CN101527520B - 基于llc串联谐振的单级单相ac-dc变换器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于LLC串联谐振的单级单相AC-DC变换器，包括一个单相PFC环节、一个LLC串联谐振DC-DC变换器环节和输出滤波电容(C_O)，所述单相PFC环节与LLC串联谐振DC-DC变换器环节共用第一MOS管和第二MOS管，通过该两个MOS管的切换工作同时实现输入功率因数校正和输出电压调节，并实现所有功率器件的软开关，具有较高的效率。单相PFC变换器与DC-DC变换器共同构成单级单相AC-DC变换器。单相PFC变换器与DC-DC变换器共用一对MOS管，该发明涉及的电路省去了两个输入整流二极管、一个开关管和一个续流二极管，降低了电路的成本和体积，本发明适合用作LCD电源。

Description

基于LLC串联谐振的单级单相AC-DC变换器

技术领域

本发明涉及AC-DC变换器，尤其涉及一种实现功率因数校正和软开关的单级单相AC-DC变换器。

背景技术

具有隔离变压器的单相AC-DC变换器已广泛应用于LCD和LED等电源中。传统的单相AC-DC变换器在输入整流桥后直接接储能大电容，导致变换器功率因数低、输入电流谐波大，并且对电网造成污染。为了减小单相AC-DC变换器的输入电流谐波，提高输入功率因数，减小变换器对电网的污染，一般在整流桥后加入一级有源功率因数校正环节。当单相AC-DC变换器需要隔离时，还要在有源功率因数校正环节后加入一级带隔离变压器的DC-DC变换器。因此，传统的具有隔离变压器的单相AC-DC变换器一般由输入整流桥、有源功率因数校正环节、带隔离变压器的DC-DC变换器组合而成，如图1所示，整个单相AC-DC变换器使用的功率管较多，而且经过多级变换，造成较大的功率损耗，特别是开关损耗。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述不足，提供一种基于LLC串联谐振的单级单相AC-DC变换器，将输入整流桥、有源功率因数校正环节和带隔离变压器的DC-DC变换器集成，即将这三个变换环节的二极管和开关管集成，从而构成新的单级AC-DC变换器，同时采用LLC串联谐振回路实现所有功率器件的软开关。

本发明通过如下技术方案实现：

基于LLC串联谐振的单级单相AC-DC变换器，其包括一个单相PFC环节、一个LLC串联谐振DC-DC变换器环节和输出滤波电容C_O，所述单相PFC环节由一个输入电感L、第一二极管D₁和第二二极管D₂、第一MOS管S₁和第二MOS管S₂和一个储能电容C_d构成；所述LLC串联谐振DC-DC变换器环节由上述两个MOS管S₁、S₂、一个谐振电容C_r、一个变压器T、输出整流二极管之一D_O1、输出整流二极管之二D_O2及集成在所述变压器T中的励磁电感L_m和漏电感L_r构成；所述单相PFC环节与LLC串联谐振DC-DC变换器环节共用第一MOS管S₁和第二MOS管S₂，并通过该两个MOS管的切换工作同时实现输入功率因数校正和输出电压调节。

上述基于LLC串联谐振的单级单相AC-DC变换器中，单相PFC变换器的输入整流桥由第一二极管D₁、第二二极管D₂、第一MOS管S₁和第二MOS管S₂构成；单相交流电源的一端通过输入电感L和第一二极管D₁的阳极、第二二极管D₂的阴极连接；单相交流电源的另一端直接与第一MOS管S₁的源极、第二MOS管S₂的漏极连接，然后再与变压器T的同名端连接；储能电容C_d的一端与第一MOS管S₁的漏极、第一二极管D₁的阴极连接；储能电容C_d的另一端与第二MOS管S₂的源极、第二二极管D₂的阳极连接，然后再与谐振电容C_r的一端连接，谐振电容C_r的另一端与变压器T的异名端连接。

本发明具有如下优点和效果：单相PFC变换器与DC-DC变换器共同构成单级单相AC-DC变换器。单相PFC变换器与DC-DC变换器共用一对MOS管S₁和S₂，相对于传统的Boost PFC+LLC串联谐振DC-DC变换器构成的单相两级AC-DC变换器，该发明涉及的电路省去了两个输入整流二极管、一个开关管和一个续流二极管，降低了电路的成本和体积。本发明采用LLC串联谐振技术实现MOS管S₁和S₂的零电压开关，以及整流二极管D_O1和D_O2的零电流关断，电路中所有功率器件都实现软开关，从而极大地降低该发明电路的开关损耗。本发明适合用作LCD电源。相对于传统的带隔离变压器的多级AC-DC变换器，本发明的电路结构简单，功率器件较少，控制电路简单，效率高。

附图说明

图1为传统的具有隔离变压器的单相AC-DC变换器电路图。

图2是本发明实施方式中的电路实例图，图中，D_S1和C_S1分别为MOS管S₁的体二极管和体电容，D_S2和C_S2分别为MOS管S₂的体二极管和体电容；

图3是本发明实施方式中在不同时间阶段(t₀～t₉)的工作原理示意图；

图4a～图4i为实施方式中分别对应于不同阶段的工作模态(Va＞0)示意图；

图5a、图5b为实施方式中输入电源Va＜0时的两种工作模态示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步描述。本发明涉及的电路包含：

一个单相PFC变换器，它由一个输入电感L、两个二极管D₁和D₂、两个MOS管S₁和S₂、一个储能电容C_d构成；

一个LLC串联谐振DC-DC变换器，它由两个MOS管S₁和S₂、一个谐振电容C_r、一个变压器T及其集成的励磁电感Lm和漏电感Lr、两个输出整流二极管D_O1和D_O2构成；

一个输出滤波电容C_O。

参考图2，输入电感L、二极管D₁和D₂、MOS管S₁和S₂、储能电容C_d构成单相PFC变换器；MOS管S₁和S₂、谐振电容C_r、变压器T及其集成的励磁电感Lm和漏电感Lr、输出整流二极管D_O1和D_O2构成LLC串联谐振DC-DC变换器；单相PFC变换器与LLC串联谐振DC-DC变换器共用两个MOS管S₁和S₂；单相交流电源V_a的一端通过输入电感L和二极管D₁的阳极、二极管D₂的阴极连接；单相交流电源V_a的另一端直接与MOS管S₁的源极、MOS管S₂的漏极连接，然后再与变压器的同名端连接；储能电容C_d的一端与MOS管S₁的漏极、二极管D₁的阴极连接；储能电容C_d的另一端与MOS管S₂的源极、二极管D₂的阳极连接，然后再与谐振电容C_r的一端连接；谐振电容C_r的另一端与变压器T的异名端连接。

图3给出了本发明的工作原理，图4和5给出了本发明的工作模态。电路稳态工作时，本发明的工作过程如下：

(1)当输入电源Va＞0时，工作原理和工作模态分别如图3和4所示。

阶段1(t₀～t₁)，如图4a：t₀时刻MOS管S₁和S₂关断，电感L_m的电流i_Lm与谐振电流i_Lr相等，变压器一次侧电流i_p为零，输出被变压器隔离，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。谐振电流i_Lr对S₂的体电容C_S2充电，同时为S₁的体电容C_S1放电。t_1’时刻，当C_S1的端电压V_CS1小于输入电压Va时，输入二极管D₁开始导通，电感L在电压(Va-V_CS1)下充电。当C_S1放电结束时，S₁上的体二极管D_S1导通，阶段1工作状态结束。

阶段2(t₁～t₂)，如图4b：t₁时刻，S₂关断，体二极管D_S1导通，为S₁的ZVS导通创造条件。此时输出整流二极管D_O1导通，变压器一次侧电压被钳位在nV_O，L_m在此电压下线性充电，不参与谐振，i_p＝i_Lr-i_Lm。电感L在输入电压Va下线性充电。当谐振电流iLr上升至0时，阶段2工作状态结束。

阶段3(t₂～t₃)，如图4c：S₁在阶段1时已加上门极驱动信号，在t₂时刻，谐振电流i_Lr由负变正时，S₁正向导通，电感L继续在输入电压Va下线性充电，输出整流二极管D_O1导通，变压器一次侧电压被钳位在nV_O，Lm在此电压下线性充电，不参与谐振，能量由V_Cd传递到V_O。当i_Lm等于谐振电流i_Lr时，阶段3结束。

阶段4(t₃～t₄)，如图4d：t₃时刻，i_Lm等于谐振电流i_Lr，L_m参与谐振，输出整流二极管D_O1反偏截止，输出电容C_O放电并给负载供电。电感L继续在输入电压Va下线性充电。

阶段5(t₄～t₅)，如图4e：t₄时刻，S₁和S₂关断，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，谐振电流i_Lr对体电容C_S1充电，同时为体电容C_S2放电。t_5’时刻，当C_S1的端电压VC_S1大于输入电压Va时，电感L在电压(V_CS1-Va)下放电。当C_S2放电结束时，S₂上的体二极管D_S2导通，阶段5工作状态结束。

阶段6(t₅～t₆)，如图4f：t₅时刻，体二极管D_S2导通，为S₂的ZVS导通创造条件。电感L在电压V_Cd下放电并给储能电容C_d充电。此时输出整流二极管D_O2导通，变压器一次侧电压被钳位在-nVO，L_m在此电压下线性充电，不参与谐振，i_p＝i_Lr-i_Lm。当谐振电流i_Lr下降至0时，阶段6工作状态结束。

阶段7(t₆～t₇)，如图4g：S₂在阶段6时已加上门极驱动信号，在t₆时刻，谐振电流i_Lr由正变负时，S₂正向导通，输出整流二极管D_O2导通，变压器一次侧电压被钳位在-nV_O，L_m在此电压下线性充电，不参与谐振，谐振电流流经L_m和变压器一次侧，传递能量至V_O。电感L在电压V_Cd下放电并给储能电容C_d充电，当电感电流i_L下降到零时，D₁反偏截止，阶段7结束。

阶段8(t₇～t₈)，如图4h：t₇时刻，电感电流i_L下降到零时，D₁反偏截止，谐振电流继续流经L_m和变压器一次侧，传递能量至V_O。当i_Lm等于谐振电流i_Lr时，阶段8结束。

阶段9(t₈～t₉)，如图4i：t₈时刻，i_Lm等于谐振电流i_Lr，L_m参与谐振，输出整流二极管D_O2反偏截止，输出电容C_O放电并给负载供电。

(2)当输入电源Va＜0，工作波形如图5所示。

当输入电源Va＜0时，电路工作模态与输入电源Va＞0时的工作模态近似。所不同的是当S₁关断和S₂导通时，电感L在输入电压Va下线性充电，见图5a；当S₁导通和S₂关断时，电感L在输入电压Va下线性放电，见图5b。

为验证本发明的基于LLC串联谐振的单级单相AC-DC变换器的功率因数校正能力和电压调节性能，我们进行了有关实验，并采用变频控制技术对该电路进行控制。实验结果表明，功率因数和效率分别达到99％和94％。相对于传统的带隔离变压器的多级AC-DC变换器，本发明的电路结构简单，功率器件较少，控制电路简单，效率高。

Claims (3)

1.基于LLC串联谐振的单级单相AC-DC变换器，其特征在于包括一个单相PFC环节、一个LLC串联谐振DC-DC变换器环节和输出滤波电容(C_O)，所述单相PFC环节由一个输入电感(L)、第一二极管(D₁)和第二二极管(D₂)、第一MOS管(S₁)和第二MOS管(S₂)和一个储能电容(C_d)构成；所述LLC串联谐振DC-DC变换器环节由上述两个MOS管(S₁、S₂)、一个谐振电容(C_r)、一个变压器(T)、输出整流二极管之一(D_O1)和输出整流二极管之二(D_O2)构成；所述单相PFC环节与LLC串联谐振DC-DC变换器环节共用第一MOS管(S₁)和第二MOS管(S₂)，并通过该两个MOS管的切换工作同时实现输入功率因数校正和输出电压调节。

2.根据权利要求1所述的基于LLC串联谐振的单级单相AC-DC变换器，其特征在于，单相PFC环节的输入整流桥由第一二极管(D₁)、第二二极管(D₂)、第一MOS管(S₁)和第二MOS管(S₂)构成；单相交流电源的一端通过输入电感(L)和第一二极管(D₁)的阳极、第二二极管(D₂)的阴极连接；单相交流电源的另一端直接与第一MOS管(S₁)的源极、第二MOS管(S₂)的漏极连接，然后再与变压器(T)的原边绕组的同名端连接；储能电容(C_d)的一端与第一MOS管(S₁)的漏极、第一二极管(D₁)的阴极连接；储能电容(C_d)的另一端与第二MOS管(S₂)的源极、第二二极管(D₂)的阳极连接，然后再与谐振电容(C_r)的一端连接，谐振电容(C_r)的另一端与变压器(T)的原边绕组的异名端连接。

3.根据权利要求1所述的基于LLC串联谐振的单级单相AC-DC变换器，其特征在于所述变压器(T)集成有励磁电感(L_m)和漏电感(L_r)。

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