CN106230282A - 单位功率因数隔离型ac‑dc变换器 - Google Patents

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杨喜军
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唐厚君
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Abstract

本发明提供了一种单位功率因数隔离型AC‑DC变换器，包括AC‑AC变换器和AC‑DC变换器，其中，AC‑AC变换器的输出端与AC‑DC变换器的输入端连接；所述AC‑AC变换器通过相互连接的全桥电路和变压器实现对输入电压的高频斩波及升降压处理，所述AC‑DC变换器通过相互连接的整流电路和校正模块实现AC到DC的变换及单位功率因数校正。本发明电路结构简单，操作方便，可以对输入电压进行升压和降压，可以实现输出功率单位功率因数，同时，通过变压器实现了原副边的电气隔离，进一步提高了安全性。

Description

单位功率因数隔离型AC-DC变换器
技术领域
本发明涉及电力电子变换技术领域，具体地，涉及一种单位功率因数隔离型AC-DC变换器。
背景技术
AC-DC电力变换器是一种电能转换装置，可以将交流电变换成直流电，功率由电源传向负载的AC-DC变换被称为整流。整流电路有单相整流、多相整流、可控整流、不可控整流、半波整流、全波整流、桥式整流等多种整流方式。传统的AC-DC变换采用可控整流方案来调节输出直流电压，且输出端往往接有电容器用来滤波，使得输入交流电流的波形产生严重畸变，输入端功率因数下降，对电网造成了严重的谐波电流污染；其次，传统方案没有使AC-DC变换的输入和输出隔离，当输出端出现故障时，可能会对输入端造成损害。
随着AC-DC变换技术的不断发展，各种新型的变换拓扑和提高功率因数的方法相继出现。一种方法是在变换器输入端加入有针对性的滤波器，即无功补偿装置，该方法电路简单，易于实现，成本低，但是其工作性能与频率、负载变化及输入电压变化情况有关，在低频情况下往往需要大容量的电感器和电容器；另一种方法是利用自关断器件，通过适当的控制策略，如脉宽调制(PWM)和正弦脉宽调制(SPWM)等控制方法来改善功率因数；还有一种方法是使用有源功率因数校正器(PFC)来获得较高的功率因数。
通过对现有技术的检索发现，文锋等于2009年在《电工技术学报》上介绍了一种新型的AC/DC变换器拓扑，对该电路的工作原理进行了分析，通过在变换器的高频部分加入变压器，既实现了输入和输出的电气隔离，又减小了系统重量和体积，采用基于输入电压的双线电压调制策略实现了输入侧电流正弦和单位功率因数；在专利方面，孙晓峰等在2014年的发明专利中公开了三种单级双向隔离AC-DC变换器，通过在桥臂中点连接Boost电感，实现了双向BoostPFC变换器与桥式双向变换器的集成，单级功率变换即可实现PFC+隔离DC-DC变换两种功能，且能量可双向流动。但是，通过AC-AC变换器首先对输入交流电压进行高频斩波然后通过变压器升降压再进行整流和功率因数校正的电路拓扑比较少。
随着实践应用的推广，设计一种隔离输入输出端的同时能够缩小器件体积、减少输入端的谐波污染的AC-DC变换器的需求随之产生。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种单位功率因数隔离型AC-DC变换器。
根据本发明提供的单位功率因数隔离型AC-DC变换器，包括AC-AC变换器和AC-DC变换器，其中，AC-AC变换器的输出端与AC-DC变换器的输入端连接；所述AC-AC变换器通过相互连接的全桥电路和变压器实现对输入电压的高频斩波及升降压处理，所述AC-DC变换器通过相互连接的整流电路和校正模块(功率因数校正模块)实现AC到DC的变换及单位功率因数校正。
所述AC-AC变换器的末端有一个变压器，该变压器的输出端连接至AC-DC变换器的输入端，即通过AC-AC变换器预先对输入电压进行升降压处理，再传输至AC-DC变换器的输入端，AC-DC变换器通过整流和添加校正模块实现整个电路由AC到DC的变换和单位功率因数的实现。
优选地，所述AC-AC变换器的电路结构包括：电感L1、电容C1、双向型可控开关器件BS1、双向型可控开关器件BS2、双向型可控开关器件BS3和双向型可控开关器件BS4、带有中心抽头的变压器T1。
具体地，电感L1的一端与交流电源的输入端ACL相连，电感L1的另一端与电容C1的一端相连，电容C1的另一端与交流电源的另一端ACN相连。双向型可控开关器件BSl、双向型可控开关器件BS2、双向型可控开关器件BS3和双向型可控开关器件BS4构成一个全桥电路，其中双向型可控开关器件BSl的一端与双向型可控开关器件BS2的一端相连，双向型可控开关器件BSl的另一端与双向型可控开关器件BS3的一端相连，双向型可控开关器件BS2的另一端和双向型可控开关器件BS3的另一端通过双向型可控开关器件BS4连接起来。整个全桥电路中，主要由双向型可控开关器件BS1和双向型可控开关器件BS3组成的桥臂中双向型可控开关器件BS1和双向型可控开关器件BS3连接点与电感L1和电容C1的连接点相连，主要由双向型可控开关器件BS2和双向型可控开关器件BS4组成的桥臂中双向型可控开关器件BS2和双向型可控开关器件BS4的连接点与电容C1和电源的连接点相连。全桥电路中，双向型可控开关器件BS1和双向型可控开关器件BS2的连接点与变压器T1原边的一个输入端相连，双向型可控开关器件BS3和双向型可控开关器件BS4的连接点与变压器T1原边的另一输入端相连。变压器T1的副边作为AC-AC变换器的输出端与AC-DC变换器的输入端相连。
优选地，所述AC-DC变换器的电路结构包括：二极管D1、二极管D2、主要由二极管D3、电感L2、逆导型开关S1和电解电容E1构成的校正模块、负载电阻R1。
具体地，二极管D1和二极管D2构成整流电路，二极管D1的正极与AC-AC变换器的输出端即变压器T1副边的一个输出端相连，二极管D2的正极与AC-AC变换器的另一输出端即变压器T1副边的另一输出端相连，二极管D1和二极管D2的负极相连接后与电感L2的一端相连，电感L2的另一端与逆导型开关S1的漏极相连，逆导型开关S1的源极与变压器T1的中心抽头相连。电感L2与逆导型开关S1漏极的连接点与二极管D3的正极相连，二极管D3的负极与电解电容E1的正极以及负载电阻R1相连，电解电容E1的负极跟负载电阻R1的另一端相连后与逆导型开关S1的源极相连。
本发明的工作原理及工作过程为：输入电压首先通过电感L1和电容C1进行滤波，之后主要由双向型可控开关器件BS1、双向型可控开关器件BS2、双向型可控开关器件BS3和双向型可控开关器件BS4组成的全桥电路对输入电压ui进行高频斩波，输入电压输出连接到变压器T1进行升降压操作，变压器T1副边得到期望的电压幅值；之后，主要由二极管D1和二极管D2对从变压器T1副边得到的高频交流电压进行整流，变为直流电压，接着，主要由电感L2、逆导型开关S1、二极管D3和电解电容E1构成的校正模块实现功率因数校正，保证了PFC之前的电路的功率因数接近1。输出电流为负载电阻R1供电。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明提供的单位功率因数隔离型AC-DC变换器，利用双向型可控开关器件BS1、双向型可控开关器件BS2、双向型可控开关器件BS3和双向型可控开关器件BS4实现了对输入电压ui的高频斩波，使得变压器的重量和体积能够大大减小。
2、本发明利用变压器进行升降压变换，易于操作，而且实现了输入端和输出端的电气隔离。
3、本发明利用校正模块提供了功率因数校正功能，保证了AC-DC变换器的校正模块之前的电压电流功率因数接近1，这样也保证了输入端的功率因数也接近1，减小了谐波污染对电网造成的损害。
4、本发明电路结构简单，操作方便，能够通过改变变压器变比实现升降压功能。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明提供的实施例的电路原理图。
图2(a)为网侧单相交流电压与交流电流波形图。
图2(b)为4个双向型可控开关器件的PWM驱动信号图。
图2(c)为变压器初级交流电压波形图。
图2(d)为变压器次级交流电压波形图。
图2(e)为整流电路输出电压波形图。
图2(f)为校正模块输出电压波形图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
根据本发明提供的单位功率因数隔离型AC-DC变换器，包括AC-AC变换器和AC-DC变换器，其中，AC-AC变换器的输出端与AC-DC变换器的输入端连接；所述AC-AC变换器通过相互连接的全桥电路和变压器实现对输入电压的高频斩波及升降压处理，所述AC-DC变换器通过相互连接的整流电路和校正模块实现AC到DC的变换及单位功率因数校正。
所述变压器设置于AC-AC变换器的末端，该变压器的输出端连接至AC-DC变换器的输入端，即通过AC-AC变换器预先对输入电压进行高频斩波和升降压处理，再传输至AC-DC变换器的输入端，AC-DC变换器通过整流和添加校正模块实现整个电路由AC到DC的变换和单位功率因数的实现。
优选地，所述AC-AC变换器电路包括：电感L1、电容C1、4只双向型可控开关器件BSl、BS2、BS3和BS4、带有中心抽头的变压器T1。
具体地，电感L1的一端与交流电源的输入端ACL相连，另一端与电容C1相连，电容C1的另一端与交流电源的另一端ACN相连。双向型可控开关器件BSl、BS2、BS3和BS4构成一个全桥电路，其中双向型可控开关器件BS1的一端与双向型可控开关器件BS2的一端相连，双向型可控开关器件BS1的另一端与双向型可控开关器件BS3的一端相连，双向型可控开关器件BS2和双向型可控开关器件BS3的另一端通过双向型可控开关器件BS4连接起来。整个全桥电路中主要由双向型可控开关器件BS1和双向型可控开关器件BS3组成的桥臂中双向型可控开关器件BS1和双向型可控开关器件BS3连接点与电感L1和电容C1的连接点相连，主要由双向型可控开关器件BS2和双向型可控开关器件BS4组成的桥臂中双向型可控开关器件BS2和双向型可控开关器件BS4的连接点与电容C1和电源的连接点相连。全桥电路中双向型可控开关器件BSl和双向型可控开关器件BS2的连接点与变压器T1原边的一个输入端相连，双向型可控开关器件BS3和双向型可控开关器件BS4的连接点与变压器T1原边的另一输入端相连。变压器T1的副边作为AC-AC变换器的输出端与AC-DC变换器的输入端相连。
优选地，所述AC-DC变换器电路包括：3只二极管D1、D2和D3、电感L2、逆导型开关S1、电解电容E1、负载电阻R1。
具体地，二极管D1和二极管D2构成整流电路，二极管D1的正极与AC-AC变换器的输出端即变压器T1副边的一个输出端相连，二极管D2的正极与AC-AC变换器的另一输出端即变压器T1副边的另一输出端相连，二极管D1和二极管D2的负极相连接后与电感L2的一端相连，电感L2的另一端与逆导型开关S1的漏极相连，逆导型开关S1的源极与变压器T1的中心抽头相连。电感L2与逆导型开关S1漏极的连接点与二极管D3的正极相连，二极管D3的负极与电解电容E1的正极以及负载电阻R1相连，电解电容E1的负极跟负载电阻R1的另一端相连后与逆导型开关S1的源极相连。
本发明的工作过程及工作原理为：输入电压ui首先通过电感L1和电容C1进行滤波，之后主要由双向型可控开关器件BS1、双向型可控开关器件BS2、双向型可控开关器件BS3和双向型可控开关器件BS4组成的全桥电路对其进行高频斩波，得到高频交流电压，其输出连接到变压器T1进行升降压操作，变压器T1副边得到期望电压幅值的高频交流电压；之后，主要由二极管D1和二极管D2对从变压器T1副边得到的高频交流电压进行整流，变为正弦半波的直流电压uo1，接着，主要由电感L2、逆导型开关S1、二极管D3和电解电容E1构成的校正模块实现功率因数校正，输出直流电压uo2，保证了AC-DC变换输入端的功率因数接近1。
本发明重要的是高频斩波(双向型可控开关器件BS1、双向型可控开关器件BS2、双向型可控开关器件BS3和双向型可控开关器件BS4)和功率因数校正(电感L2、逆导型开关S1、二极管D3和电解电容E1)。主要由双向型可控开关器件BS1、双向型可控开关器件BS2、双向型可控开关器件BS3和双向型可控开关器件BS4组成的全桥电路对输入交流电压ui进行斩波，由此得到高频交流电。通过把输入电压高频化，可以大大减小用来做电压幅值变换的变压器T1的体积和重量，同时变压器T1的应用也使得电压输入端和输出端实现了电气隔离，提高了输入端的安全性；校正模块用来对由变压器副边整流得到的电压进行电压电流跟踪，使得电流相位跟随电压相位和波形波动，从而实现功率因数接近1的效果，也就保证了网侧输入端的功率因数接近1。
如图1所示，本实施例提供的单位功率因数隔离型AC-DC变换器，能够实现高频斩波和功率因数校正功能。
本实施例中，所述的单位功率因数隔离型AC-DC变换器，包括：电感L1、电感L2、电容C1、双向型可控开关器件BS1、双向型可控开关器件BS2、双向型可控开关器件BS3、双向型可控开关器件BS4、变压器T1、二极管D1、二极管D2、二极管D3、逆导型开关S1、电解电容E1、负载电阻R1，其中：
电感L1的一端与输出电压uo1的一端相连，另一端与电容C1的一端、双向型可控开关器件BS1的下端和双向型可控开关器件BS3的上端相连；
电容C1的另一端与输出电压uo1的另一端、双向型可控开关器件BS2的下端和双向型可控开关器件BS4的上端相连；
双向型可控开关器件BS1的上端与双向型可控开关器件BS2的上端、变压器T1原边的上端相连；
双向型可控开关器件BS3的下端与双向型可控开关器件BS4的下端、变压器T1原边的下端相连；
变压器T1副边上端与二极管D1的正极相连，变压器T1副边下端与二极管D2的正极相连，变压器T1的中心抽头与逆导型开关S1的源极相连；
二极管D1的负极分别与二极管D2的负极、电感L2的一端相连；
电感L2的另一端分别与二极管D3的正极、逆导型开关S1的漏极相连；
二极管D3的负极分别与电解电容E1的正极、负载电阻R1的一端相连；
电解电容E1的负极分别与负载电阻R1的另一端、逆导型开关S1的源极相连。
本实例中上述各个元器件的选型可以优选为：
电感L1：330uH，20A，用于滤波；
电容C1：1.0uF，20A，用于滤波；
双向型开关(BS1-BS4)：600V，20A；
功率二极管(D1-D3)：600V，20A/100℃，用于整流；
电感L2：0.5mH，30A，用于储能和升压；
电解电容E1：400V，680μF，用于储能；
电阻R1：200kΩ，2W。
整个电路具体工作时：
网侧单相交流电压与交流电流波形如图2(a)所示，图中，ii表示输入电流。电感L1和电容C1构成LC回路，对输入电压进行滤波，之后主要由4个双向型可控开关器件组成的全桥电路进行高频斩波。4个双向型可控开关器件的PWM驱动信号如图2(b)所示。当输入端交流电压的上半波加到全桥电路上时，控制双向型可控开关器件BSl和双向型可控开关器件BS4接通的同时，双向型可控开关器件BS2和双向型可控开关器件BS3断开，变压器T1原边两端承受正向电压，控制双向型可控开关器件BS2和双向型可控开关器件BS3接通的同时，双向型可控开关器件BS1和双向型可控开关器件BS4断开，变压器T1原边两端承受反向电压，在双向型可控开关器件BS1-BS4的门极按照一定规律施加高频驱动信号，输入端交流电压的上半波将成为具有正弦轮廓的高频交流电；同理，当输入端交流电压的下半波加到全桥电路上时，控制双向型可控开关器件BS1和双向型可控开关器件BS4接通的同时，双向型可控开关器件BS2和双向型可控开关器件BS3断开，变压器T1原边两端承受反向电压，控制双向型可控开关器件BS2和双向型可控开关器件BS3接通的同时，双向型可控开关器件BS1和双向型可控开关器件BS4断开，变压器T1原边两端承受正向电压，在双向型可控开关器件BS1-BS4的门极按照一定规律施加高频驱动信号，输入端交流电压的下半波将成为具有正弦轮廓的与上半波刚好上下颠倒的高频交流电。变压器初级交流电压波形如图2(c)所示，图中，u。表示变压器T1的初级电压。经过变压器T1，电压幅值发生了改变，实现了调压功能。由变压器副边输出的交流电与高频斩波得到的交流电频率和相位完全相同，只是幅值有所改变。变压器次级交流电压波形如图2(d)所示，图中，us表示变压器T1的次级电压。经过主要由二极管D1和二极管D2构成的整流电路时，正半波电压通过二极管D1输出，负半波电压通过二极管D2输出，因此得到全为正向的正弦半波直流电压，实现了整流功能。整流电路输出电压波形如图2(e)所示。校正模块采用控制策略使电流相位跟踪整流得到的电压，力图使电流电压同相位，以使功率因数尽可能接近1，也就保证了网侧输入端的功率因数接近1。校正模块输出电压波形如图2(f)所示。
本发明可用于体积较小、对功率因数要求高的AC-DC变换领域。通过使用变压器，实现了交流电压的幅值变换，同时使得电压输入端与输出端实现了隔离；对输入电压进行高频斩波，大大缩小了变压器的重量和体积；添加校正模块，使得输入端的功率因数接近1，减小了谐波电流，减轻了谐波污染对电网的不良影响。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (3)

1.一种单位功率因数隔离型AC-DC变换器，包括AC-AC变换器和AC-DC变换器，其中，AC-AC变换器的输出端与AC-DC变换器的输入端连接；其特征在于，所述AC-AC变换器通过相互连接的全桥电路和变压器实现对输入电压的高频斩波及升降压处理，所述AC-DC变换器通过相互连接的整流电路和校正模块实现AC到DC的变换及单位功率因数校正。
2.根据权利要求1所述的单位功率因数隔离型AC-DC变换器，其特征在于，所述AC-AC变换器的电路结构包括：电感L1、电容C1、双向型可控开关器件BS1、双向型可控开关器件BS2、双向型可控开关器件BS3、双向型可控开关器件BS4以及带有中心抽头的变压器T1；其中：
电感L1的一端与交流电源的输入端ACL相连，电感L1的另一端与电容C1的一端相连，电容C1的另一端与交流电源的另一端ACN相连；
双向型可控开关器件BS1、双向型可控开关器件BS2、双向型可控开关器件BS3和双向型可控开关器件BS4构成一个全桥电路，其中双向型可控开关器件BS1的一端与双向型可控开关器件BS2的一端相连，双向型可控开关器件BS1的另一端与双向型可控开关器件BS3的一端相连，双向型可控开关器件BS2的另一端和双向型可控开关器件BS3的是另一端通过双向型可控开关器件BS4连接起来；
在整个全桥电路中，由双向型可控开关器件BS1和双向型可控开关器件BS3组成一桥臂，该桥臂中双向型可控开关器件BS1和双向型可控开关器件BS3连接点与电感L1和电容C1的连接点相连，由双向型可控开关器件BS2和双向型可控开关器件BS4组成一桥臂，该桥臂中双向型可控开关器件BS2和双向型可控开关器件BS4的连接点与电容C1和电源的连接点相连；
双向型可控开关器件BS1和双向型可控开关器件BS2的连接点与变压器T1原边的一个输入端相连，双向型可控开关器件BS3和双向型可控开关器件BS4的连接点与变压器T1原边的另一输入端相连；变压器T1的副边作为AC-AC变换器的输出端与AC-DC变换器的输入端相连。
3.根据权利要求2所述的单位功率因数隔离型AC-DC变换器，其特征在于，所述AC-DC变换器的电路结构包括：二极管D1、二极管D2、主要由二极管D3、电感L2、逆导型开关S1和电解电容F1构成的校正模块、负载电阻R1；其中：
二极管D1和二极管D2构成整流电路，二极管D1的正极与AC-AC变换器的输出端即变压器T1副边的一个输出端相连，二极管D2的正极与AC-AC变换器的另一输出端即变压器T1副边的另一输出端相连，二极管D1和二极管D2的负极相连接后与电感L2的一端相连，电感L2的另一端与逆导型开关S1的漏极相连，逆导型开关S1的源极与变压器T1的中心抽头相连；
电感L2与逆导型开关S1漏极的连接点与二极管D3的正极相连，二极管D3的负极与电解电容F1的正极以及负载电阻R1相连，电解电容F1的负极跟负载电阻R1的另一端相连后与逆导型开关S1的源极相连。
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