CN101728961B - 一种ac/dc变换器 - Google Patents

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Abstract

一种AC/DC变换器，包括前级的PFC电路和后级的DC/DC变换器，特征是PFC电路是带中点箝位的PFC电路，DC/DC变换器是带同步整流的LLC变换器。本发明具有AC/DC功能，实现输入的PFC功能，使输入电流跟随输入电压，输出通讯电源负载所需要的48V、12V或其他功率等级的电压。中点箝位电路的功率开关管的电压应力是普通两电平PFC的功率开关管的电压应力的一半，选型就比较容易，输入滤波电感两端的电压是多电平，电感电流的过零点多，可以减少电感的尺寸，提升电源的功率密度。DC/DC变换器的功率开关管工作在ZCS或ZVS状态，可以降低其开关损耗。而采用输出同步整流场效应管代替输出整流二极管，可以减少输出整流管的导通损耗，进一步提高DC/DC变换器的变换效率。

Description

一种AC/DC变换器
技术领域
本发明涉及整流电源，特别是涉及一种AC/DC变换器。
背景技术
在交流到直流(AC/DC)的整流过程中，不仅需要实现电压的转换功能，还需要满足各种电源标准对功率因数(Power Factor，简称PF)、总谐波含量(TotalHarmonics Distortion，简称THD)和电磁干扰(Electromagnetic Inference，简称EMI)的要求。现有的AC/DC变换器包括前级的功率因数校正(Power Factor Correction，简称PFC电路和后级的DC/DC变换器，PFC的输出端与DC/DC变换器的输入端连接。图1所示的是常用的AC/DC变换器拓扑，AC为交流输入电源，PFC电路包括由二极管D1～D4构成的整流桥、BOOST整流电感L1、BOOST的续流二极管D5，以及直流母线电容C1，是典型的BOOST变换器，用于实现PFC的功能，使输入电流跟踪输入电压，提高电源的功率因素，减小电源的谐波干扰。移相全桥DC/DC变换器由4个开关管S1～S4、用于实现零电压开关(Zero Voltage Switching，简称ZVS)状态的电感Lr、隔直电容Cr、变压器T1、由输出二极管D6和D7构成的全波整流电路、输出电感Lo和输出电容Co构成，DC/DC变换器先将直流电变换成高频的交流电后，再通过全波整流电路将交流电整流成直流电，并使开关管S1～S4工作在ZVS。由于PFC的输入电流流过整流桥D1～D4，在整流桥上的损耗较大，难以提升电源效率；而DC/DC采用移相全桥的拓扑结构，滞后桥臂不容易实现ZVS，输出二极管D6、D7也难以做到零电流关断，其上的导通损耗也较大，此外，由于输出电感Lo体积较大，难以提升电源的功率密度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是弥补现有技术的不足，提出一种改进的AC/DC变换器。
本发明的技术问题采用以下技术方案予以解决：
一种AC/DC变换器，包括前级的PFC电路和后级的DC/DC变换器，所述PFC电路的输出端与所述DC/DC变换器的输入端连接。
这种AC/DC变换器的特点是：
所述PFC电路是带中点箝位的PFC电路。所述带中点箝位的PFC电路是三电平电路。三电平PFC电路的功率开关管的电压应力是普通两电平PFC的开关管电压应力的一半，因此，选型容易，尤其是在高压的应用场合下比两电平的拓扑容易选择开关管。所述PFC电路是升压型电路，通过对功率开关管的脉宽调制实现输入电流的功率因数校正，同时将交流输入电压转换为直流母线电压。
这种AC/DC变换器的进一步特点是：
所述DC/DC变换器是输出隔离的带输出同步整流电路的LLC串联谐振电路，组成DC/DC变换器的功率开关管工作在ZCS或ZVS状态。工作在ZVS的功率开关管的开关损耗比较小，同时采用输出同步整流电路可以减少输出整流管的通态损耗，进一步提高DC/DC变换器的变换效率，从而实现高效率的要求。
本发明的技术问题采用以下进一步的技术方案予以解决：
所述PFC电路是半桥中点箝位PFC电路、全桥中点箝位PFC电路、带输入滤波电容的全桥中点箝位PFC电路，以及带输入滤波二极管的全桥中点箝位PFC电路中的一种。
所述带输入滤波电容的全桥中点箝位PFC电路，其桥臂中的上下两个开关管的中间接点与地线之间连接有箝位二极管，其输入电源的正负端分别连接有滤波电容，滤波电容的另一端连接到PFC输出端的中点。
所述带输入滤波二极管的全桥中点箝位PFC电路，其桥臂中的上下两个开关管的中间接点与地线之间连接有箝位二极管，在输入电源的正负端分别连接有滤波二极管，滤波二极管的另一端连接到PFC输出端的中点。
所述开关管，是场效应管、绝缘栅双极型晶体管IGBT和外置的反向二极管、集成门极换向晶闸管和外置的反向二极管、门极可关断晶闸管GTO和外置的反向二极管，垂直结型场效应晶体管VJFET和外置的反向二极管中的一种。
所述PFC电路还包括输入滤波电感，所述输入滤波电感是连接在输入电源一端的一个电感，和分别连接在输入电源两端的两个电感中的一种。
优选的，所述DC/DC变换器是半桥中点箝位DC/DC变换器、全桥中点箝位DC/DC变换器、单相全桥两电平DC/DC变换器、三相全桥DC/DC变换器中的一种。
所述开关管，是场效应管、绝缘栅双极型晶体管IGBT和外置的反向二极管、集成门极换向晶闸管和外置的反向二极管、门极可关断晶闸管GTO和外置的反向二极管，垂直结型场效应晶体管VJFET和外置的反向二极管中的一种。
所述LLC串联型谐振电路是单相LLC串联型谐振电路，以及三相LLC串联型谐振电路中的一种。
本发明与现有技术对比的有益效果是：
本发明的中点箝位PFC的功率开关管的电压应力是普通两电平PFC的功率开关管的电压应力的一半，例如在中高压电源系统中，如果两电平PFC的拓扑中需要用耐压2500V的功率开关管，而发明电路中的功率开关管只需要耐压1250V，选型就比较容易，选择常用的耐压1700V的开关管即可。
输入滤波电感两端的电压是多电平，电感电流的过零点多，可以减少电感的尺寸，提高PFC电路的功率因数(Power Factor，简称PF)，减小总谐波含量(Total HarmonicsDistortion，简称THD)，从而提升电源的功率密度。
输出隔离的带同步整流的LLC串联谐振型DC/DC变换器的功率开关管工作在ZVS状态，可以降低其开关损耗。
而采用输出同步整流场效应管代替输出整流二极管，可以减少输出整流管的导通损耗，进一步提高DC/DC变换器的变换效率和电源效率。
附图说明
图1是常用的一种AC/DC变换器拓扑；
图2是本发明具体实施方式一的电路图；
图3图2电路的PFC的A点对地的电压波形图；
图4是图2电路的PFC在输入电压正半周期时开关管M1、M2导通时的电流流向图；
图5是图2电路的PFC在输入电压正半周期时开关管M2、M3导通时的电流流向图；
图6是图2电路的DC/DC变换器开关管M5、M6导通时的电流流向图；
图7是图2电路的DC/DC变换器开关管M6、M7导通时的电流流向图；
图8是本发明具体实施方式二的电路图；
图9是本发明具体实施方式三的电路图；
图10中点箝位五电平PFC的电感电压和电感电流波形图；
图11是本发明具体实施方式四的电路图；
图12是本发明具体实施方式五的电路图；
图13是本发明具体实施方式六的电路图；
图14是本发明具体实施方式七的电路图；
图15是本发明具体实施方式八的电路图；
图16是本发明具体实施方式九的电路图；
图17是本发明具体实施方式十的电路图；
图18是本发明具体实施方式十一的电路图；
图19是本发明具体实施方式十二的电路图；
图20是本发明具体实施方式十三的电路图。
具体实施方式
下面将结合具体实施方式并对照附图对本发明作进一步说明。
具体实施方式一：带中点箝位的半桥三电平PFC和带输出同步整流的LLC串联谐振型半桥中点箝位DC/DC变换器
如图2所示PFC变换器的直流母线电压大于输入Vi峰值的2倍，Vi为PFC电路的输入电源。该AC/DC变换器包括PFC的输入滤波电感L1，带中点箝位的半桥三电平PFC的功率开关管M1、M2、M3、M4、中点箝位二极管D1、D2，以及直流母线电容C1、C2。直流母线电容C1、C2的中点是箝位中点。
DC/DC变换器包括功率变换开关管M5、M6、M7、M8、中点箝位二极管D3、D4、LLC串联谐振的谐振电感Lr、LLC串联谐振的谐振电容Cr、输出隔离变压器T1。输出隔离变压器T1的励磁电感与谐振电感Lr、谐振电容Cr组成LLC串联型谐振电路。
该DC/DC变换器还包括输出同步整流场效应管Msr1、Msr2、输出滤波电容Co。Load为负载。
通过上述LLC串联型谐振电路实现DC/DC变换器的场效应管M5、M6、M7、M8的零电压开关；用场效应管Msr1、Msr2作为输出同步整流管代替常用的输出整流二极管可以减少输出整流管导通时的通态损耗，提高DC/DC变换器的效率。
带中点箝位的半桥三电平PFC和DC/DC变换器的控制是独立的。PFC提供稳定的直流母线电压，同时实现功率因数校正。DC/DC变换器将直流母线电压转换为通讯电源需要的48V或其他电压等级。
图2电路的带中点箝位的半桥三电平PFC工作模式有三种，A点对地的电压有三个值即三电平：-Vdc/2、0、Vdc/2，Vdc是直流母线电压。桥臂上面的两个开关管M1、M2同时导通，或者上面的最外面的开关管M1关断、中间的两个开关管M2、M3导通，或者上面的两个开关管M1、M2都关断、下面的两个开关管M3、M4导通。PFC各种模态下的电流流向如图4～7所示。负半周期的电流流向与正半周期是对称的，下面以图2电路的PFC在输入电压正半周期时为例进行说明。
Vi工作在正半周期，开关管M1、M2同时导通，电流的流向是Vi电源→电感L1→开关管M2→开关管M1→电容C1→电源Vi。如图4所示。
Vi工作在正半周期，开关管M2、M3导通，电流的流向是Vi电源→电感L1→开关管M3→二极管D2→电源Vi。如图5所示。
图2电路的带输出同步整流LLC串联谐振型中点箝位DC/DC变换器的相应工作模式如下：
开关管M5、M6导通时，电流的流向是母线电容C1的正端→开关管M5、M6→谐振电感Lr→谐振电容Cr→隔离变压器T1的原边→电容C1的负端；隔离变压器T1的副边上面绕组的电流的流向是副边上面绕组的带点的同名端→输出同步整流场效应管Msr1→输出滤波电容Co和负载Load→变压器副边绕组中心抽头。如图6所示。
开关管M6、M7导通时，电流的流向是
电流在中点箝位的四个开关管子中流动，从地→箝位二极管D3→开关管M6→开关管M7→箝位二极管D4→地。如图6所示。输出电容Co提供负载所需要的能量。
具体实施方式一的PFC中点箝位的半桥拓扑，电路结构简单，开关管的电压应力是普通的两电平的半桥PFC的开关管电压应力的一半，输入滤波电感L1电压是三电平，比普通的两电平的半桥PFC的电感电流的过零点多，PF和THD特性比两电平的半桥PFC要好。带输出隔离的输出同步整流的LLC串联谐振DC/DC变换器比现有的移相全桥的DC/DC变换器的开关管的开关损耗小，输出同步整流管比输出全波整流二极管的导通损耗小很多，可以使DC/DC的效率提高1％左右。
具体实施方式二：带中点箝位的半桥三电平PFC和带输出同步整流的LLC串联谐振型半桥中点箝位DC/DC变换器
如图8所示的变换器，与具体实施方式一的基本电路相同，区别是：谐振电路由单独的电感Lm与Lr、Cr组成谐振电路，而不是用输出隔离变压器的励磁电感进行谐振。
具体实施方式三：带中点箝位全桥PFC和带输出同步整流的LLC串联谐振型全桥中点箝位DC/DC变换器
如图9所示的变换器，与具体实施方式一的基本电路相同，区别之一是：PFC是中点箝位全桥多电平PFC，不是带中点箝位的半桥三电平PFC；区别之二是：DC/DC变换器是带输出同步整流的LLC串联谐振型全桥中点箝位DC/DC变换器，不是带输出同步整流的LLC串联谐振型半桥中点箝位DC/DC变换器。区别之三是：PFC的输入滤波电感用两个分离的输入滤波电感L2和L3代替，分别接在输入电源Vi的两端，输入滤波电感L2、L3的电感总量等于只接在输入电源Vi一端的输入滤波电感L1的电感量。
图9所示的变换器，包括输入电源Vi、输入滤波电感L2、L3、由场效应管M1、M2、M3、M4和箝位二极管D1、D2组成的中点箝位桥臂一、由场效应管M9、M10、M11、M12及箝位二极管D5、D6组成的中点箝位桥臂二、以及直流母线电容C1、C2构成的PFC电路；由场效应管M5、M6、M7、M8和箝位二极管D3、D4组成的中点箝位桥臂三、由场效应管M13、M14、M15、M16和箝位二极管D7、D8组成的中点箝位桥臂四、LLC串联型谐振电路、输出隔离变压器T1、输出同步整流场效应管Msr1、Msr2，以及输出滤波电容Co，Load为负载。
该全桥中点箝位PFC电路根据调制方法不同可以实现三电平或五电平。三电平同具体实施方式一，五电平是如图10所示的A、B点间点的电压有五个值：-Vdc、-Vdc/2、0、Vdc/2、Vdc，2Vdc是直流母线电压。五电平电路中电感的电压为五电平，电感电流的过零点多，电感的尺寸可以变小，提高PFC电路的PF值，减小THD。直流母线电压大于输入Vi峰值，开关管M1、M2、M3、M4、M9、M10、M11、M12的电压应力比具体实施方式一半桥中点箝位PFC电路的开关管M1、M2、M3、M4小。
具体实施方式三的PFC中点箝位的全桥拓扑，开关管的电压应力是普通的两电平的全桥PFC的开关管电压应力的一半，输入滤波电感L2、L3的电压是三电平或者五电平，比普通的两电平的全桥PFC的电感电流的过零点多，PF和THD特性比两电平的全桥PFC要好。且带输出隔离的输出同步整流的LLC串联谐振DC/DC变换器比现有的移相全桥的DC/DC变换器的开关管的开关损耗小，输出同步整流管比输出全波整流二极管的导通损耗小很多，可以使DC/DC的效率提高1％左右。
具体实施方式四：带输入滤波电容的全桥中点箝位PFC和带输出同步整流的LLC串联谐振型全桥中点箝位DC/DC变换器
如图11所示的变换器，与具体实施方式三的基本电路相同，区别是：在输入电源的正负两端分别接滤波电容C3、C4，滤波电容C3、C4的另一端连接到PFC输出端的中点，通过滤波电容减少具体实施方式三电路的EMI干扰。
具体实施方式五：带输入滤波二极管的全桥中点箝位PFC和带输出同步整流的LLC串联谐振型全桥中点箝位DC/DC变换器
如图12所示的变换器，与具体实施方式四的基本电路相同，区别是：在输入电源两端接滤波二极管D9、D10，滤波二极管D9、D10的另一端连接到PFC输出端的中点，通过滤波二极管减少具体实施方式三电路的EMI干扰。
具体实施方式六：全桥中点箝位PFC和输出隔离的带输出同步整流的LLC串联谐振型全桥两电平DC/DC变换器
如图13所示的变换器，与具体实施方式三的基本电路相同，区别是：DC/DC变换器是两电平DC/DC变换器，不是中点箝位三电平DC/DC变换器；还增加了直流母线储能电容C5。
具体实施方式七：带输入滤波电容的全桥中点箝位三电平PFC和带输出同步整流的LLC串联谐振型全桥两电平DC/DC变换器
如图14所示的变换器，与具体实施方式四的基本电路相同，区别是：DC/DC变换器是两电平DC/DC变换器，不是中点箝位三电平DC/DC变换器；还增加了直流母线储能电容C5，电容C1和C2是为了产生中点箝位的中点。
具体实施方式八：带输入滤波二极管的全桥中点箝位PFC和带输出同步整流的LLC串联谐振型全桥两电平DC/DC变换器
如图15所示的变换器，与具体实施方式五的基本电路相同，区别是：DC/DC变换器是两电平，不是中点箝位三电平；还增加了直流母线储能电容C5，电容C1和C2是为了产生中点箝位的中点。
具体实施方式九：带全桥中点箝位PFC和带输出同步整流的三相全桥LLC串联谐振型DC/DC变换器
如图16所示的变换器，与具体实施方式一的基本电路相同，区别是：DC/DC变换器是带输出同步整流的三相全桥LLC串联谐振型DC/DC变换器，不是LLC串联谐振型半桥中点箝位DC/DC变换器。由场效应管M1、M2、M3、M4和箝位二极管D1、D2组成中点箝位桥臂一、由场效应管M5、M6、M7、M8和箝位二极管D3、D4组成中点箝位桥臂二、以及直流母线电容C1、C2、C5构成PFC电路；还包括场效应管M9、M10、M11、M12、M13、M14、三相LLC串联谐振电路、输出隔离变压器T1、三相输出同步整流场效应管M15、M16、M17、M18、M19、M20，以及输出滤波电容Co。Load为负载。
本具体实施方式采用三相全桥的LLC串联谐振，与单相全桥的LLC串联谐振的重要区别是输出滤波电容Co的容量与体积要小得多，这样，在相同的输入电源和相同输出电压的条件下，采用三相全桥的LLC串联谐振的变换效率和电源效率比采用单相全桥的LLC串联谐振的变换效率和电源效率要高的多。
具体实施方式十：带全桥中点箝位PFC和带输出同步整流的三相全桥LLC串联谐振型DC/DC变换器
如图17所示的变换器，与具体实施方式二的基本电路相同，区别是：DC/DC变换器是带输出同步整流的三相全桥LLC串联谐振型DC/DC变换器，不是LLC串联谐振型半桥中点箝位DC/DC变换器。
具体实施方式十一：带输入滤波电容的全桥中点箝位PFC和带输出同步整流的三相全桥LLC串联谐振型DC/DC变换器
如图18所示的变换器，与具体实施方式七的基本电路相同，区别是：DC/DC变换器是三相全桥LLC串联谐振型DC/DC变换器，不是单相全桥两电平DC/DC变换器。
具体实施方式十二：带输入滤波二极管的全桥中点箝位PFC和带输出同步整流的三相全桥LLC串联谐振型DC/DC变换器
如图19所示的变换器，与具体实施方式八的基本电路相同，区别是：DC/DC变换器是三相全桥LLC串联谐振型DC/DC变换器，不是单相全桥两电平DC/DC变换器。
具体实施方式十三：半桥中点箝位PFC和带输出同步整流的三相全桥LLC串联谐振型DC/DC变换器
如图20所示的变换器，与具体实施方式一的基本电路相同，区别是：DC/DC变换器是三相全桥LLC串联谐振型DC/DC变换器，不是半桥中点箝位DC/DC变换器。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种AC/DC变换器，其特征在于：包括前级的PFC电路和后级的DC/DC变换器，所述PFC电路的输出端与所述DC/DC变换器的输入端连接，所述PFC电路是带中点箝位的半桥PFC电路或全桥PFC电路，所述中点箝位为所述PFC电路的每个桥臂的上面两个开关管的中间节点与地线之间连接有箝位二极管，下面两个开关管的中间节点与地线之间连接有箝位二极管。
2.如权利要求1所述的AC/DC变换器，其特征在于：
所述DC/DC变换器是输出隔离的带输出同步整流电路的LLC串联谐振电路，组成DC/DC变换器的功率开关管工作在ZCS或ZVS状态。
3.如权利要求1所述的AC/DC变换器，其特征在于：
所述PFC电路是带输入滤波电容的全桥中点箝位PFC电路，以及带输入滤波二极管的全桥中点箝位PFC电路中的一种。
4.如权利要求3所述的AC/DC变换器，其特征在于：
所述带输入滤波电容的全桥中点箝位PFC电路，其输入电源的正负端分别连接有
滤波电容，滤波电容的另一端连接到PFC输出端的中点。
5.如权利要求3所述的AC/DC变换器，其特征在于：
所述带输入滤波二极管的全桥中点箝位PFC电路，在输入电源的正负端分别连接
有滤波二极管，滤波二极管的另一端连接到PFC输出端的中点。
6.如权利要求5所述的AC/DC变换器，其特征在于：
所述开关管，是场效应管、绝缘栅双极型晶体管IGBT和外置的反向二极管、集成门极换向晶闸管和外置的反向二极管、门极可关断晶闸管GTO和外置的反向二极管，垂直结型场效应晶体管VJFET和外置的反向二极管中的一种。
7.如权利要求1到6中任一一种所述的AC/DC变换器，其特征在于：
所述PFC电路还包括输入滤波电感，所述输入滤波电感是连接在输入电源一端的一个电感，和分别连接在输入电源两端的两个电感中的一种。
8.如权利要求7所述的AC/DC变换器，其特征在于：
所述DC/DC变换器是半桥中点箝位DC/DC变换器、全桥中点箝位DC/DC变换器、单相全桥两电平DC/DC变换器、三相全桥DC/DC变换器中的一种。
9.如权利要求8所述的AC/DC变换器，其特征在于：
所述开关管，是场效应管、绝缘栅双极型晶体管IGBT和外置的反向二极管、集成门极换向晶闸管和外置的反向二极管、门极可关断晶闸管GTO和外置的反向二极管，垂直结型场效应晶体管VJFET和外置的反向二极管中的一种。
10.如权利要求2所述的AC/DC变换器，其特征在于：
所述LLC串联型谐振电路是单相LLC串联型谐振电路，以及三相LLC串联型谐振电路中的一种。
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