CN106533195A - 基于pfc与llc谐振的智能全桥正弦波电压转换电路 - Google Patents

基于pfc与llc谐振的智能全桥正弦波电压转换电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于PFC与LLC谐振的智能全桥正弦波电压转换电路，其包括有输入整流单元、滤波单元、PFC升压单元，以及：LLC隔离变换器单元，包括有第一开关管、第二开关管、第一续流二极管、第二续流二极管、变压器、谐振电容和放电电阻；DC电压滤波单元；逆变倒相单元，包括由第四开关管、第五开关管、第六开关管和第七开关管组成的逆变桥以及滤波电感，所述逆变桥的输出端连接于滤波电感的前端，所述滤波电感的后端连接负载，所述滤波电感用于滤除所述交流电中的高频脉冲，并为负载提供工频正弦交流电。本发明不仅提高了电压转换装置的PF值，还能够滤除输出侧的高频脉冲，进而为负载提供优质工频正弦交流电。

Description

基于PFC与LLC谐振的智能全桥正弦波电压转换电路
技术领域
本发明涉及电压转换电路，尤其涉及一种基于PFC与LLC谐振的智能全桥正弦波电压转换电路。
背景技术
现有技术中，由AC转AC的智能升降压转换装置又被称为旅行插排，该装置中，正弦波电压转换电路拓扑是其关键电路，是一种能实现AC-AC变换的电路，可以在AC-AC变换中实现升降压并稳定电压与频率的功能。然而目前的AC-AC便隽式设备市场大多数为非隔离型的拓扑电路，且PF值低、输出电压质量低、安全可靠性差。实际应用中，由于电压转换过程中存在开关管的高速切换，使得电路的输出侧会存在一定的高频脉冲信号，进而影响输出电压的质量，因而难以满足转换要求。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的不足，提供一种基于PFC与LLC谐振的智能全桥正弦波电压转换电路，用以提高电压转换装置的PF值、提高输出电压质量，并且能够滤除输出侧的高频脉冲，进而为负载提供优质工频正弦交流电。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案。
一种基于PFC与LLC谐振的智能全桥正弦波电压转换电路，其包括有用于对电网电压进行整流的输入整流单元、用于对输入整流单元输出的电压进行滤波的滤波单元、用于对滤波单元输出的电压进行升压转换的PFC升压单元，以及：一LLC隔离变换器单元，包括有第一开关管、第二开关管、第一续流二极管、第二续流二极管、变压器、谐振电容和放电电阻，所述第一开关管的漏极连接于PFC升压单元的输出端，所述第一开关管的源极连接于变压器的第一端，所述变压器的第二端通过谐振电容连接前端地，所述第二开关管的漏极连接于第一开关管的源极，所述第二开关管的源极通过放电电阻连接前端地，所述第一开关管的栅极和第二开关管的栅极用于加载两路相位相反的PWM脉冲信号，以令所述第一开关管和第二开关管交替导通，所述变压器副边绕组的第一端连接于第一续流二极管的阳极，所述变压器副边绕组的第二端连接于第二续流二极管的阳极，所述第一续流二极管的阴极和第二续流二极管的阴极均连接后端地，所述变压器副边绕组的中间抽头作为LLC隔离变换器单元的输出端；一DC电压滤波单元，包括有第一电解电容，所述第一电解电容的正极连接于LLC隔离变换器单元的输出端，所述第一电解电容的负极连接后端地；一逆变倒相单元，连接于LLC隔离变换器单元的输出端，所述逆变倒相单元包括由第四开关管、第五开关管、第六开关管和第七开关管组成的逆变桥以及滤波电感，所述第四开关管的栅极、第五开关管的栅极、第六开关管的栅极和第七开关管的栅极分别用于接入PWM控制信号，通过控制第四开关管、第五开关管、第六开关管和第七开关管导通或截止，以令所述逆变倒相单元输出交流电，所述逆变桥的输出端连接于滤波电感的前端，所述滤波电感的后端连接负载，所述滤波电感用于滤除所述交流电中的高频脉冲，并为负载提供工频正弦交流电。
优选地，所述输入整流单元包括有插座、保险、防雷电阻、共模抑制电感、安规电容和整流桥，所述保险串接于插座的零线或火线上，所述共模抑制电感的前端并联于插座，所述防雷电阻并联于共模抑制电感的前端，所述安规电容和整流桥的输入端均并联于共模抑制电感的后端，所述整流桥的输出端用于输出脉动直流电压。
优选地，所述滤波单元包括有滤波电容，所述滤波电容连接于输入整流单元的输出端与前端地之间。
优选地，所述PFC升压单元包括有升压电感、第三开关管、第一整流二极管和第二电解电容，所述升压电感的前端连接于滤波单元的输出端，所述升压电感的后端连接于第三开关管的漏极，所述第三开关管的源极接前端地，所述第三开关管的栅极用于接入一路PWM控制信号，所述第三开关管的漏极连接第一整流二极管的阳极，所述第一整流二极管的阴极作为PFC升压单元的输出端，且该第一整流二极管的阴极连接第二电解电容的正极，第二电解电容的负极接前端地。
优选地，所述第三开关管的栅极与前端地之间连接有第三下拉电阻。
优选地，还包括有一MCU控制单元，所述第一开关管的栅极、第二开关管的栅极和第三开关管的栅极分别连接于MCU控制单元，所述MCU控制单元用于分别输出PWM信号至第一开关管、第二开关管和第三开关管，以控制第一开关管、第二开关管和第三开关管通断状态，所述MCU控制单元还用于向逆变倒相单元输出四路PWM脉冲信号，以令所述逆变倒相单元输出交流电。
优选地，还包括有一交流采样单元，所述交流采样单元连接于输入整流单元的输入端与MCU控制单元之间，所述交流采样单元用于采集输入整流单元交流侧的电压并反馈至MCU控制单元。
优选地，所述第三开关管的源极与前端地之间连接有第一采样电阻，所述第三开关管的源极连接于MCU控制单元，藉由所述第一采样电阻而令MCU控制单元采集第三开关管源极的电信号。
优选地，还包括有一DC电压采样单元，所述DC电压采样单元包括有依次串联的第二采样电阻和第三采样电阻，所述第二采样电阻的前端连接于LLC隔离变换器单元的输出端，所述第三采样电阻的后端连接于MCU控制单元，藉由所述第二采样电阻和第三采样电阻而令MCU控制单元采集LLC隔离变换器单元输出端的电信号。
优选地，所述第一开关管的栅极与源极之间连接有第一下拉电阻，所述第二开关管的栅极与源极之间连接有第二下拉电阻。
本发明公开的基于PFC与LLC谐振的智能全桥正弦波电压转换电路中，输入整流单元对电网电压进行整流后，再经过滤波单元滤波而输出脉动直流电压，之后利用PFC升压单元对脉动直流电压进行升压处理，在LLC隔离变换器单元中，第一开关管、第二开关管、谐振电容、放电电阻与变压器原边的漏感及原边励磁电感组成LLC谐振电路，并在LLC谐振电路的状态转换过程中将电能传输至变压器的副边线圈，通过第一续流二极管和第二续流二极管整流成单向脉动电平，通过改变变压器原副边绕组的匝数比，可以调整输出电压的高低，进而实现升压或者降压转换。基于上述结构，本发明不仅实现了电压的隔离传输，进而提高升压/降压转换装置的PF值，还提高了输出电压质量，使得电压转换过程更加安全可靠。在此基础上，本发明在逆变倒相单元的输出端设置了滤波电感，利用滤波电感可滤除交流电中的高频脉冲，使得负载能够获得优质的工频正弦交流电，进而提高输出电压质量，以满足供电需求。
附图说明
图1为本发明全桥正弦波电压转换电路的原理图。
图2为本发明优选实施例中交流采样单元的电路原理图。
图3为本发明优选实施例中MCU控制单元的电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作更加详细的描述。
本发明公开了一种基于PFC与LLC谐振的智能全桥正弦波电压转换电路，结合图1至图3所示，其包括有用于对电网电压进行整流的输入整流单元10、用于对输入整流单元10输出的电压进行滤波的滤波单元20、用于对滤波单元20输出的电压进行升压转换的PFC升压单元30，以及：
一LLC隔离变换器单元40，包括有第一开关管Q6、第二开关管Q7、第一续流二极管D6、第二续流二极管D5、变压器T1、谐振电容C4和放电电阻R2B，所述第一开关管Q6的漏极连接于PFC升压单元30的输出端，所述第一开关管Q6的源极连接于变压器T1的第一端，所述变压器T1的第二端通过谐振电容C4连接前端地，所述第二开关管Q7的漏极连接于第一开关管Q6的源极，所述第二开关管Q7的源极通过放电电阻R2B连接前端地，所述第一开关管Q6的栅极和第二开关管Q7的栅极用于加载两路相位相反的PWM脉冲信号，以令所述第一开关管Q6和第二开关管Q7交替导通，所述变压器T1副边绕组的第一端连接于第一续流二极管D6的阳极，所述变压器T1副边绕组的第二端连接于第二续流二极管D5的阳极，所述第一续流二极管D6的阴极和第二续流二极管D5的阴极均连接后端地，所述变压器T1副边绕组的中间抽头作为LLC隔离变换器单元40的输出端；
一DC电压滤波单元50，包括有第一电解电容C3，所述第一电解电容C3的正极连接于LLC隔离变换器单元40的输出端，所述第一电解电容C3的负极连接后端地；
一逆变倒相单元70，连接于LLC隔离变换器单元40的输出端，所述逆变倒相单元70包括由第四开关管Q1、第五开关管Q2、第六开关管Q3和第七开关管Q4组成的逆变桥以及滤波电感L3，所述第四开关管Q1的栅极、第五开关管Q2的栅极、第六开关管Q3的栅极和第七开关管Q4的栅极分别用于接入PWM控制信号，通过控制第四开关管Q1、第五开关管Q2、第六开关管Q3和第七开关管Q4导通或截止，以令所述逆变倒相单元70输出交流电，所述逆变桥的输出端连接于滤波电感L3的前端，所述滤波电感L3的后端连接负载，所述滤波电感L3用于滤除所述交流电中的高频脉冲，并为负载提供工频正弦交流电。
上述全桥正弦波电压转换电路中，输入整流单元10对电网电压进行整流后，再经过滤波单元20滤波而输出脉动直流电压，之后利用PFC升压单元30对脉动直流电压进行升压处理，在LLC隔离变换器单元40中，第一开关管Q6、第二开关管Q7、谐振电容C4、放电电阻R2B与变压器T1原边的漏感及原边励磁电感组成LLC谐振电路，并在LLC谐振电路的状态转换过程中将电能传输至变压器T1的副边线圈，通过第一续流二极管D6和第二续流二极管D5整流成单向脉动电平，通过改变变压器T1原副边绕组的匝数比，可以调整输出电压的高低，进而实现升压或者降压转换。基于上述结构，本发明不仅实现了电压的隔离传输，进而提高升压/降压转换装置的PF值，还提高了输出电压质量，使得电压转换过程更加安全可靠。在此基础上，本发明在逆变倒相单元70的输出端设置了滤波电感L3，利用滤波电感L3可滤除交流电中的高频脉冲，使得负载能够获得优质的工频正弦交流电，进而提高输出电压质量，以满足供电需求。
关于输入部分的处理，所述输入整流单元10包括有插座、保险F2、防雷电阻RV1、共模抑制电感L1、安规电容CX1和整流桥DB1，所述保险F2串接于插座的零线或火线上，所述共模抑制电感L1的前端并联于插座，所述防雷电阻RV1并联于共模抑制电感L1的前端，所述安规电容CX1和整流桥DB1的输入端均并联于共模抑制电感L1的后端，所述整流桥DB1的输出端用于输出脉动直流电压。
在滤波部分，所述滤波单元20包括有滤波电容C1，所述滤波电容C1连接于输入整流单元10的输出端与前端地之间。
本实施例中，所述PFC升压单元30包括有升压电感L2、第三开关管Q5、第一整流二极管D1和第二电解电容C2，所述升压电感L2的前端连接于滤波单元20的输出端，所述升压电感L2的后端连接于第三开关管Q5的漏极，所述第三开关管Q5的源极接前端地，所述第三开关管Q5的栅极用于接入一路PWM控制信号，所述第三开关管Q5的漏极连接第一整流二极管D1的阳极，所述第一整流二极管D1的阴极作为PFC升压单元30的输出端，且该第一整流二极管D1的阴极连接第二电解电容C2的正极，第二电解电容C2的负极接前端地。进一步地，所述第三开关管Q5的栅极与前端地之间连接有第三下拉电阻R22。
上述PFC升压单元30中，当监测到C1输出半波交流电压时，PFC进入升压模式，以提高AC转AC智能降压转换拓扑电路的PF值，升压后通过C2滤波后的电压为400V。具体的升压原理如下：Q5导通时，C1上的电流经升压电感L2、Q5到GND形成回路，升压电感L2储存能量；当Q5关断时，升压电感上会形成比输入电压高得多的感应电动势，感应电动势经续流管D1进行整流后形成单向脉冲电压再送给C2电容进滤波，滤波成400V的直流电压。其中Q5是根据MCU控制单元80采到的输入交流正弦波变化来加大或减少Q5的导通时间，使得电流与电压相位达到一致来提高PF值。
关于主控部分，本实施例还包括有一MCU控制单元80，所述第一开关管Q6的栅极、第二开关管Q7的栅极和第三开关管Q5的栅极分别连接于MCU控制单元80，所述MCU控制单元80用于分别输出PWM信号至第一开关管Q6、第二开关管Q7和第三开关管Q5，以控制第一开关管Q6、第二开关管Q7和第三开关管Q5通断状态，所述MCU控制单元80还用于向逆变倒相单元70输出四路PWM脉冲信号，以令所述逆变倒相单元70输出交流电。进一步地，所述MCU控制单元80包括有单片机U1及其外围电路。
了便于监测交流侧的电信号，本实施例还包括有一交流采样单元90，所述交流采样单元90连接于输入整流单元10的输入端与MCU控制单元80之间，所述交流采样单元90用于采集输入整流单元10交流侧的电压并反馈至MCU控制单元80。
关于该交流采样单元90的具体组成，所述交流采样单元90包括有运放U9B，所述运放U9B的两个输入端分别通过限流电阻而连接于输入整流单元10的输入端，所述运放U9B的输出端连接于MCU控制单元80。
为了便于对电流进行实时采集，所述第三开关管Q5的源极与前端地之间连接有第一采样电阻R2A，所述第三开关管Q5的源极连接于MCU控制单元80，藉由所述第一采样电阻R2A而令MCU控制单元80采集第三开关管Q5源极的电信号。
作为一种优选方式，为了对直流侧电信号进行采集，本实施例还包括有一DC电压采样单元60，所述DC电压采样单元60包括有依次串联的第二采样电阻R13和第三采样电阻R15，所述第二采样电阻R13的前端连接于LLC隔离变换器单元40的输出端，所述第三采样电阻R15的后端连接于MCU控制单元80，藉由所述第二采样电阻R13和第三采样电阻R15而令MCU控制单元80采集LLC隔离变换器单元40输出端的电信号。
为了提高第一开关管Q6和第一下拉电阻R25的开关速度，所述第一开关管Q6的栅极与源极之间连接有第一下拉电阻R25，所述第二开关管Q7的栅极与源极之间连接有第二下拉电阻R26。
本实施例中的逆变倒相单元70由Q1、Q2、Q3、Q4、L3组成，经过C3滤波后的直流电压经Q1、L4、负载、Q4形成回路给负载供电形成第一个高频脉电平；第二个高频脉冲电平通过Q2、L3、负载、Q3形成回路，通过L3对高频脉冲电平的阻碍作用进行滤波，在负载上就形成了一个完整的工频正弦波交流电压。控制芯片U1输出的PWM信号经驱动电路后分别送出PWM1H、PWM1L、PWM2H、PWM2L给Q1、Q2、Q3、Q4的GATE极。逆变倒相电路中的相位与频率按照控制芯片内部设定的模式进行工作，且Q1、Q2、Q3、Q4是通过工频调制高频PWM模式进行工作，电感L3将高频脉冲电平滤除，留下工频正弦交流电对负载供电。
本发明公开的基于PFC与LLC谐振的智能全桥正弦波电压转换电路，其相比现有技术而言，首先，本发明具有高PF值，实现了电网与输出端隔离，安全性非常高，同时，在输入全电压范围内能够能自动调节输出电压，并且固定输出频率，再次，输出电压是以正弦波输出，对交流电压有自动整形功能，此外，本发明方案含有电压与电流采样电路，能防浪涌电压与电流。
以上所述只是本发明较佳的实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的技术范围内所做的修改、等同替换或者改进等，均应包含在本发明所保护的范围内。

Claims (10)

1.一种基于PFC与LLC谐振的智能全桥正弦波电压转换电路，其特征在于，包括有用于对电网电压进行整流的输入整流单元、用于对输入整流单元输出的电压进行滤波的滤波单元、用于对滤波单元输出的电压进行升压转换的PFC升压单元，以及：
一LLC隔离变换器单元，包括有第一开关管、第二开关管、第一续流二极管、第二续流二极管、变压器、谐振电容和放电电阻，所述第一开关管的漏极连接于PFC升压单元的输出端，所述第一开关管的源极连接于变压器的第一端，所述变压器的第二端通过谐振电容连接前端地，所述第二开关管的漏极连接于第一开关管的源极，所述第二开关管的源极通过放电电阻连接前端地，所述第一开关管的栅极和第二开关管的栅极用于加载两路相位相反的PWM脉冲信号，以令所述第一开关管和第二开关管交替导通，所述变压器副边绕组的第一端连接于第一续流二极管的阳极，所述变压器副边绕组的第二端连接于第二续流二极管的阳极，所述第一续流二极管的阴极和第二续流二极管的阴极均连接后端地，所述变压器副边绕组的中间抽头作为LLC隔离变换器单元的输出端；
一DC电压滤波单元，包括有第一电解电容，所述第一电解电容的正极连接于LLC隔离变换器单元的输出端，所述第一电解电容的负极连接后端地；
一逆变倒相单元，连接于LLC隔离变换器单元的输出端，所述逆变倒相单元包括由第四开关管、第五开关管、第六开关管和第七开关管组成的逆变桥以及滤波电感，所述第四开关管的栅极、第五开关管的栅极、第六开关管的栅极和第七开关管的栅极分别用于接入PWM控制信号，通过控制第四开关管、第五开关管、第六开关管和第七开关管导通或截止，以令所述逆变倒相单元输出交流电，所述逆变桥的输出端连接于滤波电感的前端，所述滤波电感的后端连接负载，所述滤波电感用于滤除所述交流电中的高频脉冲，并为负载提供工频正弦交流电。
2.如权利要求1所述的基于PFC与LLC谐振的智能全桥正弦波电压转换电路，其特征在于，所述输入整流单元包括有插座、保险、防雷电阻、共模抑制电感、安规电容和整流桥，所述保险串接于插座的零线或火线上，所述共模抑制电感的前端并联于插座，所述防雷电阻并联于共模抑制电感的前端，所述安规电容和整流桥的输入端均并联于共模抑制电感的后端，所述整流桥的输出端用于输出脉动直流电压。
3.如权利要求1所述的基于PFC与LLC谐振的智能全桥正弦波电压转换电路，其特征在于，所述滤波单元包括有滤波电容，所述滤波电容连接于输入整流单元的输出端与前端地之间。
4.如权利要求1所述的基于PFC与LLC谐振的智能全桥正弦波电压转换电路，其特征在于，所述PFC升压单元包括有升压电感、第三开关管、第一整流二极管和第二电解电容，所述升压电感的前端连接于滤波单元的输出端，所述升压电感的后端连接于第三开关管的漏极，所述第三开关管的源极接前端地，所述第三开关管的栅极用于接入一路PWM控制信号，所述第三开关管的漏极连接第一整流二极管的阳极，所述第一整流二极管的阴极作为PFC升压单元的输出端，且该第一整流二极管的阴极连接第二电解电容的正极，第二电解电容的负极接前端地。
5.如权利要求4所述的基于PFC与LLC谐振的智能全桥正弦波电压转换电路，其特征在于，所述第三开关管的栅极与前端地之间连接有第三下拉电阻。
6.如权利要求4所述的基于PFC与LLC谐振的智能全桥正弦波电压转换电路，其特征在于，还包括有一MCU控制单元，所述第一开关管的栅极、第二开关管的栅极和第三开关管的栅极分别连接于MCU控制单元，所述MCU控制单元用于分别输出PWM信号至第一开关管、第二开关管和第三开关管，以控制第一开关管、第二开关管和第三开关管通断状态，所述MCU控制单元还用于向逆变倒相单元输出四路PWM脉冲信号，以令所述逆变倒相单元输出交流电。
7.如权利要求6所述的基于PFC与LLC谐振的智能全桥正弦波电压转换电路，其特征在于，还包括有一交流采样单元，所述交流采样单元连接于输入整流单元的输入端与MCU控制单元之间，所述交流采样单元用于采集输入整流单元交流侧的电压并反馈至MCU控制单元。
8.如权利要求6所述的基于PFC与LLC谐振的智能全桥正弦波电压转换电路，其特征在于，所述第三开关管的源极与前端地之间连接有第一采样电阻，所述第三开关管的源极连接于MCU控制单元，藉由所述第一采样电阻而令MCU控制单元采集第三开关管源极的电信号。
9.如权利要求6所述的基于PFC与LLC谐振的智能全桥正弦波电压转换电路，其特征在于，还包括有一DC电压采样单元，所述DC电压采样单元包括有依次串联的第二采样电阻和第三采样电阻，所述第二采样电阻的前端连接于LLC隔离变换器单元的输出端，所述第三采样电阻的后端连接于MCU控制单元，藉由所述第二采样电阻和第三采样电阻而令MCU控制单元采集LLC隔离变换器单元输出端的电信号。
10.如权利要求1所述的基于PFC与LLC谐振的智能全桥正弦波电压转换电路，其特征在于，所述第一开关管的栅极与源极之间连接有第一下拉电阻，所述第二开关管的栅极与源极之间连接有第二下拉电阻。
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