CN101499732B - 一种单级半桥ac-dc变换器 - Google Patents

Abstract

发明提供了一种单级半桥AC-DC变换器，包括输入整流滤波电路、升降压PFC环节、半桥DC-DC变换器环节，半桥DC-DC变换器环节由两个开关管(S₁、S₂)、两个电容(C₁、C₂)、变压器(T)与两个二极管(D_O1、D_O2)构成。所述升降压PFC环节与半桥DC-DC变换器环节共用一开关管S₁，通过控制该开关管的占空比使得电感(L)的电流不连续工作从而实现自动功率因数校正的功能，同时实现第一电容(C₁)和第二电容(C₂)的端电压升压或降压从而限制开关管的电压应力在安全工作范围，而且相对基于半桥的两级AC-DC变换器，使用的开关管较少，开关管承受的电压应力较小，从而降低了电路的成本和体积。

Description

一种单级半桥AC-DC变换器

技术领域

本发明涉及AC-DC变换器技术领域，具体涉及一种单级半桥AC-DC变换器。

背景技术

目前广泛应用的AC-DC变换器往往是由一级功率因数校正环节和一级带隔离变压器的DC-DC变换器环节组合而成的两级变换器，如图1所示基于半桥变换器的两级AC-DC变换器。在这种AC-DC变换器中，功率因数校正环节通过特定的控制策略使得输入电流正弦化，提高功率因数，减少谐波含量，同时控制电路还对输出电压进行反馈，通过占空比对输出电压进行初调。DC-DC变换器环节对功率因数校正环节输出电压进行细调。双级AC-DC变换器可以获得良好的电气性能，如高功率因数、良好的电压调节性能等。但是电路的元件数多，增加了成本和电路复杂性，而且功率因数校正环节输出的直流电压比输入交流电压幅值高，使得开关管S₁、S₂和S₃要承受比较高的电压应力。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述问题，提供一种单级半桥AC-DC变换器，减少AC-DC变换器功率器件的数量，并降低开关管承受的电压应力。

本发明提出一种单级半桥AC-DC变换器。本发明的单级半桥AC-DC变换器，实际上是将升降压PFC环节和基于半桥的DC-DC变换器环节结合而得。本发明有如下技术方案实现：

一种单级半桥AC-DC变换器，包括输入滤波电路E，整流桥Q，电感L，第一电容C₁，第二电容C₂，第三电容C_O，第一开关管S₁，第二开关管S₂，第一二极管D_O1、第二二极管D_O2、和第三二极管D；其特征在于，输入滤波电路E与整流桥Q构成输入整流滤波电路；输入滤波电路E、整流桥Q、电感L、开关管S₁、二极管D和第一电容C₁、第二电容C₂构成升降压PFC环节；第一开关管S₁和第二开关管S₂、第一电容C₁、第二电容C₂、变压器T与第一二极管D_O1和第二二极管D_O2构成半桥DC-DC变换器环节；所述升降压PFC环节与半桥DC-DC变换器环节共用第一开关管S₁。

上述的单级半桥AC-DC变换器中，电感L的一端与第三二极管D的阴极、整流桥Q的共阴极连接；电感L的另一端与第一电容C₁的一端、第一开关管S₁的漏极连接；第一电容C₁的另一端与第二电容C₂的一端连接，然后再与变压器T一次侧的异名端连接；第二电容C₂的另一端与第三二极管D的阳极连接，然后与第二开关管S₂的源极连接；第一开关管S₁的源极与整流桥Q的共阳极连接，然后再与第二开关管S₂的漏极、变压器T一次侧的同名端连接。

与现有技术相比本发明具有如下优点和效果：本发明通过控制第一开关管S₁的占空比使得电感L的电流不连续工作从而实现自动功率因数校正的功能，同时实现第一电容C₁、第二电容C₂的端电压升压或降压从而限制开关管的电压应力在安全工作范围。通过控制开关管S₁和S₂的占空比可以实现对输出电压V_O的调制。本发明实现输入功率因数校正，而且相对基于半桥的两级AC-DC变换器，使用较少的开关管，开关管承受的电压应力较小，从而降低了电路的成本和体积。本发明适合用作电解、电镀等电化学电源。

附图说明

图1是现有的基于LLC串联谐振的两级AC-DC变换器

图2是本发明实施方式中单级半桥AC-DC变换器的构成电路实例；

图3a～图3e是本发明实施方式中一个开关周期内不同阶段的工作过程图；

图4是本发明实施方式中在一个开关周期内的工作波形；

图5是本发明实施方式中在工频模式下的主要波形。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施作进一步描述。

参考图2，单级半桥AC-DC变换器包括：

输入滤波电路E，整流桥Q，电感L，电容C₁、C₂和C_O，两个开关管S₁和S₂，二极管D、D_O1和D_O2；

输入滤波电路E与整流桥Q构成输入整流滤波电路；

输入滤波电路E、整流桥Q、电感L、开关管S₁、二极管D和电容C₁、C₂构成升降压PFC环节；

开关管S₁和S₂、电容C₁和C₂、变压器T与二极管D_O1和D_O2构成半桥DC-DC变换器环节；

升降压PFC环节与半桥DC-DC变换器环节共用开关管S₁；

输入交流电源通过滤波电路E和整流桥Q给AB端供电，AB端电压为正弦半波。电感L、开关管S₁、二极管D和电容C₁、C₂构成升降压电路。开关管S₁和S₂、电容C₁和C₂与变压器T构成半桥逆变电路。二极管D_O1、D_O2和电容C_O构成输出整流滤波电路。升降压电路与半桥逆变电路共用开关管S₁。电感L的一端与二极管D的阴极、整流桥Q的共阴极连接；电感L的另一端与电容C1的一端、开关管S₁的漏极连接；电容C₁的另一端与电容C₂的一端连接，然后再与变压器T一次侧的异名端连接；电容C₂的另一端与二极管D的阳极连接，然后与开关管S₂的源极连接；开关管S₁的源极与整流桥Q的共阳极连接，然后再与S₂的漏极、变压器T一次侧的同名端连接。

图3给出了本发明的电路工作过程，图4给出了本发明在一个开关周期内的工作波形，图5给出本发明在工频模式下的主要波形。令开关管S₁和S₁的占空比相等。

(1)在一个开关周期内，电路工作过程如下：

阶段1(t₀～t₁)，如图3a：t₀时刻，开关管S₁导通，电感L在输入电压V_AB下线性充电，输出整流二极管D_O1导通，能量由电容C₁传递到V_O。

阶段2(t₁～t₂)，如图3b：t₁时刻，开关管S₁和S₂关断，电感L在(V_C1+V_C2)电压下线性放电，电感L的储能转移到电容C₁和C₂。输出整流二极管D_O1和D_O2反偏截止，输出电容C_O放电并给负载供电。

阶段3(t₂～t₃)，如图3c：t₂时刻，开关管S₂导通，电感L继续在(V_C1+V_C2)电压下线性放电，输出整流二极管D_O2导通，能量由电容C₂传递到V_O。

阶段4(t₃～t₄)，如图3d：t₃时刻，开关管S₁和S₂关断，电感L继续在(V_C1+V_C2)电压下线性放电，电感L的储能转移到电容C₁和C₂。输出整流二极管D_O1和D_O2反偏截止，输出电容C_O放电并给负载供电。当电感L的电流i_L下降到零时，此阶段完成。

阶段5(t₄～t₅)，如图3e：t₄时刻，开关管S₁和S₂关断，电感L的电流i_L下降到零，输出整流二极管D_O1和D_O2反偏截止，输出电容C_O放电并给负载供电。

(2)升降压PFC环节的升降压原理

t₀～t₁阶段电感在输入电压V_AB下线性充电，电流的增量为：

${\mathrm{\Δi}}_{L1}=\frac{V_{\mathrm{AB}}}{L}(t_4-t_2)=\frac{V_{\mathrm{AB}}}{L}{D}_{\mathrm{ON}}T---\left(1\right)$

其中D_ON是开关管S₁的导通占空比，T是开关周期。

t₁～t₄阶段电感在电压(V_C1+V_C2)下线性放电，电流的增量为：

${\mathrm{\Δi}}_{L2}=-\frac{V_{C1}+V_{C2}}{L}(t_4-t_1)=-\frac{V_{C1}+V_{C2}}{L}{T}_{\mathrm{OFF}}---\left(2\right)$

其中D_OFF是电感L放电的占空比。

当电路工作于电感电流i_L断续模式时，有Δi_L1＝|Δi_L2|，由此可得

$\frac{V_C}{V_{\mathrm{AB}}}=\frac{D_{\mathrm{ON}}}{D_{\mathrm{OFF}}}---\left(3\right)$

V_AB的幅值等于电源V_in的幅值，因此得

$\frac{V_C}{V_{\mathrm{in}}}=\frac{D_{\mathrm{ON}}}{D_{\mathrm{OFF}}}---\left(4\right)$

由式(4)可知当D_ON＞D_OFF时，V_C1+V_C2＞V_in；当D_ON＜D_OFF时，V_C1+V_C2＜V_in。通过控制占空比可以对电容的端电压进行初调，而且减小占空比D_ON可以有效的控制电容C₁和C₂的端电压之和低于输入电压幅值，从而降低了开关管S₁和S₂的电压应力。

(3)输入功率因数校正原理

由于电感电流i_L断续，在开关管S1的每个导通阶段i_L电流峰值与这个导通阶段输入电压V_CAB(V_CAB＝|V_in|)的平均值成比例，又因为每个导通阶段的电压平均值是正弦变化的，所以输入电流的峰值也是正弦变化的。而且电感电流脉冲总是从零开始，所以它们的平均值也是正弦变化的，如图5所示。所有交流电流脉冲组成了波形包含了50或60Hz频率的基波和开关频率分量，经过L_in、C_in滤波电路E得正弦输入电流i_Lin。

Claims (1)

1.一种单级半桥AC-DC变换器，包括输入滤波电路(E)，整流桥(Q)，电感(L)，第一电容(C₁)，第二电容(C₂)，第三电容(C₀)，第一开关管(S₁)，第二开关管(S₂)，第一二极管(D₀₁)、第二二极管(D₀₂)、和第三二极管(D)；其特征在于，输入滤波电路(E)与整流桥(Q)构成输入整流滤波电路；输入滤波电路(E)、整流桥(Q)、电感(L)、第一开关管(S₁)、第三二极管(D)和第一电容(C₁)、第二电容(C₂)构成升降压PFC环节；第一开关管(S₁)和第二开关管(S₂)、第一电容(C₁)、第二电容(C₂)、变压器(T)与第一二极管(D₀₁)和第二二极管(D₀₂)构成半桥DC-DC变换器环节；第三电容(C₀)并联在半桥DC-DC变换器的输出端；所述升降压PFC环节与半桥DC-DC变换器环节共用第一开关管(S₁)；所述电感(L)的一端与第三二极管(D)的阴极、整流桥(Q)的共阴极连接；电感(L)的另一端与第一电容(C₁)的一端、第一开关管(S₁)的漏极连接；第一电容(C₁)的另一端分别与第二电容(C₂)的一端、变压器(T)一次侧的异名端连接；第二电容(C₂)的另一端分别与第三二极管(D)的阳极、第二开关管(S₂)的源极连接；第一开关管(S₁)的源极分别与整流桥(Q)的共阳极、第二开关管(S₂)的漏极、变压器(T)一次侧的同名端连接。

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