CN102332834A

CN102332834A - 高效率低谐波ac/dc转换器

Info

Publication number: CN102332834A
Application number: CN201110293585A
Authority: CN
Inventors: 王贤江; 石玉; 钟慧; 张灵迪; 施华虎; 王京川
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2011-09-27
Filing date: 2011-09-27
Publication date: 2012-01-25

Abstract

本发明公开了一种高效率低谐波AC/DC转换器，属于电力电子应用技术领域。其相应原理是转换器从电网上取得电能经过滤波电路1，再送往功率转换部分2，并通过相应的输出电路3得到所想要的直流输出。为了提高效率以及功率密度，功率转换部分2工作于开关状态，并通过控制电路4所形成的闭环系统来进行有效地控制，从而保证系统得到稳定的直流输出。功率转换部分2没有使用桥式整流、滤波电容以及PFC，而是直接使用高频变压器与交流开关串联，这样构成的AC/DC转换器既保证了较高的转换效率，同时也保证了较低的谐波含量。

Description

高效率低谐波AC/DC转换器

技术领域

本发明公开了一种高效率低谐波AC/DC转换器，属于电力电子应用技术领域。该转换器可广泛用于各种电子设备中。

背景技术

随着电子信息技术的飞速发展，对各种办公自动化设备、电子计算机和家用电器等产品的需求逐年增加。在很多这类电子设备和电器的内部，都需要一个将市电转换为直流的AC/DC电源变换电路，相应结构如图1所示。AC/DC电源变换电路前端部分通常采用全波桥式整流和大容量电容滤波电路。由于大容量滤波电容的存在，整流二极管仅在交流（AC）输入电压瞬时值超过电容上的电压时，二极管则因反向偏置而截止。其结果是，AC输入电压波形畸变可以忽略，仍然保持正弦波形状，但AC输入电流却发生严重失真，不再为正弦波，而是呈高幅值的窄尖峰脉冲。这样的非正弦电流波形，其基波成分很低，而谐波含量却很高。降低了系统的输入功率因素，为了能很好地提高输入功率因数，便在整流与滤波器间插入了有源功率因数校正，但从整体结构来看便在级联系统中多了一个DC-DC变换器。这便增加了电源系统的复杂程度从而也降低了系统的效率、可靠性等等。

发明内容

本发明的目的是提供一种效率高、低谐波（高功率因素）、成本低廉且可靠性高的AC/DC转换器。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种AC-AD转换器，其电路组成包括滤波单元、功率转换单元、输出电路单元、控制单元，其特征在于：从电网取得交流电后，经过滤波单元，再将得到的电压送往功率转换单元，再经输出电路单元处理得到直流输出电压Vo。

所述的滤波单元由输入保险丝F1、输入电容C1、输入扼流圈T1、输出电容C2构成，其中T1的绕组n1、n2的匝数相等，绕向相同，构成共模扼流圈；

所述的功率转换单元由高频变压器T2、交流开关构成；

所述的高频变压器T2，次级采用三端中心抽头，且中心抽头接地。

所述的交流开关由两个参数一致的N沟道增强型MOS管其源源（S）相接，栅栅(G)相接构成, 当交流开关导通时， Q1、Q2均导通，当处于正半周时，电流流向为3-7-D-S-S-D-4；当处于负半周时，电流流向为4-D-S-S-D-7-3 ；

所述的输出电路单元包有全波整流部分和低通滤波部分构成；

所述的全波整流部分由2个肖特基二极管共阴极连接、阳极分别与高频变压器T2两端连接构成；

所述的低通滤波部分为C3、C4以及扼流圈L1构成的π型滤波器；

所述的控制电路单元由采样电路部分、控制信号部分、系统电源部分构成，系统电源采用隔离电源为控制单元供电，采样电路部分通过光电耦合进行采样，再将采样回来的电压送信号部分处理改变输出驱动波形的PWM波的占空比，控制交流开关动作，使输出电压Vo达到预设定的值。

本发明具有以下有益效果：

一、将工频变压器替换为高频变压器，所以具有较高的转换效率；

二、由于在交流模式下使用推挽结构，因为交流本身所具有的轴对称性及中心对称性，所以高频变压器不会发生磁偏问题；

三、具有较高的输入功率因素；

四、电路结构简单，系统稳定性较好；

五、采用了隔离电源作为系统电源，不必考虑驱动设计。

附图说明

图1所示为一般AC/DC转换器系统框图；

图2所示为本发明系统框图；

图3所示为交流电网输入电压波形图；

图4所示为低通滤波部分电路原理图；

图5所示为输入低通滤波器输出电压波形图；

图6所示为高频变压器结构图；

图7所示为功率转换部分原理图；

图8所示为高频变压器初级端电压波形图；

图9所示为高频变压器次级端8、9电压波形图；

图10所示为高频变压器次级端8、10电压波形图；

图11所示为高频变压器次级端9、10电压波形图；

图12所示为输出电路电路原理图；

图13所示为输出电路中经高频整流后的电压波形图；

图14所示为转换器最终输出直流电压波形图；

图15所示为控制部分中采样电路部分电路原理图；

图16所示为控制部分中采样所得的电压波形图；

图17所示为控制部分结构框图；

图18所示为控制部分中基准源电压波形图；

图19所示为控制部分中电压比较器的输出电压波形图；

图20所示为控制部分中误差放大器的输出电压波形图；

图21所示为控制部分中三角波发生器的电压波形图；

图22所示为控制部分中控制信号PWM波生成原理；

图23所示为控制部分中生成的PWM波波形图；

图24所示为控制部分中生成的PWM波波的电压分布图；

图25所示为控制部分中驱动部分反相后的PWM波波形图；

图26所示为控制部分中经过驱动电路的最终输出驱动波形图；

图27所示为集成控制电路的内部结构框图；

图28所示为集成控制电路的引脚分布图；

图29所示为系统电源（隔离）电路原理图；

图30所示为系统电源（隔离）输出电压波形图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明采用以下技术方案：系统框图如图2所示。从电网中取得电能后，经过低通滤波器，再将得到的电压送往功率变换部分，此功率变换部分由一个高频变压器初级和一个交流开关串联而成。高频变压器次级为中心抽头三端输出，将输出的电压用肖特基二极管进行全波整流后再进行低通滤波得到需要的直流输出。由交流开关的导通时间来控制输出电压大小，此交流开关的控制由控制电路部分来完成，为了保证系统的稳定，这里使用了闭环控制。通过光电耦合进行采样。再将采样回来的电压送往比较器电路从而来改变控制器的输出，即改变输出驱动波形的PWM波的占空比。考虑到交流开关工作的特殊模式，整个控制电路部分的电源由一个隔离的系统来源来提供。

上述系统主要由滤波部分、功率转换、输出电路、控制电路部分构成。

滤波部分：

电路原理如图4所示，图3为滤波部分输入端电压波形图，图5为滤波部分输出端电压波形图。此部分由输入保险丝F1、输入电容C1、输入扼流圈T1、输出电容C2构成。

低通滤波回路是开关电源输入的“大门”，电网电力就是经低通滤波进入的。置输入滤波器电路有两个作用：第一，防止输入电源窜入噪声干扰，同时还要抑制浪涌电压、尖峰电压的进入；第二，阻止、限制开关电源所产生的噪声，高频电磁干扰信号通过输入电线反馈进入电网。因为噪声的限制更为重要，故一般电路结构主以后者为对象。

功率转换：

电路原理如图7所示，此部分由高频变压器与交流开关构成。

（1）高频变压器部分

高频变压器的结构图如图6所示。高频变压器工作时输入端的波形如图8所示。

上部分中最重要的是对高频变压器的设计，特别是对磁性材料的选择。选用磁性材料时，要选用可饱和的磁性材料。这种材料具有良好的开关特性，可产生优良的振荡波形，并要求磁芯具有近似矩形的磁滞回线。这样的磁性材料的磁滞回线有明显的饱和点和饱和段，而且具有良好的对称性。近似矩形的磁滞回线可使线圈中的电流波形前后沿陡峭，能很好地传递各种波形电信号。如果磁芯的S形曲线在B方向上被压扁，将严重影响变压器的振荡波形，导致开关晶体管温升加剧。EE磁芯是一种常用磁芯，对于中小功率的变压器来说也很适合。磁芯面积的大小将决定开关电源的功率。一般来说，磁芯面积越大，输出功率也越大。我们这里使用EE磁芯。当然，在高频变压器（T2）上的电压V、频度f、线圈匝数N、铁芯的截面积A以及最大磁通密度Bm之间有如下关系：V=4*f*N*A*Bm.变压器匝数、线径、绕法等对应不同的功率设计也不尽相同，在此不再论述。

（2）交流开关部分

如图7所示，该图中，Q1、Q2是为N沟道增强型MOS管，D1、D2是其内部寄生的晶体二极管。由于在半导体元件中使用了N沟道的金属氧化物场效应管。因为此半导体器件为双向器件，所以当其一侧被控端子即源极相连在一起，另一侧被控端子即漏极间可加有交流电压。另外，在上述半导体元件Q1、Q2即N沟道场效应管的被控端子（D、S）之间分别连接了与其导通方向（漏—源方向）相反的体二极管D1、D2，也就是说，二极管D1、D2在各个场效应管漏极一侧的负极和源极一侧的正极分别相连。5、6端所加电压波形如图26所示。当5、6端所加的电压为高时，即大于其阈值电压。Q1、Q2均导通，当处于正半周时，电流流向为3-7-D-S-S-D-4；当处于负半周时，电流流向为4-D-S-S-D-7-3 。当5、6端所加的电压为低时，即低于其阈值电压。交流开关正负半周均不导通。

输出电路：

输出部分电路如图12所示，此部分由全波整流和低通滤波构成。

（1）全波整流

于高频变压器输出端为三端中心抽头，所以只需要使用两只肖特基二极管便可以实现全波整流。由于考虑到这里是高频电压所以要使用肖特基二极管进行整流。整流后的电压波形如图13所示。在考虑选择肖特基二极管时主要需要考虑三个量：最大电流ID、反向击穿电压、反向恢复时间。

（2）低通滤波

部分由C3、C4以及L1构成π型滤波器，其中，扼流圈L1可顺利通过直流，却阻碍通过交流；平滑电容器，虽可使交流顺利通过，但却难以通过直流；消除交流成分的功能，LC两者乘积愈大，效果愈大。此部分的最终目的是将脉动的直流变成平滑的直流输出。输入电容C3的容量是由输出保持时间以及直流输入电压要求的纹波大小决定的，而且流经电容的纹波电流在电容允许值范围内。这是因为C3的纹波电流对电容寿命有很大的影响。

控制电路：

此部分电路原理图如图15、图17以及图29所示。主要由采样电路、控制信号部分组成。

采样电路：

采样部分电路如图15所示。此部分中以精密稳压源TL431为核心进行构建，在此系统中构成外部误差放大器，再与光电耦合组成隔离式反馈电路，使电源电压稳定输出。其相应工作原理如下：

已知输出电压为VCC，则TL431 1脚的电压为VCC*（R2/（R1+R2）），若此电压大于TL431内部的基准电压VREF时，TL431 1、3脚间的电流将会增大，由此加在电阻R1的电压将会增加。光电耦合中二极管的发光强度也将增强，与此同时引发光电耦合初级的光敏三极管的导通程度也将增加，其极电极电流也将增大。对应取样电压U13 6增大，从而使得PWM波发生器所发出的PWM波占空比下降，输出电压降低；

若此电压大于TL431内部的基准电压VREF时，同理可得，对应取样电压

U13 6也将减小，从而使得PWM波发生器所发出的PWM波占空比增加，输出电压升高；综上所述，经此闭环控制使稳压器达到稳定的交流输出。输出电压计算公式如下：VCC*R4/（R4+R3）=Vref=2.50V。

所以，输出电压AC的计算公式为：VCC=2.50*（R4+R3）/R4。在此实施例中可以通过改变电阻R3、R4的电阻大小来改变输出电压值，其中R1为限流电阻，R2、C5、C6为反馈补偿网络。最终输出反馈电压U13 6的波形如图U13 6所示。

控制信号部分：

此部分的电路原理图如图17所示，主要功能是：产生一个能驱动交流开关的PWM波，并且能通过把馈电压U13 6来改变PWM波的占空比从而达到稳定输出电压的目的。

如图17所示，内部有一个基准源，其相应电压波形如图18所示。外部采样后的电压将与此进行比较，比较后得到的波形如图19所示。经误差放大器后得到所需要的幅度，电压波形如图20所示。要得到PWM波必须要生成一个载波，即基波。这里的基波为三角波，其相应的电压波形如图21所示。再将三角波与误差放大器输出的电压进行比较。其相应原理如图22所示。得到的输出PWM波波形如图23、图24所示。但考虑到驱动能力的问题，所以要对此信号功率驱动处理后才能输出，经驱动处理后的PWM波电压波形如图26所示。考虑到分立元件的稳定性问题，所以我们可以使用集成电路来进行控制。此实施例中所用的集成电路控制器内部框图如图27所示，芯片引脚分布图如图28所示。

反馈环路是影响开关电源稳定性的重要电路。如反馈电阻电容错、漏、虚焊等，会产生自激振荡，故障现象为：波形异常，空、满载振荡，输出电压不稳定等。

由于交流开关的接法特殊，所以在此实施例中。控制电路部分的系统电源为隔离电源。电路原理图如图29所示，其输出电压波形如图30所示。

根据上面记述的本发明，由于使用了交流开关，使输入交流电源直接进入高频变压器进行变换，这样的拓扑构建而成的AC/DC转换器。

Claims

1.一种AC-AD转换器，其电路组成包括滤波单元、功率转换单元、输出电路单元、控制单元，其特征在于：从电网取得交流电后，经过滤波单元，再将得到的电压送往功率转换单元，再经输出电路单元处理得到直流输出电压Vo。

2.根据权利要求1所述的AC-AD转换器，其特征在于，所述的滤波单元由输入保险丝F1、输入电容C1、输入扼流圈T1、输出电容C2构成，其中T1的绕组n1、n2的匝数相等，绕向相同，构成共模扼流圈。

3.根据权利要求1所述的AC-AD 转换器，其特征在于，所述的功率转换单元由高频变压器T2、交流开关构成。

4.根据权利要求1或3所述的AC-DC转换器,其特征在于，所述的高频变压器T2，次级采用三端中心抽头，且中心抽头接地。

5.根据权利要求1或3所述的AC-DC转换器，其特征在于，所述的交流开关由两个参数一致的N沟道增强型MOS管其源源（S）相接，栅栅(G)相接构成, 当交流开关导通时， Q1、Q2均导通，当处于正半周时，电流流向为3-7-D-S-S-D-4；当处于负半周时，电流流向为4-D-S-S-D-7-3 。

6.根据权利要求1所述的AC/AD转换器，其特征在于，所述的输出电路单元包有全波整流部分和低通滤波部分构成。

7.根据权利要求1或6所述的AC/AD转换器，其特征在于，所述的全波整流部分由2个肖特基二极管共阴极连接、阳极分别与高频变压器T2两端连接构成。

8.根据权利要求1或6所述的AC/AD转换器，其特征在于，所述的低通滤波部分为C3、C4以及扼流圈L1构成的π型滤波器。

9.根据权利要求1所述的AC/AD转换器，其特征在于，所述的控制电路单元由采样电路部分、控制信号部分、系统电源部分构成，系统电源采用隔离电源为控制单元供电，采样电路部分通过光电耦合进行采样，再将采样回来的电压送信号部分处理改变输出驱动波形的PWM波的占空比，控制交流开关动作，使输出电压Vo达到预设定的值。