CN103337968B - 单级高频ac/ac变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种单级高频AC/AC变换器，包括功率因数校正单元和DC/AC变换单元，功率因数校正单元包括四个整流二极管、一个boost电感<i>L</i>B、两个功率开关以及一个储能电容<i>C</i>B；DC/AC变换单元由两个功率开关、储能电容<i>C</i>B和无源网络组成。所述功率因数校正单元和DC/AC变换单元共用两个功率开关和储能电容<i>C</i>B。两个功率开关的驱动信号具有互补的工作占空比。本发明由于两个变换单元共用开关、控制以及驱动电路，因此减少了元器件数量，简化了电路结构，降低了成本，提高了可靠性，效率更高。

Description

单级高频AC/AC变换器
技术领域
本发明涉及一种AC/AC变换器，具体指一种单级高频AC/AC变换器，用于将工频市电转换为高频交流电的场合，主要用于负载变化范围不大的变频变压场合，属于变频变压技术领域。
背景技术
高频交流分布式母线系统（Thehigh-frequencyacpowerdistributionsystem）作为一种分布式母线系统已在空间电力分布式系统、航空航天事业系统、工业电力系统，台式机等方面得到了广泛的应用。为了能够输出高频交流电压，已有相关文献对高频AC/AC变换器进行了研究，其输入是工频市电，输出为高频交流电压。传统的高频AC/AC变换器内部包括功率因数校正及高频DC/AC变换两个功率变换单元，采用两级结构，前级为Boost型功率因数校正（PowerFactorCorrector,PFC），后级为半桥或全桥高频谐振逆变器。两级高频AC/AC变换器的输入输出性能完全满足要求。然而，由于其内部两级功率变换单元的主电路拓扑、控制及驱动电路相对独立，因而电路复杂、可靠性低、成本高，适用于功率较大且对性能要求较高的场合。
为了简化结构、减少功率变换级数，有学者提出了一种准单级高频AC/AC变换器，内部也包含一个PFC结构和高频DC/AC变换环节，该AC/AC变换器通过共用控制及驱动电路，简化了结构，同时该AC/AC变换器实现了功率因数校正、变频变压功能，但是该拓扑结构也存在明显的不足，主电路拓扑实际上也是相对独立的两级变换结构，同时元器件较多、控制结构较复杂、成本也较高，有进一步简化其结构的空间。
发明内容
针对现有高频AC/AC变换器存在的结构复杂、控制复杂、成本较高的问题，本发明的目的是提供一种结构进一步简化、控制效率进一步提高、成本进一步降低的单级高频AC/AC变换器。
本发明实现上述目的的技术解决方案如下：
单级高频AC/AC变换器，包括功率因数校正单元和DC/AC变换单元，功率因数校正单元包括四个整流二极管D1、D2、D3、D4、一个boost电感LB、两个功率开关S1、S2以及一个储能电容CB；DC/AC变换单元由两个功率开关S1、S2、储能电容CB和无源网络组成。所述功率因数校正单元和DC/AC变换单元共用两个功率开关和储能电容CB。具体连接结构为：整流二极管D1的阳极和整流二极管D4的阴极用于接输入工频市电的一端，整流二极管D2的阳极和整流二极管D3的阴极用于接输入工频市电的另一端；boost电感LB的一端同时接整流二极管D1和整流二极管D2的阴极，功率开关S1的漏极、功率开关S2的源极接boost电感LB的另一端，功率开关S1的源极接整流二极管D3和整流二极管D4的阳极，功率开关S2的漏极接储能电容CB的正极，储能电容CB的负极同时接整流二极管D3和整流二极管D4的阳极；
无源网络的输入两端分别接功率开关S2的源极和储能电容CB负极，输出两端用于和负载R两端相连。
可以根据实际需要，在无源网络输出侧接上合适的变压器实现变压和输入输出隔离的功能。即在无源网络和负载R之间设有变压器，无源网络输出两端与变压器原边两端相连，变压器副边两端用于分别和负载R两端相连。
两个功率开关S1、S2的栅极分别接到一个占空比互补两路输出控制器的各一端，即功率开关S1、S2的驱动信号具有互补的工作占空比。
所述无源网络输入端为非对称高频方波电压，输出端为高频交流电压。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、本AC/AC变换器由于两个变换单元共用开关、控制以及驱动电路，因此减少了元器件数量，降低了成本，简化了电路结构，提高了可靠性。
2、与现有的AC/AC变换器相比，本发明功率级数变换更少，效率更高，同时元器件较少，可靠性进一步提高。
附图说明
图1是本发明的电路原理图；
图2是本发明的一种具体实施方式电路原理图；
图3是图2所示单级高频AC/AC电路输入电压电流、输出电压的实验波形图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
为了进一步简化结构、减少功率变换级数、提高效率，本发明提出了单级高频AC/AC变换器，其能够将220V的工频市电变换为稳定高频交流电输出，同时实现输入侧功率因数校正的功能。本AC/AC变换器不仅共用控制以及驱动电路，而且也共用主电路拓扑开关使其结构得到了进一步的简化，实现了真正的单级功率变换。其内部包含功率因数校正单元和DC/AC变换单元，两个单元共用开关、控制以及驱动电路，该变换器输入端连接市电，经过单级AC/AC变换电路能够实现功率因数校正和输入输出电气隔离的功能，输出一个高频稳定的交流电压。具体结构描述如下：
参见图1，本发明的单级高频AC/AC变换器，包括功率因数校正单元和DC/AC变换单元，功率因数校正单元能够实现功率因数校正功能，包括四个整流二极管D1、D2、D3、D4、一个boost电感LB、两个功率开关S1、S2以及一个储能电容CB；DC/AC变换单元由两个功率开关S1、S2、储能电容CB和无源网络组成，能够输出高频交流电压。所述功率因数校正单元和DC/AC变换单元共用两个功率开关和储能电容CB。具体连接结构为：整流二极管D1的阳极和整流二极管D4的阴极用于接输入工频市电的一端，整流二极管D2的阳极和整流二极管D3的阴极用于接输入工频市电的另一端；boost电感LB的一端同时接整流二极管D1和整流二极管D2的阴极，功率开关S1的漏极、功率开关S2的源极接boost电感LB的另一端，功率开关S1的源极接整流二极管D3和整流二极管D4的阳极，功率开关S2的漏极接储能电容CB的正极，储能电容CB的负极同时接整流二极管D3和整流二极管D4的阳极；
无源网络的输入两端分别接功率开关S2的源极和储能电容CB负极，输出两端用于和负载R两端相连。
两个功率开关S1、S2的栅极分别接到一个占空比互补两路输出控制器的各一端，即功率开关S1、S2的驱动信号具有互补的工作占空比。
所述无源网络输入端为非对称高频方波电压，输出端为高频交流电压。
可以根据实际需要，在无源网络输出侧接上合适的变压器实现变压和输入输出隔离的功能。即在无源网络和负载R之间设有变压器，无源网络输出两端与变压器原边两端相连，变压器副边两端用于分别和负载R两端相连。
图2是本发明一种具体实施方式电路原理图，它由boost型PFC电路和DC/AC变换电路构成，具备功率因数校正和输入输出电气隔离的功能。该单级AC/AC变换器输入端连接220V工频市电，输出高频稳定正弦交流电压。所述单级高频AC/AC变换器中包含四个整流二极管D1、D2、D3、D4，一个boost电感LB，两个功率开关S1、S2，一个储能电容CB，四个LCLC谐振网络元件。其中，
全桥整流二极管D1的阳极、D4的阴极接输入工频市电的一端，二极管D2的阳极、D3的阴极接输入工频市电的另一端，boost电感LB的一端接二极管D1、D2的阴极，功率开关S1的漏极、S2的源极接boost电感LB的另一端，S1的源极接D3、D4的阳极，S2的漏极接储能电容CB的正极，CB的负极接D3、D4的阳极；
LCLC谐振网络的串联电感LS一端接开关管S2的源极，另一端和串联电容CS一端相接，CS另一端和并联电感LP、并联电容CP的一端相接，LP、CP的另一端接D3、D4的阳极，电容CP两端分别接变压器Tr原边的两端，Tr副边的两端相接于负载电阻R。
根据开关状态的不同，可以将电路分为两个工作状态：
（1）控制器控制功率开关S1导通，此时220V工频市电经过整流桥整流得到直流电压对boost电感LB供电，同时对LCLC谐振网络和变压器提供电流，此时功率开关S2处于关断状态，能量由输入侧向输出侧传递。
（2）控制器控制功率开关S2导通，此时boost电感LB在上一个状态储存的能量通过功率开关S2对储能电容充电，同时对谐振网络进行放电。当电感LB上能量释放完毕后，由储能电容CB对谐振网络以及负载供电，此时开关管S1处于关断状态。
本发明使用的功率开关为全控型MOSFET开关器件，功率开关的开启与关闭受到控制器的控制。上述的单级高频AC/AC变换器，由控制器控制功率开关S1、S2的占空比使其互补工作。Boost电感LB起到能量储存、释放功能以及构成功率因数校正元件；储能电容CB起到平衡输入输出瞬时功率的作用；LCLC谐振网络起到谐振、滤波的作用，便于实现开关管的软开关技术。
综上所述，该电路元器件较少、结构简单、成本较低，同时通过一个控制器控制两个开关管在互补状态下工作，控制简单。
图3所示的是本发明的输入侧功率因数校正以及输出电压的实验波形图，本发明通过单级高频AC/AC变换器，实现了输入侧功率因数校正、输入输出电气隔离以及稳定的高频正弦交流电输出的功能，无论是在体积、结构、成本、还是可靠性上较传统AC/AC变换器都具有明显优势。
单级高频AC/AC变换器也存在着输入输出功率的瞬时不平衡问题，因此其内部必有储能电容平衡输入输出瞬时功率，在轻载时储能电容电压甚至超过1000V，导致相关功率器件电压应力高、效率低，因此本发明的单级高频AC/AC变换器适用于负载变化范围不大的变频变压场合，能够将储能电容电压降低到450V以下，例如LED驱动电源场合。LED驱动电源负载，即LED灯珠在按照光输出降低到额定输出70%的寿命评价标准，其负载变换范围也相应地在0.7~1倍额定负载，完全能够满足储能电容耐压值要求，同时单级高频AC/AC变换器也能够实现功率因数校正以及变频变压的功能。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.用于将工频市电转换为高频交流电的单级高频AC/AC变换器，包括功率因数校正单元和DC/AC变换单元，功率因数校正单元包括四个整流二极管D1、D2、D3、D4、一个boost电感LB、两个功率开关S1、S2以及一个储能电容CB；DC/AC变换单元由两个功率开关S1、S2、储能电容CB和无源网络组成，其特征在于：所述功率因数校正单元和DC/AC变换单元共用两个功率开关和储能电容CB；整流二极管D1的阳极和整流二极管D4的阴极用于接输入工频市电的一端，整流二极管D2的阳极和整流二极管D3的阴极用于接输入工频市电的另一端；boost电感LB的一端同时接整流二极管D1和整流二极管D2的阴极，功率开关S1的漏极、功率开关S2的源极接boost电感LB的另一端，功率开关S1的源极接整流二极管D3和整流二极管D4的阳极，功率开关S2的漏极接储能电容CB的正极，储能电容CB的负极同时接整流二极管D3和整流二极管D4的阳极；
无源网络的输入两端分别接功率开关S2的源极和储能电容CB负极，输出两端用于和负载R两端相连，负载R为电阻；
所述功率开关为全控型MOSFET开关器件，两个功率开关S1、S2的栅极分别接到一个占空比互补两路输出控制器的各一端，功率开关的开启与关闭受到控制器的控制，由控制器控制功率开关S1、S2的占空比使其互补工作；
所述boost电感LB起到能量储存、释放功能以及构成功率因数校正元件；储能电容CB起到平衡输入输出瞬时功率的作用；
所述无源网络为四个LCLC谐振网络元件，LCLC谐振网络的串联电感LS一端接功率开关S2的源极，另一端和串联电容CS一端相接，CS另一端和并联电感LP、并联电容CP的一端相接，LP、CP的另一端接D3、D4的阳极，电容CP两端分别接变压器Tr原边的两端，Tr副边的两端相接于负载电阻R；
根据开关状态的不同，电路分为两个工作状态：
（1）控制器控制功率开关S1导通，此时220V工频市电经过整流桥整流得到直流电压对boost电感LB供电，同时对LCLC谐振网络和变压器提供电流，此时功率开关S2处于关断状态，能量由输入侧向输出侧传递；
（2）控制器控制功率开关S2导通，此时boost电感LB在上一个状态储存的能量通过功率开关S2对储能电容充电，同时对LCLC谐振网络进行放电；当boost电感LB上能量释放完毕后，由储能电容CB对LCLC谐振网络以及负载供电，此时功率开关S1处于关断状态。
2.根据权利要求1所述的单级高频AC/AC变换器，其特征在于：所述无源网络和负载R之间可设有变压器，无源网络输出两端与变压器原边两端相连，变压器副边两端用于分别和负载R两端相连。
3.根据权利要求1或2所述的单级高频AC/AC变换器，其特征在于：所述无源网络输入端为非对称高频方波电压，输出端为高频交流电压。
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