CN105939125B - 一种交流输入带功率因数校正的全桥单极变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种交流输入带功率因数校正的全桥单极变换器，包括变压器，原边电路和副边电路，所述原边电路包括功率因数电感、电流取样电阻、正钳位装置、负钳位装置、正向全桥、负向全桥、原边电感和原边电容；接受交流直接输入，通过交流的正、负半周切换控制，可以解决普通单极变换器输入为二极管的效率低的问题；全桥的Boost变换时，采用双桥臂同时导通的方式，比普通单极全桥半桥臂导通方式，Boost变换时导通损耗约一半；双向配置钳位电容，保证在电路出现故障时，不被变换器产生的高压尖峰击穿；采用移相全桥变形控制模式，在通用的集成电路上加少许器件就容易完成控制脉冲的分配。

Description

一种交流输入带功率因数校正的全桥单极变换器
技术领域
本发明涉及一种电源变换器，特别是涉及一种交流输入带功率因数校正的全桥单极变换器。
背景技术
一般的电源变换器，使用普通的二极管整流，然后通过Boost升压的功率因数校正，再通过全桥变换和整流，从而把交流电源变换成直流或者交流，存在控制复杂，器件多，效率低等问题。
发明内容
本发明的目的是针对现有电源变换器的不足，提供一种交流输入带功率因数校正的全桥单极变换器，具有控制简单，使用器件少，效率高，适用范围更广。
为达到所述目的，本发明采用的技术方案如下：
提供了一种交流输入带功率因数校正的全桥单极变换器，包括变压器，原边电路和副边电路，其特征在于，所述原边电路包括功率因数电感、电流取样电阻Rcs、正钳位装置、负钳位装置、正向全桥、负向全桥、原边电感Lr和原边电容Cb；所述电流取样电阻Rcs接于N端；所述功率因数电感包含输入电感Lin，输入电感Lin接于L端；
正钳位装置包括钳位电容C+和钳位开关管Scc+，钳位电容C+一端接电流取样电阻Rcs，另一端接钳位开关管Scc+的漏极，钳位开关管Scc+源极接输入电感Lin；
负钳位装置包括钳位电容C-和钳位开关管Scc-，钳位电容C-一端接功率因数电感，另一端接负极钳位开关管Scc-漏极，负极钳位开关管Scc-源极接电流取样电阻Rcs；
正向全桥包含开关管SA+、开关管SB+、开关管SC+和开关管SD+，开关管SB+和开关管SD+共源极，并和钳位开关管Scc-源极一起接于电流取样电阻Rcs；负向全桥包含开关管SA-、开关管SB-、开关管SC-和开关管SD-，开关管SB-和开关管SD-共源极，并和钳位开关管Scc+源极一起接于功率因数电感；
正向全桥、负向全桥两中点一端接变压器T原边的一端，另一端接原边电容Cb，原边电容Cb另一端串联原边电感Lr后接于变压器T原边的另一端。
当交流输入L端为正时，负向全桥的开关管SA-、开关管SB-、开关管SC-和开关管SD-全部整区间导通，钳位开关管Scc-关断，正向全桥的开关管SA+、开关管SB+、开关管SC+和开关管SD+按移相全桥导通原则，钳位开关管Scc+导通；做Boost导通时，正向全桥的开关管同时导通，钳位开关管Scc+关断，Boost关断时，正向全桥的开关管继续按移相全桥导通原则，钳位开关管Scc+导通。
当交流输入N端为正时，正向全桥的开关管SA+、开关管SB+、开关管SC+和开关管SD+全部整区间导通，钳位开关管Scc+关断，负向全桥的开关管SA-、开关管SB-、开关管SC-和开关管SD-按移相全桥导通原则，钳位开关管Scc-导通；做Boost导通时，负向全桥的开关管同时导通，钳位开关管Scc-关断，Boost关断时，负向全桥的开关管继续按移相全桥导通原则，钳位开关管Scc-导通。
在上述技术方案的一个实施例中，所述功率因数电感还包含输入电感Nin，输入电感Nin一端接于N端，另一端接电流取样电阻Rcs。
在上述技术方案的一个实施例中，以共模电感替代输入电感Lin作为功率因数电感，共模电感接于交流输入L端和N端之间。
在上述技术方案的一个实施例中，所述副边电路包括输出电感Lf、整流二极管D+、整流二极管D-与滤波电容Cf；变压器T副边的一端接整流二极管D+正极、另一端接整流二极管D-正极，变压器中心抽头接滤波电容Cf一端，作输出负极；整流二极管D+负极和整流二极管D-负极并接后，接于输出电感Lf，输出电感Lf另一端接滤波电容Cf的另一端，作输出正极。
在上述技术方案的一个实施例中，所述副边电路包括输出电感Lf、同步整流管Sy+、同步整流管Sy-和滤波电容Cf；同步整流管Sy+漏极接于变压器副边一端，源极和同步整流管Sy-源极及滤波电容一端并接作输出负极，同步整流管Sy-漏极接于变压器副边另一端，变压器中心抽头接输出电感Lf，输出电感Lf另一端接滤波电容Cf另一端，做输出正极。
在上述技术方案的一个实施例中，所述电流取样电阻接于功率因数电感之后，还可以接于N端，位于其它器件之前。
在上述技术方案的一个实施例中，所述钳位电容C+并联有放电电阻R+，所述钳位电容C-并联有放电电阻R-。
本发明的技术方案有益效果在于：
采用双钳位电容模式，可以保证输入L、N端在正或者负电压情况下，由电路故障、辅助电源故障、电感正导通时或开关管全部断开而引起尖峰电压时，可以分别由正钳位装置、负钳位装置吸收；采用正向全桥、负向全桥分别按输入时正、负电压导通，当一边做Boost和全桥时，另一全桥具有输入的同步整流作用，降低了输入压降，提高了输入效率，当变换器为Boost导通时，全桥所有管子一起导通，比普通全桥单臂管子管子导通的方式，降低了二分之一的导通损耗，明显提高全桥变换部分的效率。
附图说明
图1是本发明实施例一的变换器的电路原理图。
图2是本发明实施例一的变换器的各开关管驱动波形图一。
图3是本发明实施例一的变换器的各开关管驱动波形图二。
图4是本发明实施例二的变换器的电路原理图。
图5是本发明实施例二的变换器的各开关管驱动波形图一。
图6是本发明实施例二的变换器的各开关管驱动波形图二。
具体实施方式
本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。以下结合附图与具体实施例说明对本发明的技术方案进一步说明。
实施例一
如图1所示，实施例一提供的是一种交流输入带功率因数校正的全桥单极变换器，采用单电感输入和整流二极管，包括变压器T，原边电路和副边电路，原边电路包括功率因数电感、电流取样电阻Rcs、正钳位装置、负钳位装置、正向全桥、负向全桥、原边电感Lr和原边电容Cb；
电流取样电阻Rcs接于N端；功率因数电感为输入电感Lin，输入电感Lin接于交流输入L端；
正钳位装置包括钳位电容C+和钳位开关管Scc+，钳位电容C+一端接电流取样电阻Rcs，另一端接钳位开关管Scc+的漏极，钳位开关管Scc+源极接输入电感Lin；负钳位装置包括钳位电容C-和钳位开关管Scc-，钳位电容C-一端接功率因数电感Lin，另一端接负极钳位开关管Scc-漏极，负极钳位开关管Scc-源极接电流取样电阻Rcs；
正向全桥包含开关管SA+、开关管SB+、开关管SC+和开关管SD+，开关管SB+和开关管SD+共源极，并和Scc-源极一起接于电流取样电阻Rcs；负向全桥包含开关管SA-、开关管SB-、开关管SC-和开关管SD-，开关管SB-和开关管SD-共源极，并和Scc+源极一起接于功率因数电感Lin；
正向全桥、负向全桥两中点一端接变压器T原边的一端，另一端接原边电容Cb，原边电容Cb另一端串联原边电感Lr后接于变压器T原边的另一端；
副边电路包括输出电感Lf、整流二极管D+、整流二极管D-及滤波电容Cf；变压器T副边的一端接整流二极管D+正极、另一端接整流二极管D-正极，变压器中心抽头接滤波电容Cf一端，作输出负极；整流二极管D+负极和整流二极管D-负极并接后，接于输出电感Lf，输出电感Lf另一端接滤波电容Cf的另一端，作输出正极。
如图2、3所示，当L端输入为交流正半周时：负向全桥开关管SA-、SB-、SC-、SD-全部导通，负极钳位开关管Scc-关断。移相全桥脉冲驱动A+，为参考移相全桥脉冲C和参考移相全桥脉冲D共同导通部分(与关系)再增加参考移相全桥脉冲A导通部分(或关系)；移相全桥脉冲驱动B+，为参考移相全桥脉冲C和参考移相全桥脉冲D共同导通部分(与关系)再增加参考移相全桥脉冲B导通部分(或关系)；移相全桥脉冲驱动C+，为参考移相全桥脉冲A和参考移相全桥脉冲B共同导通部分(与关系)再增加参考移相全桥脉冲C导通部分(或关系)；移相全桥脉冲驱动D+，为参考移相全桥脉冲A和参考移相全桥脉冲B共同导通部分(与关系)再增加参考移相全桥脉冲D导通部分(或关系)；当驱动B+、驱动C+导通，电流从L端进来，通过Lin、SD-、SC+，再通过变压器T原边、Lr、Cb，流过SA-、SB+，再流过Rcs，回到N端；当驱动B+、驱动C+导通，变压器副边整流二极管D+导通，通过滤波电感Lf流向滤波电容Cf和负载，由滤波电容Cf和负载另一端回到变压器中心。当驱动A+、驱动D+导通，电流从L端进来，通过Lin、SB-、SA+，再通过Cb、Lr、变压器T原边，流过SC-、SD+，再流过Rcs，回到N端；当驱动A+、驱动D+导通，变压器副边整流二极管D-导通，通过滤波电感Lf流向滤波电容Cf和负载，由滤波电容Cf和负载另一端回到变压器中心。作Boost导通期间，即移相全桥脉冲A、移相全桥脉冲B共同导通部分(与关系)和移相全桥脉冲C、移相全桥脉冲D共同导通部分(与关系)，电流从L端进来，通过Lin、SB-、SA+、SA-、SB+和SD-、SC+、SC-、SD+两支路并联，再流过Rcs，回到N端。正极钳位开关管Scc+，在Boost导通期间，关断，阻止电容被开关管短路，当Boost导通结束，正极钳位开关管Scc+导通，向变换器释放能量；在死区和电路驱动异常时，电感上的能量通过正极钳位开关管Scc+体二极管，由正极钳位电容C+吸收。
当L端输入为交流负半周时：正向全桥开关管SA+、SB+、SC+、SD+全部导通，负极钳位开关管Scc+关断。移相全桥脉冲驱动A-，为参考移相全桥脉冲C和参考全桥脉冲D共同导通部分(与关系)再增加参考移相全桥脉冲A导通部分(或关系)；移相全桥脉冲驱动B-，为参考移相全桥脉冲C和参考相全桥脉冲D共同导通部分(与关系)再增加参考移相全桥脉冲B导通部分(或关系)；移相全桥脉冲驱动C-，为参考移相全桥脉冲A和参考移相全桥脉冲B共同导通部分(与关系)再增加参考移相全桥脉冲C导通部分(或关系)；移相全桥脉冲驱动D-，为参考移相全桥脉冲A和参考移相全桥脉冲B共同导通部分(与关系)再增加参考移相全桥脉冲D导通部分(或关系)；当驱动B-、驱动C-导通，电流从N端进来，通过Rcs、SD+、SC-，再通过变压器T原边、Lr、Cb，流过SA+、SB-，再流过Lin，回到L端；当驱动B-、驱动C-导通，变压器副边整流二极管D+导通，通过滤波电感Lf流向滤波电容Cf和负载，由滤波电容Cf和负载另一端回到变压器中心。当驱动A-、驱动D-导通，电流从N端进来，通过Rcs、SB+、SA-，再通过Cb、Lr、变压器T原边，流过SC+、SD-，再流过Lin，回到L端；当驱动A-、驱动D-导通，变压器副边整流二极管D-导通，通过滤波电感Lf流向滤波电容Cf和负载，由滤波电容Cf和负载另一端回到变压器中心。负极钳位开关管Scc-，作Boost导通期间，即参考移相全桥脉冲A、参考移相全桥脉冲B共同导通部分(与关系)和参考移相全桥脉冲C、参考移相全桥脉冲D共同导通部分(与关系)，关断，阻止电容被开关管短路，当Boost导通结束，负极钳位开关管Scc-导通，向变换器释放能量；在死区和电路驱动异常时，电感上的能量通过负极钳位开关管Scc-体二极管，由负极钳位电容C+吸收。
实施例二
如图4所示，实施例二提供的是一种交流输入带功率因数校正的全桥单极变换器，采用双电感输入同步整流输出。
与实施例相比，不同之处在于，功率因数电感包括两个独立的输入电感Lin和输入电感Nin，分别接于输入L端与N端；钳位电容C+并联有放电电阻R+、钳位电容C-并联有放电电阻R-；使用同步整流方式，采用同步整流管Sy+和同步整流管Sy-替代整流二极管D+和整流二极管D-，同步整流管Sy+漏极接于变压器T副边一端，源极和同步整流管Sy-源极及输出滤波电容一端并接作输出负极，同步整流管Sy-漏极接于变压器副边另一端，变压器中心抽头接输出滤波电感Lf，输出滤波电感Lf另一端接输出滤波电容另一端，做输出正极。
如图5、6所示，当L端输入为交流正半周时：负向全桥开关管SA-、SB-、SC-、SD-全部导通，负极钳位开关管Scc-关断。移相全桥脉冲驱动A+，为参考移相全桥脉冲C和参考移相全桥脉冲D共同导通部分(与关系)再增加参考移相全桥脉冲A导通部分(或关系)；移相全桥脉冲驱动B+，为参考移相全桥脉冲C和参考移相全桥脉冲D共同导通部分(与关系)再增加参考移相全桥脉冲B导通部分(或关系)；移相全桥脉冲驱动C+，为参考移相全桥脉冲A和参考移相全桥脉冲B共同导通部分(与关系)再增加参考移相全桥脉冲C导通部分(或关系)；移相全桥脉冲驱动D+，为参考移相全桥脉冲A和参考移相全桥脉冲B共同导通部分(与关系)再增加参考移相全桥脉冲D导通部分(或关系)；当驱动B+、驱动C+导通，电流从L端进来，通过Lin、SD-、SC+，再通过变压器T原边、Lr、Cb，流过SA-、SB+，再流过Rcs、Nin，回到N端；
当驱动B+、驱动C+导通，变压器副边同步整流开关管Sy+导通，副边中心通过滤波电感Lf流向滤波电容Cf和负载，由滤波电容Cf和负载另一端经过Sy+，回到变压器一端。当驱动A+、驱动D+导通，电源从L端进来，通过Lin、SB-、SA+，再通过Cb、Lr、变压器T原边，流过SC-、SD+，再流过Rcs、Nin，回到N端；当驱动A+、驱动D+导通，变压器副边同步整流开关管Sy-导通，副边中心通过滤波电感Lf流向滤波电容Cf和负载，由滤波电容Cf和负载另一端经过Sy-，回到变压器一端。作Boost导通期间，电源从L端进来，通过Lin、SB-、SA+、SA-、SB+和SD-、SC+、SC-、SD+两支路并联，再流过Rcs、Nin，回到N端。正极钳位开关管Scc+，在Boost导通期间，即移相全桥脉冲A、移相全桥脉冲B共同导通部分(与关系)和移相全桥脉冲C、移相全桥脉冲D共同导通部分(与关系)，关断，阻止电容被开关管短路，当Boost导通结束，正极钳位开关管Scc+导通，向变换器释放能量；在死区和电路驱动异常时，电感上的能量通过正极钳位开关管Scc+体二极管，由正极钳位电容C+吸收。
当L端输入为交流负半周时：正向全桥开关管SA+、SB+、SC+、SD+全部导通，正极钳位开关管Scc+关断。移相全桥脉冲驱动A-，为参考移相全桥脉冲C和参考全桥脉冲D共同导通部分(与关系)再增加参考移相全桥脉冲A导通部分(或关系)；移相全桥脉冲驱动B-，为参考移相全桥脉冲C和参考相全桥脉冲D共同导通部分(与关系)再增加参考移相全桥脉冲B导通部分(或关系)；移相全桥脉冲驱动C-，为参考移相全桥脉冲A和参考移相全桥脉冲B共同导通部分(与关系)再增加参考移相全桥脉冲C导通部分(或关系)；移相全桥脉冲驱动D-，为参考移相全桥脉冲A和参考移相全桥脉冲B共同导通部分(与关系)再增加参考移相全桥脉冲D导通部分(或关系)；当驱动B-、驱动C-导通，电源从N端进来，通过Nin、Rcs、SD+、SC-，再通过变压器T原边、Lr、Cb，流过SA+、SB-，再流过Lin，回到电源L端；
当驱动B-、驱动C-导通，变压器副边同步整流开关管Sy+导通，副边中心通过滤波电感Lf流向滤波电容Cf和负载，由滤波电容Cf和负载另一端经过Sy+，回到变压器一端。当驱动A-、驱动D-导通，电源从N端进来，通过Nin、Rcs、SB+、SA-，再通过Cb、Lr、变压器T原边，流过SC+、SD-，再流过Lin，回到电源L端；当驱动A-、驱动D-导通，变压器副边同步整流开关管Sy-导通，副边中心通过滤波电感Lf流向滤波电容Cf和负载，由滤波电容Cf和负载另一端经过Sy-，回到变压器另一端。负极钳位开关管Scc-，在Boost导通期间，即参考移相全桥脉冲A、参考移相全桥脉冲B共同导通部分(与关系)和参考移相全桥脉冲C、参考移相全桥脉冲D共同导通部分(与关系)，关断，阻止电容被开关管短路，当Boost导通结束，负极钳位开关管Scc-导通，向变换器释放能量；在死区和电路驱动异常时，电感上的能量通过负极钳位开关管Scc-体二极管，由负极钳位电容C+吸收。
本发明不限于所述实施方式，如带有数字控制功能的模拟开关电源，带有数字控制功能的数字开关电源等，凡是采用本发明的相似结构及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种交流输入带功率因数校正的全桥单极变换器，包括变压器，原边电路和副边电路，其特征在于，所述原边电路包括功率因数电感、电流取样电阻Rcs、正钳位装置、负钳位装置、正向全桥、负向全桥、原边电感Lr和原边电容Cb；所述电流取样电阻Rcs接于N端；所述功率因数电感包含输入电感Lin，输入电感Lin接于L端；
正钳位装置包括钳位电容C+和钳位开关管Scc+，钳位电容C+一端接电流取样电阻Rcs，另一端接钳位开关管Scc+的漏极，钳位开关管Scc+源极接输入电感Lin；
负钳位装置包括钳位电容C-和钳位开关管Scc-，钳位电容C-一端接功率因数电感，另一端接负极钳位开关管Scc-漏极，负极钳位开关管Scc-源极接电流取样电阻Rcs；
正向全桥包含开关管SA+、开关管SB+、开关管SC+和开关管SD+，开关管SB+和开关管SD+共源极，并和钳位开关管Scc-源极一起接于电流取样电阻Rcs；负向全桥包含开关管SA-、开关管SB-、开关管SC-和开关管SD-，开关管SB-和开关管SD-共源极，并和钳位开关管Scc+源极一起接于功率因数电感；
正向全桥、负向全桥两中点一端接变压器T原边的一端，另一端接原边电容Cb，原边电容Cb另一端串联原边电感Lr后接于变压器T原边的另一端。
2.根据权利要求1所述的一种交流输入带功率因数校正的全桥单极变换器，其特征在于：当交流输入L端为正时，负向全桥的开关管SA-、开关管SB-、开关管SC-和开关管SD-全部整区间导通，钳位开关管Scc-关断，正向全桥的开关管SA+、开关管SB+、开关管SC+和开关管SD+按移相全桥导通原则，钳位开关管Scc+导通；做Boost导通时，正向全桥的开关管同时导通，钳位开关管Scc+关断，Boost关断时，正向全桥的开关管继续按移相全桥导通原则，钳位开关管Scc+导通。
3.根据权利要求1所述的一种交流输入带功率因数校正的全桥单极变换器，其特征在于：当交流输入N端为正时，正向全桥的开关管SA+、开关管SB+、开关管SC+和开关管SD+全部整区间导通，钳位开关管Scc+关断，负向全桥的开关管SA-、开关管SB-、开关管SC-和开关管SD-按移相全桥导通原则，钳位开关管Scc-导通；做Boost导通时，负向全桥的开关管同时导通，钳位开关管Scc-关断，Boost关断时，负向全桥的开关管继续按移相全桥导通原则，钳位开关管Scc-导通。
4.根据权利要求1、2或3所述的一种交流输入带功率因数校正的全桥单极变换器，其特征在于，所述功率因数电感还包含输入电感Nin，输入电感Nin一端接于N端，另一端接电流取样电阻Rcs。
5.根据权利要求1、2或3所述的一种交流输入带功率因数校正的全桥单极变换器，其特征在于，以共模电感替代输入电感Lin作为功率因数电感，共模电感接于交流输入L端和N端之间。
6.根据权利要求1、2或3所述的一种交流输入带功率因数校正的全桥单极变换器，其特征在于，所述电流取样电阻Rcs接于功率因数电感之后，还可以接于N端，位于其它器件之前。
7.根据权利要求1、2或3所述的一种交流输入带功率因数校正的全桥单极变换器，其特征在于，所述钳位电容C+并联有放电电阻R+，所述钳位电容C-并联有放电电阻R-。
8.根据权利要求1－3任一项所述的一种交流输入带功率因数校正的全桥单极变换器，其特征在于，所述副边电路包括输出电感Lf、整流二极管D+、整流二极管D-与滤波电容Cf；
变压器T副边的一端接整流二极管D+正极、另一端接整流二极管D-正极，变压器中心抽头接滤波电容Cf一端，作输出负极；整流二极管D+负极和整流二极管D-负极并接后，接于输出电感Lf，输出电感Lf另一端接滤波电容Cf的另一端，作输出正极。
9.根据权利要求1、2或3所述的一种交流输入带功率因数校正的全桥单极变换器，其特征在于，所述副边电路包括输出电感Lf、同步整流管Sy+、同步整流管Sy-和滤波电容Cf；
同步整流管Sy+漏极接于变压器副边一端，源极和同步整流管Sy-源极及滤波电容一端并接作输出负极，同步整流管Sy-漏极接于变压器副边另一端，变压器中心抽头接输出电感Lf，输出电感Lf另一端接滤波电容Cf另一端，做输出正极。
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