CN102263513A - 一种ac-dc隔离变换电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种AC-DC隔离变换电路，连接在交流电源与负载之间，所述AC-DC隔离变换电路包括与交流电源相连、对交流电源提供的交流电进行滤波的滤波器，与所述滤波器相连、对交流电的各相进行整流、功率因数校正和隔离调节的单级电路以及对所述单级电路进行控制调节的控制器。本发明中，通过控制器的控制调节，单级电路同时对交流电的各相进行整流、功率因数校正和隔离调节，从而形成了AC-DC隔离变换电路的单级AC-DC转换结构，控制方式简单，且输入端没有单独的整流电路，无须PFC电路和高压大电容，电路效率较高。

Description

一种AC-DC隔离变换电路

技术领域

本发明涉及开关电源技术领域，更具体地说，涉及一种AC-DC隔离变换电路。

背景技术

目前，广泛应用的AC-DC变换电路基本都由整流电路和DC-DC转换电路组成，如图1所示，是现有AC-DC两级结构变换电路的原理框图，第一级整流电路实现滤波、AC-DC整流功能，第二级DC-DC转换电路实现变压、稳压和隔离功能。在上述两级结构变换电路中，通常为了减少输出纹波，在整流电路的输出端需接一个耐高压、大容量的电解电容C1，其不仅增加了电路的成本，还降低了电路的功率因数。如图2所示，是现有AC-DC三级结构变换电路的原理框图，AC-DC三级结构变换电路在AC-DC两级结构变换电路的基础上增加了中间级即功率因数校正(Power Factor Correction，简称为PFC)电路，PFC电路主要使用在较大功率应用时，功率因数较高，但PFC电路的控制较复杂，并且需在PFC电路的输出端需接一个耐高压、大容量的电解电容C1，不仅增加了电路的成本，还降低了电路的功率因数。另外，在上述图1所示的AC-DC两级结构变换电路和图2所示的AC-DC三级结构变换电路中，首先都需通过整流电路进行整流，然后再进行变换，使电路效率降低。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述AC-DC变换电路控制复杂、成本高、功率因数低和效率低的缺陷，提供一种控制方式简单、电路效率较高的AC-DC隔离变换电路。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种AC-DC隔离变换电路，连接在交流电源与负载之间，所述AC-DC隔离变换电路包括与交流电源相连、对交流电源提供的交流电进行滤波的滤波器，其特征在于，还包括与所述滤波器相连、对交流电的各相进行整流、功率因数校正和隔离调节的单级电路以及对所述单级电路进行控制调节的控制器。

本发明所述的AC-DC隔离变换电路中，所述单级电路包括高频变压器和开关管，所述开关管连接在高频变压器原边；所述控制器控制所述开关管导通或截止，所述开关管导通时，高频变压器的原边形成通路，以使高频变压器的副边耦合并产生一输出电压。

本发明所述的AC-DC隔离变换电路中，所述单级电路包括多个高频变压器，该多个高频变压器的数量与交流电的相数相同，每个高频变压器的原边均连接一个开关管，控制器控制各开关管同时导通或截止，当各开关管都导通时，该多个高频变压器的原边相互之间形成通路，以使该多个高频变压器的副边均耦合并产生一输出电压。

本发明所述的AC-DC隔离变换电路中，所述单级电路还包括对所述输出电压进行整流及续流以产生一直流电压的整流续流电路，所述直流电压用于为负载供电。

本发明所述的AC-DC隔离变换电路中，所述单级电路还包括励磁电流吸收电路，当各开关管都截至时，该多个高频变压器的原边均断开，该多个高频变压器的副边上产生的励磁电流经所述励磁电流吸收电路并输出至负载，以提供续流。

本发明所述的AC-DC隔离变换电路中，所述交流电源采用三相交流供电，所述单级电路包括三路子单级电路，每路子单级电路均包括一高频变压器，且所述高频变压器工作在正激模式；

每路子单级电路还包括第一开关管、第二开关管、第一整流管、第二整流管、第一励磁整流二极管、第二励磁整流二极管、续流二极管、续流电感、励磁电流开关管、输出电容和第一隔离反相器，所述滤波器的一火线输出端接至高频变压器原边的异名端，高频变压器原边的同名端接至第一开关管的漏极，第一开关管的源极与第二开关管的源极相连且接至控制器的零线端，第二开关管的漏极接至所述滤波器的中线输出端，第一开关管的栅极和第二开关管的栅极相连且接至控制器的控制端；高频变压器副边的异名端分别接至第一整流二极管的正极和第一励磁整流二极管的正极，高频变压器副边的同名端接至第二整流二极管的正极和第二励磁整流二极管的正极，第一整流二极管的负极和第二整流二极管的负极相连且接至续流电感的第一端，续流电感的第二端接至负载的输入正端，第一励磁整流二极管的负极和第二励磁整流二极管的负极相连且接至励磁电流开关管的漏极，励磁电流开关管的源极接至负载的输入正端，控制器的控制端通过第一隔离反相器接至励磁电流开关管的栅极，控制器的第一反馈端接至高频变压器副边的中间抽头，且控制器的第一反馈端接至负载的输入中线端，控制器的第二反馈端接至负载的输入正端，续流二极管的正极接至负载的输入中线端，续流二极管的负极接至第一整流管的负极，输出电容连接在负载的输入正端与负载的输入中线端之间。

进一步地，每路子单级电路还包括第三开关管、第二隔离反相器和嵌位电容，控制器的控制端通过第二隔离反相器接至第三开关管的栅极，第三开关管的漏极通过嵌位电容接至高频变压器原边的同名端，且三路子单级电路中的第三开关管的源极均相连。

本发明所述的AC-DC隔离变换电路中，所述交流电源采用三相交流供电，所述单级电路包括三路子单级电路，每路子单级电路均包括一高频变压器，且所述高频变压器工作在反激模式；

每路子单级电路还包括第一开关管、第二开关管、第一整流管、第二整流管、励磁电流开关管、输出电容和第一隔离反相器，所述滤波器的一火线输出端接至高频变压器原边的异名端，高频变压器原边的同名端接至第一开关管的漏极，第一开关管的源极与第二开关管的源极相连且接至控制器的零线端，第二开关管的漏极接至所述滤波器的中线输出端，第一开关管的栅极和第二开关管的栅极相连且接至控制器的控制端；高频变压器副边的异名端接至第一整流二极管的正极，高频变压器副边的同名端接至第二整流二极管的正极，第一整流二极管的负极和第二整流二极管的负极相连且接至负载的输入正端，控制器的控制端通过第一隔离反相器接至励磁电流开关管的栅极，励磁电流开关管的源极接至高频变压器副边的中间抽头，励磁电流开关管的漏极接至负载的输入中线端，且控制器的第一反馈端接至负载的输入中线端，控制器的第二反馈端接至负载的输入正端，输出电容连接在负载的输入正端与负载的输入中线端之间。

本发明所述的AC-DC隔离变换电路中，所述交流电源采用三相交流供电，所述单级电路包括三路子单级电路，每路子单级电路均包括一高频变压器，且所述高频变压器工作在正激模式；

每路子单级电路还包括第一开关管、第一整流管、第二整流管、第一励磁整流二极管、第二励磁整流二极管、续流二极管、续流电感、励磁电流开关管、输出电容和第一隔离反相器，所述滤波器的一火线输出端接至高频变压器原边的异名端，高频变压器原边的同名端接至第一开关管的漏极，第一开关管的源极接至控制器的零线端，第一开关管的源极接至所述滤波器的中线输出端，第一开关管的栅极接至控制器的控制端；高频变压器副边的异名端分别接至第一整流二极管的正极和第一励磁整流二极管的正极，高频变压器副边的同名端接至第二整流二极管的正极和第二励磁整流二极管的正极，第一整流二极管的负极和第二整流二极管的负极相连且接至续流电感的第一端，续流电感的第二端接至负载的输入正端，第一励磁整流二极管的负极和第二励磁整流二极管的负极相连且接至励磁电流开关管的漏极，励磁电流开关管的源极接至负载的输入正端，控制器的控制端通过第一隔离反相器接至励磁电流开关管的栅极，控制器的第一反馈端接至高频变压器副边的中间抽头，且控制器的第一反馈端接至负载的输入中线端，输出电容连接在负载的输入正端与负载的输入中线端之间。

本发明所述的AC-DC隔离变换电路中，所述开关管为正向导通可控的开关与二极管的并联结构。

实施本发明的AC-DC隔离变换电路，具有以下有益效果：通过控制器的控制调节，单级电路同时对交流电的各相进行整流、功率因数校正和隔离调节，从而形成了AC-DC隔离变换电路的单级AC-DC转换结构，控制方式简单，且输入端没有单独的整流电路，无须PFC电路和高压大电容，电路效率较高。

本发明中，高频变压器工作在正激模式时，便于高频变压器的设计，输出纹波系数相对较小，同时降低了整流二极管的电压应力；高频变压器工作在反激模式时，可节省器件，简化电路。

本发明中，采用嵌位电容来降低开关管上的峰值电压，同时嵌位电容还向高频变压器输出电流，实现了能量的无损吸收，提高了电路效率。

本发明中，高频变压器的励磁电流通过励磁整流二极管和励磁开关管输出，同时由续流电感通过续流二极管续流，从而维持对负载供电。

本发明中，采用三个高频变压器的独特结构，保证至少有两路同时为输出提供能量，使得同等功率输出时，主电流回路工作电流应力低，可减少各开关器件和变压器的工作容量，并且在开关管导通时，高频变压器串联，其变比较小，可减少高频变压器的漏感，易实现大功率输出，且能自动保持输入功率因数为1。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是现有AC-DC两级结构变换电路的原理框图；

图2是现有AC-DC三级结构变换电路的原理框图；

图3是本发明AC-DC隔离变换电路的原理框图；

图4是本发明AC-DC隔离变换电路的第一实施例的原理图；

图5是本发明AC-DC隔离变换电路的第二实施例的原理图；

图6是本发明AC-DC隔离变换电路的第三实施例的原理图；

图7是本发明AC-DC隔离变换电路的第四实施例的原理图；

图8是本发明AC-DC隔离变换电路中AC-AC电路部分第一扩展实施例的原理图；

图9是本发明AC-DC隔离变换电路中AC-AC电路部分第二扩展实施例。的原理图。

具体实施方式

如图3所示，是本发明AC-DC隔离变换电路的原理框图，该AC-DC隔离变换电路连接在交流电源与负载之间，其包括与交流电源相连、对交流电源提供的交流电进行滤波的滤波器10，还包括与滤波器10相连、对交流电的各相进行整流、功率因数校正和隔离调节的单级电路20以及对单级电路20进行控制调节的控制器30。其中，所述交流电源为N相交流电源，在要求输入功率因数较高时，N大于或等于3。

单级电路20包括高频变压器和开关管，开关管连接在高频变压器原边；控制器30控制所述开关管导通或截止，所述开关管导通时，高频变压器的原边形成通路，以使高频变压器的副边耦合并产生一输出电压。

当然，单级电路20可包括多个高频变压器，该多个高频变压器的数量与交流电的相数相同，每个高频变压器的原边均连接一个开关管，控制器30控制各开关管同时导通或截止，当各开关管都导通时，该多个高频变压器的原边相互之间形成通路，以使该多个高频变压器的副边均耦合并产生一输出电压。进一步地，单级电路20还包括励磁电流吸收电路，当各开关管都截至时，该多个高频变压器的原边均断开，该多个高频变压器的副边上产生的励磁电流经所述励磁电流吸收电路并输出至负载，与续流电感一同为负载提供电流。

以下交流电源采用三相四线制和三相三线制供电输入方式分别进行阐述。

如图4所示，是本发明AC-DC隔离变换电路的第一实施例的原理图，以交流电源采用三相四线制供电输入方式为例进行阐述。滤波器对交流电源提供的三相交流电进行滤波，单级电路与所述滤波器相连、对交流电的各相进行整流、功率因数校正和隔离调节，控制器对单级电路进行控制调节。本实施例中，所述单级电路包括三路子单级电路，具体如下所述：

第一路子单级电路包括高频变压器La、第一开关管Qa、第二开关管Qn、第一整流管D1、第二整流管D2、第一励磁整流二极管D3、第二励磁整流二极管D4、续流二极管D5、续流电感Lo1、励磁电流开关管Qfb、输出电容Co和第一隔离反相器N1，滤波器的第一火线输出端接至高频变压器La原边的异名端3，高频变压器La原边的同名端4接至第一开关管Qa的漏极，第一开关管Qa的源极与第二开关管Qn的源极相连且接至控制器的零线端2，第二开关管Qn的漏极接至滤波器的中线输出端Un’，第一开关管Qa的栅极和第二开关管Qn的栅极相连且接至控制器的控制端1；高频变压器La副边的异名端14分别接至第一整流二极管D1的正极和第一励磁整流二极管D3的正极，高频变压器副边的同名端12接至第二整流二极管D2的正极和第二励磁整流二极管D4的正极，第一整流二极管D1的负极和第二整流二极管的负极D2相连且接至续流电感Lo1的第一端，续流电感Lo1的第二端接至负载的输入正端Uo+，第一励磁整流二极管D3的负极和第二励磁整流二极管D4的负极相连且接至励磁电流开关管Qfb的漏极，励磁电流开关管Qfb的源极接至负载的输入正端Uo+，控制器的控制端1通过第一隔离反相器N1接至励磁电流开关管Qfb的栅极，控制器的第一反馈端Re1接至高频变压器副边的中间抽头11(13)，且控制器的第一反馈端Re1接至负载的输入中线端Uo-，控制器的第二反馈端Re2接至负载的输入正端Uo+，续流二极管D5的正极接至负载的输入中线端Uo-，续流二极管D5的负极接至第一整流管D2的负极，输出电容Co连接在负载的输入正端Uo+与负载的输入中线端Uo-之间。

同样地，第二路子单级电路包括高频变压器Lb、第一开关管Qb、第二开关管Qn、第一整流管D6、第二整流管D7、第一励磁整流二极管D8、第二励磁整流二极管D9、续流二极管D10、续流电感Lo2、励磁电流开关管Qfb、输出电容Co和第一隔离反相器N1，滤波器的第二火线输出端接至高频变压器Lb原边的异名端3，高频变压器Lb原边的同名端4接至第一开关管Qb的漏极，第一开关管Qb的源极与第二开关管Qn的源极相连且接至控制器的零线端2，第二开关管Qn的漏极接至滤波器的中线输出端Un’，第一开关管Qb的栅极和第二开关管Qn的栅极相连且接至控制器的控制端1；高频变压器Lb副边的异名端14分别接至第一整流二极管D6的正极和第一励磁整流二极管D8的正极，高频变压器Lb副边的同名端12接至第二整流二极管D6的正极和第二励磁整流二极管D8的正极，第一整流二极管D6的负极和第二整流二极管的负极D8相连且接至续流电感Lo2的第一端，续流电感Lo2的第二端接至负载的输入正端Uo+，第一励磁整流二极管D7的负极和第二励磁整流二极管D9的负极相连且接至励磁电流开关管Qfb的漏极，续流二极管D10的正极接至负载的输入中线端Uo-，续流二极管D10的负极接至第一整流管D10的负极。

同样地，第三路子单级电路包括高频变压器Lc、第一开关管Qc、第二开关管Qn、第一整流管D11、第二整流管D12、第一励磁整流二极管D13、第二励磁整流二极管D14、续流二极管D15、续流电感Lo3、励磁电流开关管Qfb、输出电容Co和第一隔离反相器N1，滤波器的第三火线输出端接至高频变压器Lc原边的异名端3，高频变压器Lc原边的同名端4接至第一开关管Qc的漏极，第一开关管Qc的源极与第二开关管Qn的源极相连且接至控制器的零线端2，第二开关管Qn的漏极接至滤波器的中线输出端Un’，第一开关管Qc的栅极和第二开关管Qn的栅极相连且接至控制器的控制端1；高频变压器Lc副边的异名端14分别接至第一整流二极管D11的正极和第一励磁整流二极管D13的正极，高频变压器Lc副边的同名端12接至第二整流二极管D11的正极和第二励磁整流二极管D13的正极，第一整流二极管D11的负极和第二整流二极管的负极D13相连且接至续流电感Lo3的第一端，续流电感Lo3的第二端接至负载的输入正端Uo+，第一励磁整流二极管D12的负极和第二励磁整流二极管D14的负极相连且接至励磁电流开关管Qfb的漏极，续流二极管D15的正极接至负载的输入中线端Uo-，续流二极管D15的负极接至第一整流管D11的负极。

其中，第二开关管Qn、励磁电流开关管Qfb、输出电容Co和第一隔离反相器N1在第一路子单级电路、第二路子单级电路和第三路子单级电路中公用。

本实施例中，第一励磁整流二极管D3、第二励磁整流二极管D4、续流二极管D5、续流电感Lo1、第一励磁整流二极管D8、第二励磁整流二极管D9、续流二极管D10、、第一励磁整流二极管D13、第二励磁整流二极管D14、续流二极管D15、续流电感Lo3和励磁电流开关管Qfb构成励磁电流吸收电路，第一开关管Qa、第一开关管Qb、第一开关管Qc和第二开关管Qn截至时，励磁电流开关管Qfb导通，此时，高频变压器La、高频变压器Lb和高频变压器Lc的原边均断开，高频变压器La、高频变压器Lb和高频变压器Lc的副边上产生的励磁电流经所述励磁电流吸收电路并输出至负载，以提供续流。另外，第一整流管D1、第二整流管D2、第一整流管D6、第二整流管D7、第一整流管D11、第二整流管D12、续流电感Lo1、续流电感Lo2和续流电感Lo3构成整流续流电路，从而对高频变压器La、高频变压器Lb和高频变压器Lc的副边输出的所述输出电压进行整流及续流以产生一直流电压，所述直流电压用于为负载供电。

本实施例中，高频变压器La、高频变压器Lb和高频变压器Lc均工作在正激模式下。控制器根据第一反馈端Re1和第二反馈端Re2采集到的输出电压(或负载工作的峰值电流、平均电流)，在控制端1输出PWM信号，由于第一开关管Qa、第一开关管Qb、第一开关管Qc和第二开关管Qn的栅极与控制器的控制端1均连接在一起，于是控制第一开关管Qa、第一开关管Qb、第一开关管Qc和第二开关管Qn同时导通或截至，控制器可通过调节在控制端1输出的PWM信号的占空比从而调节输出电压(或负载工作的峰值电流、平均电流)。在第一开关管Qa、第一开关管Qb、第一开关管Qc和第二开关管Qn均导通时，高频变压器La、高频变压器Lb和高频变压器Lc的原边的同名端4之间互相形成通路，使电压输出到高频变压器La、高频变压器Lb和高频变压器Lc的副边，然后，高频变压器La的副边通过第一整流二极管D1、第二整流二极管D2为续流电感Lo1和负载提供能量，高频变压器Lb的副边通过第一整流二极管D7、第二整流二极管D8为续流电感Lo2和负载提供能量，高频变压器Lc的副边通过第一整流二极管D11、第二整流二极管D12为续流电感Lo3和负载提供能量。在第一开关管Qa、第一开关管Qb、第一开关管Qc和第二开关管Qn均关断时，高频变压器La、高频变压器Lb和高频变压器Lc的原边的同名端4之间断开，高频变压器La的励磁电流通过第一励磁整流二极管D3、第二励磁整流二极管D4再经励磁开关管Qfb输出，同时由续流电感Lo1通过续流二极管D5续流，高频变压器Lb的励磁电流通过第一励磁整流二极管D8、第二励磁整流二极管D9再经励磁开关管Qfb输出，同时由续流电感Lo2通过续流二极管D10续流，高频变压器Lc的励磁电流通过第一励磁整流二极管D13、第二励磁整流二极管D14再经励磁开关管Qfb输出，同时由续流电感Lo3通过续流二极管D15续流，从而维持对负载供电。由此可见，这种结构的电路主要工作在正激模式，输出纹波系数相对较小，对变压器的要求较低。另外，采用三个高频变压器的独特结构，保证至少有两路同时为输出提供能量，使得同等功率输出时，主电流回路工作电流应力低，可减少各开关器件和变压器的工作容量，并且在开关管导通时，高频变压器串联，其变比较小，可减少高频变压器的漏感，易实现大功率输出，同时保持高功率因数。

本实施例中，在每个开关周期，三相交流的输入端都有电流通过，且按电压的平方比例为负载提供部分能量，不同于普通的二极管全桥整流，因此无需额外的控制，电路的功率因数比较高，理论上，在续流电感的线性度较好时功率因数可为1。

本实施例中，能量流动是通过高频变压器和开关管输入，然后在高频变压器副边整流输出，因此输入损耗只有第一开关管和第二开关管的导通压降、高频变压器损耗、第一整流二极管和第二整流二极管的损耗，如果不考虑高频变压器漏感，在整个工作过程中，第一开关管和第二开关管上的电压最高为任意两相之间的峰值电压与反激电压之和，且第一整流二极管和第二整流二极管的耐压只需要高频变压器副边输出电压最大值的一倍即可，即降低了整流二极管的电压应力；另外，续流二极管的耐压要求更低，只需大于高频变压器副边输出电压最大值即可，对于常规的应用，其可以选择低压降的肖特基整流二极管。

如图5所示，是本发明AC-DC隔离变换电路的第二实施例的原理图，以交流电源采用三相四线制供电输入方式为例进行阐述，与图4所示的第一实施例的AC-DC隔离变换电路的区别在于：采用钳位电路来限制每路单级电路中的第一开关管和第二开关管两端的峰值电压，本实施例中采用嵌位电容实现有源嵌位，在控制器控制第一开关管和第二开关管断开时，嵌位电容充电，形成LC振荡，为输出提供能量，在第一开关管和第二开关管两端电压达到峰值之后，嵌位电容向高频变压器输出电流，同时为负载供电，实现了能量的无损吸收，提高了电路效率。

与图4所示的第一实施例的AC-DC隔离变换电路相比，本第二实施例中，第一路子单级电路还包括第三开关管Qa’、第二隔离反相器N2和嵌位电容Ca，控制器的控制端1还通过第二隔离反相器N2接至第三开关管Qa’的栅极，第三开关管Qa’的漏极通过嵌位电容Ca接至高频变压器La原边的同名端4；第二路子单级电路还包括第三开关管Qb’、第二隔离反相器N2和嵌位电容Cb，控制器的控制端1还通过第二隔离反相器N2接至第三开关管Qb’的栅极，第三开关管Qb’的漏极通过嵌位电容Cb接至高频变压器Lb原边的同名端4；第三路子单级电路还包括第三开关管Qc’、第二隔离反相器N2和嵌位电容Cc，其中第二隔离反相器N2与第一单极电路公用，控制器的控制端1还通过第二隔离反相器N2接至第三开关管Qc’的栅极，第三开关管Qc’的漏极通过嵌位电容Cc接至高频变压器Lb原边的同名端4；其中，第三开关管Qa’、第三开关管Qb’和第三开关管Qc’的源极相连，第二隔离反相器N2在第一路子单级电路、第二路子单级电路和第三路子单级电路中公用。本实施例中，高频变压器La、高频变压器Lb和高频变压器Lc均工作在正激模式下。在其它实施例中，还可通过准谐振、谐振等软开关技术来降低开关管和整流二极管的损耗。

在上述第一实施例和第二实施例中，在第一开关管Qa、第一开关管Qb、第一开关管Qc和第二开关管Qn均关断时，高频变压器La、高频变压器Lb和高频变压器Lc的原边的同名端4之间断开，高频变压器La的励磁电流通过第一励磁整流二极管D3、第二励磁整流二极管D4再经励磁开关管Qfb输出，同时由续流电感Lo1通过续流二极管D5续流，高频变压器Lb的励磁电流通过第一励磁整流二极管D8、第二励磁整流二极管D9再经励磁开关管Qfb输出，同时由续流电感Lo2通过续流二极管D10续流，高频变压器Lc的励磁电流通过第一励磁整流二极管D13、第二励磁整流二极管D14再经励磁开关管Qfb输出，同时由续流电感Lo3通过续流二极管D15续流，从而维持对负载供电。当然，高频变压器La、高频变压器Lb和高频变压器Lc的励磁电流的吸收方式不止局限于上述方式，还可采用接入电感线圈等其它方式。

如图6所示，是本发明AC-DC隔离变换电路的第三实施例的原理图，以交流电源采用三相四线制供电输入方式为例进行阐述。与图3所示的第一实施例的AC-DC隔离变换电路的区别在于：高频变压器工作在反激模式下，这种方式较高频变压器工作在正激模式下时省器件，但对开关管的耐压有较高要求。

第一路子单级电路包括高频变压器La，第一开关管Qa、第二开关管Qn、第一整流管D1、第二整流管D2、励磁电流开关管Qo、输出电容Co和第一隔离反相器N1，滤波器的第一火线输出端接至高频变压器La原边的异名端3，高频变压器La原边的同名端4接至第一开关管Qa的漏极，第一开关管Qa的源极与第二开关管Qn的源极相连且接至控制器的零线端2，第二开关管Qn的漏极接至滤波器的中线输出端Un’，第一开关管Qa的栅极和第二开关管Qn的栅极相连且接至控制器的控制端1；高频变压器La副边的异名端14接至第一整流二极管D1的正极，高频变压器La副边的同名端12接至第二整流二极管D2的正极，第一整流二极管D1的负极和第二整流二极管D2的负极相连且接至负载的输入正端Uo+，控制器的控制端1通过第一隔离反相器N1接至励磁电流开关管Qo的栅极，励磁电流开关管Qo的源极接至高频变压器La副边的中间抽头11(13)，励磁电流开关管Qo的漏极接至负载的输入中线端Uo-，且控制器的第一反馈端Re1接至负载的输入中线端Uo-，控制器的第二反馈端Re2接至负载的输入正端Uo+，输出电容Co连接在负载的输入正端Uo+与负载的输入中线端Uo-之间。

第二路子单级电路包括高频变压器Lb，第一开关管Qb、第二开关管Qn、第一整流管D3、第二整流管D4、励磁电流开关管Qo、输出电容Co和第一隔离反相器N1；第三路子单级电路包括高频变压器Lc，第一开关管Qc、第二开关管Qn、第一整流管D5、第二整流管D6、励磁电流开关管Qo、输出电容Co和第一隔离反相器N1，其中，第二开关管Qn、励磁电流开关管Qo、输出电容Co和第一隔离反相器N1在第一路子单级电路、第二路子单级电路和第三路子单级电路中公用。

上述第一至第三实施例中，第一开关管Qa、第一开关管Qb和第一开关管Qc分别连接在高频变压器La、高频变压器Lb和高频变压器Lc原边的同名端，当然，第一开关管Qa、第一开关管Qb和第一开关管Qc也可分别连接在高频变压器La、高频变压器Lb和高频变压器Lc的原边的异名端，总之，以在第一开关管Qa、第一开关管Qb、第一开关管Qc和第二开关管Qn均导通时，高频变压器La、高频变压器Lb和高频变压器Lc的原边之间互相形成通路为最终目的。

如图7所示，是本发明AC-DC隔离变换电路的第四实施例的原理图，本实施例中以交流电源采用三线制供电输入方式为例进行阐述，高频变压器工作在正激模式下，与图3所示的第一实施例的AC-DC隔离变换电路的区别在于：交流电源采用三相三线制供电输入方式，这种方式较三相四线制少用开关器件，且对各输入端的等效负载有一定的均衡能力。

第一路子单级电路包括高频变压器La、第一开关管Qa、第一整流管D1、第二整流管D2、第一励磁整流二极管D3、第二励磁整流二极管D4、续流二极管D5、续流电感Lo1、励磁电流开关管Qfb、输出电容Co和第一隔离反相器N1，滤波器的第一火线输出端接至高频变压器La原边的异名端3，高频变压器La原边的同名端4接至第一开关管Qa的漏极，第一开关管Qa的源极与第二开关管Qn的源极相连且接至控制器的零线端2，第一开关管Qa的栅极接至控制器的控制端1；高频变压器La副边的异名端14分别接至第一整流二极管D1的正极和第一励磁整流二极管D3的正极，高频变压器副边的同名端12接至第二整流二极管D2的正极和第二励磁整流二极管D4的正极，第一整流二极管D1的负极和第二整流二极管的负极D2相连且接至续流电感Lo1的第一端，续流电感Lo1的第二端接至负载的输入正端Uo+，第一励磁整流二极管D3的负极和第二励磁整流二极管D4的负极相连且接至励磁电流开关管Qfb的漏极，励磁电流开关管Qfb的源极接至负载的输入正端Uo+，控制器的控制端1通过第一隔离反相器N1接至励磁电流开关管Qfb的栅极，控制器的第一反馈端Re1接至高频变压器副边的中间抽头11(13)，且控制器的第一反馈端Re1接至负载的输入中线端Uo-，控制器的第二反馈端Re2接至负载的输入正端Uo+，续流二极管D5的正极接至负载的输入中线端Uo-，续流二极管D5的负极接至第一整流管D2的负极，输出电容Co连接在负载的输入正端Uo+与负载的输入中线端Uo-之间。

第二路子单级电路包括高频变压器Lb、第一开关管Qb、第一整流管D6、第二整流管D7、第一励磁整流二极管D8、第二励磁整流二极管D9、续流二极管D10、续流电感Lo2、励磁电流开关管Qfb、输出电容Co和第一隔离反相器N1；第二路子单级电路包括高频变压器Lc、第一开关管Qc、第一整流管D11、第二整流管D12、第一励磁整流二极管D13、第二励磁整流二极管D14、续流二极管D15、续流电感Lo3、励磁电流开关管Qfb、输出电容Co和第一隔离反相器N1；其中，励磁电流开关管Qfb、输出电容Co和第一隔离反相器N1在第一路子单级电路、第二路子单级电路和第三路子单级电路中公用。本实施例中，高频变压器La、高频变压器Lb和高频变压器Lc均工作正极模式下。

本实施例中，第一开关管Qa、第一开关管Qb和第一开关管Qc也可分别连接在高频变压器La、高频变压器Lb和高频变压器Lc的异名端，总之，以在第一开关管Qa、第一开关管Qb、第一开关管Qc和第二开关管Qn均导通时，高频变压器La、高频变压器Lb和高频变压器Lc的原边之间互相形成通路为最终目的。

以下，对本发明AC-DC隔离变换电路中的AC-AC电路进行扩展，可直接驱动交流负载，当然，在该AC-AC电路的基础上增加整流部分即可实现本发明的AC-DC隔离变换电路。

如图8所示，是本发明AC-DC隔离变换电路中AC-AC电路部分第一拓展实施例的原理图，以交流电源采用三相四线制供电输入方式为例进行阐述。本实施例中，高频变压器工作在反激模式下。控制器依据反馈信号控制开关管的占空比，可以输出恒功率或者恒压，在恒压模式，输入输出电压变比可以任意调节。另外，每个开关周期的输出性质均为电流型，对负载能有较好的保护作用，不改变输出频率和相位，但能调节输出电压或者输出功率，能用于平衡负载，例如中小功率电机的无级变压调速。本电路结构支持能量的双向传输，可实现有源逆变，在开环情况下负载不能开路。另外，上述反馈信号可为单级电路的输出电压、负载工作的峰值电流、平均电流等。

第一路子单级电路包括高频变压器La、第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4、第一隔离反相器N1和滤波电容C1，滤波器的第一火线输出端接至高频变压器La原边的同名端2，高频变压器La原边的异名端1接至第一开关管Q1的漏极，第一开关管Q1的源极与第二开关管Q2的源极相连且接至控制器的零线端，第二开关管Q2的漏极接至滤波器的中线输出端Un，第一开关管的Q1栅极和第二开关管Q2的栅极相连且接至控制器的控制端1；高频变压器La副边的同名端4接至三相负载的第一输入正端Ua’，高频变压器La副边的异名端3接至第三开关管Q3的漏极，第三开关管Q3的源极接至第四开关管Q4的源极，第四开关管Q4的漏极接至三相负载的输入中线端Un’，且控制器的控制端1通过第一隔离反相器N1分别接至第三开关管Q3的栅极和第四开关管Q4的栅极，滤波器的中线输出端Un接至三相负载的输入中线端Un’，滤波电容C1连接在三相负载的第一输入正端Ua’与三相负载的输入中线端Un’之间。

第二路子单级电路包括高频变压器Lb、第一开关管Q5、第二开关管Q2、第三开关管Q6、第四开关管Q4、第一隔离反相器N1和滤波电容C2；第三路子单级电路包括高频变压器Lc、第一开关管Q7、第二开关管Q2、第三开关管Q8、第四开关管Q4、第一隔离反相器N1和滤波电容C3；第一开关管Q1的栅极、第一开关管Q3的栅极和第一开关管Q7的栅极均相连，第三开关管Q3的栅极、第三开关管Q6的栅极和第三开关管Q8的栅极均相连，其中，第二开关管Q2、第四开关管Q4和第一隔离反相器N1在第一路子单级电路、第二路子单级电路和第三路子单级电路中公用。

高频变压器Lb副边的同名端4接至三相负载的第二输入正端Ub’，高频变压器Lc副边的同名端4接至三相负载的第三输入正端Uc’，滤波电容C2连接在三相负载的第二输入正端Ub’与三相负载的输入中线端Un’之间，滤波电容C3连接在三相负载的第三输入正端Uc’与三相负载的输入中线端Un’之间。

在其他实施例中，也可不选用中线。

如图9所示，是本发明AC-DC隔离变换电路中AC-AC电路部分第二拓展实施例的原理图，本实施例中以交流电源采用三相四线制供电输入方式为例进行阐述，与图8所示的第一实施例的AC-AC电路部分的区别在于：安全性较好，在三相负载开路时，不会出现输出高压的情况。

与图8所示的第一实施例的AC-AC电路部分相比，本第二实施例中，高频变压器工作在正激模式下，第一单级电路还包括续流电感Lo1、第一励磁电流开关管Qa、第二励磁电流开关管Qn和第二隔离反相器N2，高频变压器La副边的同名端4接至第一励磁电流开关管Qa的漏极，第一励磁电流开关管Qa的漏极接至续流电感Lo1的第一端，续流电感Lo1的第二端接至三相负载的第一输入正端Ua’，第二励磁电流开关管Qn的源极与第一励磁电流开关管Qa的源极相连，第二励磁电流开关管Qn的漏极接至三相负载的输入中线端Un’，控制器的控制端1通过第二隔离反相器N2接至第一励磁电流开关管Qa的栅极和第二励磁电流开关管Qn的栅极。

第二单级电路还包括续流电感Lo2、第一励磁电流开关管Qb、第二励磁电流开关管Qn和第二隔离反相器N2，第三单级电路还包括续流电感Lo3、第一励磁电流开关管Qc、第二励磁电流开关管Qn和第二隔离反相器N2，第一励磁电流开关管Qa的栅极、第一励磁电流开关管Qb的栅极和第一励磁电流开关管Qb的栅极均相连，其中，第二励磁电流开关管Qn和第二隔离反相器N2在第一单级电路、第二单级电路和第三单级电路中公用。

本发明中，所述开关管为正向导通可控的开关与二极管的并联结构，如带反向二极管的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，带反向二极管的场效应管(MOSFET)，带反向二极管的结晶型场效应晶体管(JFET)，双极结型晶体管(BJT)与二极管的并联结构，门控晶闸管(GTO)与二极管的并联结构，GTO与GTO的反并联结构等，当然，控制器发出的驱动信号也随之而变化。

另外，整流二极管可采用同步整流技术，进一步提高AC-DC的效率。

综上可见，实施本发明的AC-DC隔离变换电路中通过控制器的控制调节，单级电路同时对交流电的各相进行整流、功率因数校正和隔离调节，从而形成了AC-DC隔离变换电路的单级AC-DC转换结构，控制方式简单，且输入端没有整流电路，无须PFC电路和高压大电容，电路效率较高。

以上所述仅为本发明的实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种AC-DC隔离变换电路，连接在交流电源与负载之间，所述AC-DC隔离变换电路包括与交流电源相连、对交流电源提供的交流电进行滤波的滤波器，其特征在于，还包括与所述滤波器相连、对交流电的各相进行整流、功率因数校正和隔离调节的单级电路以及对所述单级电路进行控制调节的控制器。

2.根据权利要求1所述的AC-DC隔离变换电路，其特征在于，所述单级电路包括高频变压器和开关管，所述开关管连接在高频变压器原边；所述控制器控制所述开关管导通或截止，所述开关管导通时，高频变压器的原边形成通路，以使高频变压器的副边耦合并产生一输出电压。

3.根据权利要求2所述的AC-DC隔离变换电路，其特征在于，所述单级电路包括多个高频变压器，该多个高频变压器的数量与交流电的相数相同，每个高频变压器的原边均连接一个开关管，控制器控制各开关管同时导通或截止，当各开关管都导通时，该多个高频变压器的原边相互之间形成通路，以使该多个高频变压器的副边均耦合并产生一输出电压。

4.根据权利要求2或3所述的AC-DC隔离变换电路，其特征在于，所述单级电路还包括对所述输出电压进行整流及续流以产生一直流电压的整流续流电路，所述直流电压用于为负载供电。

5.根据权利要求3所述的AC-DC隔离变换电路，其特征在于，所述单级电路还包括励磁电流吸收电路，当各开关管都截至时，该多个高频变压器的原边均断开，该多个高频变压器的副边上产生的励磁电流经所述励磁电流吸收电路并输出至负载，以提供续流。

6.根据权利要求5所述的AC-DC隔离变换电路，其特征在于，所述交流电源采用三相交流供电，所述单级电路包括三路子单级电路，每路子单级电路均包括一高频变压器，且所述高频变压器工作在正激模式；

每路子单级电路还包括第一开关管、第二开关管、第一整流管、第二整流管、第一励磁整流二极管、第二励磁整流二极管、续流二极管、续流电感、励磁电流开关管、输出电容和第一隔离反相器，所述滤波器的一火线输出端接至高频变压器原边的异名端，高频变压器原边的同名端接至第一开关管的漏极，第一开关管的源极与第二开关管的源极相连且接至控制器的零线端，第二开关管的漏极接至所述滤波器的中线输出端，第一开关管的栅极和第二开关管的栅极相连且接至控制器的控制端；高频变压器副边的异名端分别接至第一整流二极管的正极和第一励磁整流二极管的正极，高频变压器副边的同名端接至第二整流二极管的正极和第二励磁整流二极管的正极，第一整流二极管的负极和第二整流二极管的负极相连且接至续流电感的第一端，续流电感的第二端接至负载的输入正端，第一励磁整流二极管的负极和第二励磁整流二极管的负极相连且接至励磁电流开关管的漏极，励磁电流开关管的源极接至负载的输入正端，控制器的控制端通过第一隔离反相器接至励磁电流开关管的栅极，控制器的第一反馈端接至高频变压器副边的中间抽头，且控制器的第一反馈端接至负载的输入中线端，控制器的第二反馈端接至负载的输入正端，续流二极管的正极接至负载的输入中线端，续流二极管的负极接至第一整流管的负极，输出电容连接在负载的输入正端与负载的输入中线端之间。

7.根据权利要求6所述的AC-DC隔离变换电路，其特征在于，

每路子单级电路还包括第三开关管、第二隔离反相器和嵌位电容，控制器的控制端通过第二隔离反相器接至第三开关管的栅极，第三开关管的漏极通过嵌位电容接至高频变压器原边的同名端，且三路子单级电路中的第三开关管的源极均相连。

8.根据权利要求5所述的AC-DC隔离变换电路，其特征在于，所述交流电源采用三相交流供电，所述单级电路包括三路子单级电路，每路子单级电路均包括一高频变压器，且所述高频变压器工作在反激模式；

每路子单级电路还包括第一开关管、第二开关管、第一整流管、第二整流管、励磁电流开关管、输出电容和第一隔离反相器，所述滤波器的一火线输出端接至高频变压器原边的异名端，高频变压器原边的同名端接至第一开关管的漏极，第一开关管的源极与第二开关管的源极相连且接至控制器的零线端，第二开关管的漏极接至所述滤波器的中线输出端，第一开关管的栅极和第二开关管的栅极相连且接至控制器的控制端；高频变压器副边的异名端接至第一整流二极管的正极，高频变压器副边的同名端接至第二整流二极管的正极，第一整流二极管的负极和第二整流二极管的负极相连且接至负载的输入正端，控制器的控制端通过第一隔离反相器接至励磁电流开关管的栅极，励磁电流开关管的源极接至高频变压器副边的中间抽头，励磁电流开关管的漏极接至负载的输入中线端，且控制器的第一反馈端接至负载的输入中线端，控制器的第二反馈端接至负载的输入正端，输出电容连接在负载的输入正端与负载的输入中线端之间。

9.根据权利要求5所述的AC-DC隔离变换电路，其特征在于，

所述交流电源采用三相交流供电，所述单级电路包括三路子单级电路，每路子单级电路均包括一高频变压器，且所述高频变压器工作在正激模式；

每路子单级电路还包括第一开关管、第一整流管、第二整流管、第一励磁整流二极管、第二励磁整流二极管、续流二极管、续流电感、励磁电流开关管、输出电容和第一隔离反相器，所述滤波器的一火线输出端接至高频变压器原边的异名端，高频变压器原边的同名端接至第一开关管的漏极，第一开关管的源极接至控制器的零线端，第一开关管的源极接至所述滤波器的中线输出端，第一开关管的栅极接至控制器的控制端；高频变压器副边的异名端分别接至第一整流二极管的正极和第一励磁整流二极管的正极，高频变压器副边的同名端接至第二整流二极管的正极和第二励磁整流二极管的正极，第一整流二极管的负极和第二整流二极管的负极相连且接至续流电感的第一端，续流电感的第二端接至负载的输入正端，第一励磁整流二极管的负极和第二励磁整流二极管的负极相连且接至励磁电流开关管的漏极，励磁电流开关管的源极接至负载的输入正端，控制器的控制端通过第一隔离反相器接至励磁电流开关管的栅极，控制器的第一反馈端接至高频变压器副边的中间抽头，且控制器的第一反馈端接至负载的输入中线端，输出电容连接在负载的输入正端与负载的输入中线端之间。

10.根据权利要求2、3、5至9中任一项所述的三相AC-DC隔离变换电路，其特征在于，所述开关管为正向导通可控的开关与二极管的并联结构。

Images