦合电感，其中第一耦合电感一端连接整流器的一个输出端，另一端接第二耦合电感的一端和第五二极管的阳极，第五二极管的阴极接变压器的第一中心抽头；第二耦合电感的另一端接第七二极管的阳极，第七二极管的阴极接变压器的第二中心抽头；所述的高频开关管，第一极接变压器的非同名端，第二极接储能电容器的一端、整流器的另一输出端和地，第三极接高频控制信号；储能电容器的另一端接变压器的同名端。

Description

具有电压反馈的单级AC-DC变换电路
技术领域
本发明涉及一种利用耦合电感提高功率因数的单级AC-DC电路。更具体地说，本发明涉及一种带中心抽头变压器电压反馈、耦合电感及箝位二极管的单级功率因数校正电路。
背景技术
近些年来，国际上对用电设备谐波的限制要求越来越高，这也促使了滤波技术、功率因数校正技术的迅速发展。大功率AC-DC应用，一般采用前级功率因数校正提高功率因数，后级DC-DC实现隔离的方案。但是，在小功率场合，两级的结构成本高，电路复杂。因此，能够降低成本，提高系统可靠性的单级AC-DC更受青睐。但是，单级结构带来的母线电压较高、高功率因数与高效率的难以兼顾等问题限制着这一技术的应用范围。
现有的单级AC-DC电路方案中，如图1所示，利用变压器的中心抽头处的高频脉动电压，使中心抽头引出的电感LB1中的电流的平均值跟踪输入电压，获得较高的功率因数，并且可以通过调整中心抽头的位置获得高功率因数或者高效率，但是高功率因数与高效率的无法同时满足。采用多个中心抽头的方式如图2可以提高功率因数，并且兼顾高效率，但是每个中心抽头都需要一个对应的独立电感，因此电路磁性元件个数增加，成本也增加。
发明内容
为了克服现有技术中的不足，本发明提出一种高效、高功率因数、低电压应力的电压反馈单级AC-DC变换电路。通过耦合电感的方式，用一个磁芯实现一个或多个中心抽头的方式，在提高功率因数的同时，提高电路效率、简化电路结构、降低产品成本。
本发明采用以下技术方案：一种电压反馈的单级AC—DC变换电路，包括一个整流器、一对耦合电感、一个储能电容器、一个高频开关管和原边绕组带有两个中心抽头的变压器，其特征在于：
所述的整流器，输入端接交流电源；
所述的一对耦合电感，其中第一耦合电感一端连接整流器的一个输出端，另一端接第二耦合电感的一端和第五二极管的阳极，第五二极管的阴极接变压器的第一中心抽头；第二耦合电感的另一端接第七二极管的阳极，第七二极管的阴极接变压器的第二中心抽头；
所述的高频开关管，第一极接变压器的非同名端，第二极接储能电容器的一端、整流器的另一输出端和地，第三极接高频控制信号；储能电容器的另一端接变压器的同名端。
本发明的电压反馈的单级AC—DC变换电路，其中整流器，用于将输入的交流电整流为双脉波直流后传输到耦合电感并为其充电；所述的耦合电感，用于将整流器的输出电流传输到带中心抽头的变压器，并经过变压器将能量传输到副边输出；所述的储能电容器，用于平衡功率、减小输出纹波；变压器原边绕组的第一中间抽头和第二中心抽头之间的一段绕组构成第一反馈绕组，变压器原边绕组的第二中心抽头和非同名端之间的一段绕组构成第二反馈绕组，所述的第一反馈绕组和第二反馈绕组构成变压器电压反馈电路，用于将储能电容器两端的电压反馈到耦合电感，限制了储能电容器电压过高。
本发明的电压反馈的单级AC-DC电路，通过采用一对耦合电感及具有中心抽头的变压器，利用耦合电感减少磁性元件数量，利用中心抽头的可调性控制功率因数在合适的范围，因此，在提升电路功率因数的同时，使电路结构更为简单紧凑，且容易实现，还降低了产品成本。
本发明的另一个优点是，适用拓扑广，不仅可使用在反激电路，也可适用于桥式电路、正激电路等各种拓扑。
作为本发明的进一步改进，在所述的第二耦合电感的另一端和地之间还设有一个箝位二极管，所述的箝位二极管用于降低第五二极管和或第七二极管的过高电压应力，所述的箝位二极管的阳极接地，阴极连接到第二耦合电感的另一端。此方案可以在二极管电压应力太高时采用。
根据本发明，所述的第一整流器是由第一二极管、第二二极管、第三二极管和第四二极管组成的桥式整流器，所述的第一整流器是由四个独立分装的普通二极管组成，或者是单一的桥堆整流桥。所述的第五二极管和输出回路的第六二极管都是快恢复或超快恢复的二极管，其封装是独立的两个二极管，可加速电路的响应速度，提高控制精度。所述的高频开关管是N沟道或P沟道的功率MOSFET，或者是包括IGBT的任何一种半导体开关器件。
作为本发明的更进一步改进，在整流器的两个输出端之间还设有输入滤波电容器。
本发明的发明目的还可以采用以下技术方案实现：一种电压反馈的单级AC—DC变换电路，包括一个整流器、一对耦合电感、一个储能电容器、一个高频开关管和原边绕组带有一个中心抽头的变压器，其特征在于：
所述的整流器，输入端接交流电源；
所述的一对耦合电感，其中第一耦合电感一端连接整流器的一个输出端，另一端接第二耦合电感的一端和第五二极管的阳极，第五二极管的阴极接变压器的同名端；第二耦合电感的另一端接第七二极管的阳极，第七二极管的阴极接变压器的中心抽头；
所述的高频开关管，第一极接变压器的非同名端，第二极接储能电容器的一端、整流器的另一输出端和地，第三极接高频控制信号；储能电容器的另一端接变压器的同名端。
上述技术方案相当于第一技术方案的一个特例，也就是将变压器的第一中心抽头合上移至与同名端重合后的状态，本技术方案也能够达到相同的技术效果。
本发明的发明目的还可以采用以下技术方案实现：一种电压反馈的单级AC—DC变换电路，包括一个整流器、一对耦合电感、一个储能电容器、一个高频开关管和原边绕组带有两个中心抽头的变压器，其特征在于：
所述的整流器，输入端接交流电源；
所述的一对耦合电感，其中第一耦合电感一端连接整流器的一个输出端和第二耦合电感的一端，另一端接第五二极管的阳极，第五二极管的阴极接变压器的第一中心抽头；第二耦合电感的另一端接第七二极管的阳极，第七二极管的阴极接变压器的第二中心抽头；
所述的高频开关管，第一极接变压器的非同名端，第二极接储能电容器的一端、整流器的另一输出端和地，第三极接高频控制信号；储能电容器的另一端接变压器的同名端。
上述技术方案与第一技术方案的区别在于一对耦合电感是采用并联方式连接到电路中的，本技术方案也能够达到与第一技术方案相同的技术效果。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1为现有的单电感单变压器抽头的电路图。
图2为现有的双独立电感双变压器抽头的电路图。
图3为本发明单级AC—DC变换电路具有一对串联耦合电感且变压器具有一对中心抽头实施方式的电路图。
图4为图3基础上增加一个箝位二极管的实施方式的电路图。
图5为本发明单级AC—DC变换电路具有一对联耦合电感且变压器具有一个中心抽头实施方式的电路图。
图6为图5基础上增加一个箝位二极管的实施方式的电路图。
图7为具有一对并联耦合电感且变压器具有一对中心抽头实施方式的电路图。
具体实施方式
参照附图1，现有的单级AC-DC电路方案中，如图1所示，利用变压器的中心抽头出的高频脉动电压，使中心抽头引出的电感LB1中的电流的平均值跟踪输入电压，获得较高的功率因数，并且可以通过调整中心抽头的位置获得高功率因数或者高效率，但是高功率因数与高效率的无法同时满足。
参照附图2，采用多个中心抽头的方式可以提高功率因数，并且兼顾高效率，但是每个中心抽头都需要一个对应的独立电感，因此电路磁性元件个数增加，成本也增加。
参照附图3，本发明的具有耦合电感的单级AC—DC变换电路，如图3所示，具有耦合电感的单级AC—DC变换电路，包括整流器、一对耦合电感LB1和LB2、储能电容器Cb、高频开关管S1和带多个中心抽头的变压器T1，：
所述的整流器，用于将输入的交流电整流为双脉波直流后传输到耦合电感LB1、LB2并为其充电；
所述的整流器，输入端接交流电源；
所述的一对耦合电感LB1、LB2，用于将第一整流器的输出电流传输到带中心抽头的变压器T1，并经过变压器T1将能量传输到副边输出；所述的一对耦合电感LB1、LB2，其中第一耦合电感LB1一端连接整流器的一个输出端，另一端接第二耦合电感LB2的一端和第五二极管D5的阳极，第五二极管D5的阴极接变压器T1的第一中心抽头2；第二耦合电感LB2的另一端接第七二极管D7的阳极，第七二极管D7的阴极接变压器T1的第二中心抽头3；
所述的高频开关管S1，第一极接变压器T1的非同名端4，第二极接储能电容器Cb的一端、整流器的另一输出端和地，第三极接高频控制信号；储能电容器Cb的另一端接变压器T1的同名端1；
变压器原边绕组的第一中间抽头和第二中心抽头之间的一段绕组构成第一反馈绕组，变压器原边绕组的第二中心抽头和非同名端之间的一段绕组构成第二反馈绕组，所述的第一反馈绕组和第二反馈绕组构成变压器电压反馈电路，用于将储能电容器两端的电压反馈到耦合电感，限制了储能电容器电压过高。
所述的第一整流器是由第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3和第四二极管D4组成的桥式整流器。整流器的两个输出端之间还设有输入滤波电容器Cin。
所述的第五二极管D5和输出回路的第六二极管D6都是快恢复或超快恢复的二极管。
本发明的发明点是：将耦合电感通过快恢复二极管直接连接到变压器的中心抽头，实现电压反馈，控制了储能电容器电压应力；通过增加变压器中心抽头个数，并利用耦合电感减少磁性元件数量；耦合电感LB1、LB2的感量及匝数可以根据不同需要进行设置；变压器抽头位置2可以在变压器同名端1和中间抽头3之间的任何一点，变压器抽头位置3可以在变压器原边绕组中间抽头2与非同名端4之间的任何一点，具体由电路性能要求而定。本发明电路相对简单、体积小、效率高，成本较低，实现容易，不受电路拓扑限制，使用方便，是一个非常有实用价值和经济效益的发明。
根据本发明，所述的高频开关管可以是功率MOSFET，或者是包括IGBT的任何一种半导体开关器件，所述的变压器可以是反激式、正激式或桥式任何一种形式。
参照图4，本发明的单级AC—DC变换电路的另一实施方式，是在图3实施方式的基础上增加了箝位二极管D8，二极管D8箝住二极管D5阳极的电位，减小二极管D5的电压应力；其他工作原理与图3实施方式相同，这里不再叙述。
参照图5，本发明单级AC—DC变换电路的又一实施方式，是在图3实施方式的基础上，将变压器的第一中心抽头2合上移至与同名端1重合后的极限状态，其他工作原理与图3实施方式相同，这里不再叙述。
参照图6，本发明的单级AC—DC变换电路的又一实施方式，是在图5实施方式的基础上增加了箝位二极管D8，箝住二极管D8箝住二极管D5阳极的电位，减小二极管D5的电压应力；其他工作原理与图5实施方式相同，这里不再叙述。
参照图7，本发明的单级AC—DC变换电路的又一实施方式，是在图3实施方式的基础上，将一对耦合电感LB1、LB2由串联改成并接方式，耦合电感的LB1和LB2的功能和图3实施方式一样，其他工作原理和电路功能都和图3实施方式一致，这里不再重复。
与图3实施方式相同，图7实施方式也可以增加箝位二极管，用于箝住二极管D5阳极的电位。
应该理解到的是：以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是发明的保护范围。

Claims (17)

1、一种具有电压反馈的单级AC—DC变换电路，包括一个整流器、一对耦合电感(LB1、LB2)、一个储能电容器(Cb)、一个高频开关管(S1)和原边绕组带有两个中心抽头的变压器(T1)，其特征在于：
所述的整流器，输入端接交流电源；
所述的一对耦合电感(LB1、LB2)，其中第一耦合电感(LB1)一端连接整流器的一个输出端，另一端接第二耦合电感(LB2)的一端和第五二极管(D5)的阳极，第五二极管(D5)的阴极接变压器(T1)的第一中心抽头(2)；第二耦合电感(LB2)的另一端接第七二极管(D7)的阳极，第七二极管(D7)的阴极接变压器(T1)的第二中心抽头(3)；
所述的高频开关管(S1)，第一极接变压器(T1)的非同名端(4)，第二极接储能电容器(Cb)的一端、整流器的另一输出端和地，第三极接高频控制信号；储能电容器(Cb)的另一端接变压器(T1)的同名端(1)。
2、如权利要求1所述的具有电压反馈的单级AC—DC变换电路，其特征在于所述的第一整流器是由第一二极管(D1)、第二二极管(D2)、第三二极管(D3)和第四二极管(D4)组成的桥式整流器，所述的第一整流器是由四个独立分装的普通二极管组成，或者是单一的桥堆整流桥。
3、如权利要求1所述的具有电压反馈的单级AC—DC变换电路，其特征在于所述的第五二极管(D5)和输出回路的第六二极管(D6)都是快恢复或超快恢复的二极管，其封装是独立的两个二极管。
4、如权利要求1所述的具有电压反馈的单级AC—DC变换电路，其特征在于还设有输入滤波电容器(Cin)，其并接于整流器的输出端。
5、如权利要求1所述的具有电压反馈的单级AC—DC变换电路，其特征在于所述的高频开关管(S1)是N沟道或P沟道的功率MOSFET，或者是包括IGBT的任何一种半导体开关器件。
6、如权利要求1-5任何一项所述的具有电压反馈的单级AC—DC变换电路，其特征在于在所述的第二耦合电感(LB2)的另一端和地之间还设有一个箝位二极管(D8)，所述的箝位二极管(D8)用于降低第五二极管(D5)和或第七二极管(D7)的过高电压应力，所述的箝位二极管(D8)的阳极接地，阴极连接到第二耦合电感(LB2)的另一端。
7、一种具有电压反馈的单级AC—DC变换电路，包括一个整流器、一对耦合电感(LB1、LB2)、一个储能电容器(Cb)、一个高频开关管(S1)和原边绕组带有一个中心抽头的变压器(T1)，其特征在于：
所述的整流器，输入端接交流电源；
所述的一对耦合电感(LB1、LB2)，其中第一耦合电感(LB1)一端连接整流器的一个输出端，另一端接第二耦合电感(LB2)的一端和第五二极管(D5)的阳极，第五二极管(D5)的阴极接变压器(T1)的同名端(1)；第二耦合电感(LB2)的另一端接第七二极管(D7)的阳极，第七二极管(D7)的阴极接变压器(T1)的中心抽头(3)；
所述的高频开关管(S1)，第一极接变压器(T1)的非同名端(4)，第二极接储能电容器(Cb)的一端、整流器的另一输出端和地，第三极接高频控制信号；储能电容器(Cb)的另一端接变压器(T1)的同名端(1)。
8、如权利要求7所述的具有电压反馈的单级AC—DC变换电路，其特征在于所述的第一整流器是由第一二极管(D1)、第二二极管(D2)、第三二极管(D3)和第四二极管(D4)组成的桥式整流器，所述的第一整流器是由四个独立分装的普通二极管组成，或者是单一的桥堆整流桥。
9、如权利要求7所述的具有电压反馈的单级AC—DC变换电路，其特征在于所述的第五二极管(D5)和输出回路的第六二极管(D6)都是快恢复或超快恢复的二极管，其封装是独立的两个二极管。
10、如权利要求7所述的具有电压反馈的单级AC—DC变换电路，其特征在于还设有输入滤波电容器(Cin)，其并接于整流器的输出端。
11、如权利要求7所述的具有电压反馈的单级AC—DC变换电路，其特征在于所述的高频开关管(S1)是N沟道或P沟道的功率MOSFET，或者是包括IGBT的任何一种半导体开关器件。
12、如权利要求7-10任何一项所述的具有电压反馈的单级AC—DC变换电路，其特征在于在所述的第二耦合电感(LB2)的另一端和地之间还设有一个箝位二极管(D8)，所述的箝位二极管(D8)用于降低第五二极管(D5)和或第七二极管(D7)的过高电压应力，所述的箝位二极管(D8)的阳极接地，阴极连接到第二耦合电感(LB2)的另一端。
13、一种具有电压反馈的单级AC—DC变换电路，包括一个整流器、一对耦合电感(LB1、LB2)、一个储能电容器(Cb)、一个高频开关管(S1)和原边绕组带有两个中心抽头的变压器(T1)，其特征在于：
所述的整流器，输入端接交流电源；
所述的一对耦合电感(LB1、LB2)，其中第一耦合电感(LB1)一端连接整流器的一个输出端和第二耦合电感(LB2)的一端，另一端接第五二极管(D5)的阳极，第五二极管(D5)的阴极接变压器(T1)的第一中心抽头(2)；第二耦合电感(LB2)的另一端接第七二极管(D7)的阳极，第七二极管(D7)的阴极接变压器(T1)的第二中心抽头(3)；
所述的高频开关管(S1)，第一极接变压器(T1)的非同名端(4)，第二极接储能电容器(Cb)的一端、整流器的另一输出端和地，第三极接高频控制信号；储能电容器(Cb)的另一端接变压器(T1)的同名端(1)。
14、如权利要求13所述的具有电压反馈的单级AC—DC变换电路，其特征在于所述的第一整流器是由第一二极管(D1)、第二二极管(D2)、第三二极管(D3)和第四二极管(D4)组成的桥式整流器，所述的第一整流器是由四个独立分装的普通二极管组成，或者是单一的桥堆整流桥。
15、如权利要求13所述的具有电压反馈的单级AC—DC变换电路，其特征在于所述的第五二极管(D5)和输出回路的第六二极管(D6)都是快恢复或超快恢复的二极管，其封装是独立的两个二极管。
16、如权利要求13所述的具有电压反馈的单级AC—DC变换电路，其特征在于还设有输入滤波电容器(Cin)，其并接于整流器的输出端。
17、如权利要求13所述的具有电压反馈的单级AC—DC变换电路，其特征在于所述的高频开关管(S1)是N沟道或P沟道的功率MOSFET，或者是包括IGBT的任何一种半导体开关器件。
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