CN106849690A - 基于pfc与llc谐振的智能半桥正弦波电压转换电路 - Google Patents

基于pfc与llc谐振的智能半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谐振的智能半桥正弦波电压转换电路，其包括有输入单元、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、变压器、第一二极管、第二二极管和第一滤波电感；逆变倒相单元，包括有第四开关管、第五开关管、第三电解电容、第四电解电容和第二滤波电感，所述第四开关管的源极连接于第五开关管的漏极，所述第三电解电容的正极连接于第四开关管的漏极，所述第三电解电容的负极还连接于第四电解电容的正极，所述第四开关管的源极连接于第二滤波电感的前端。本发明可提高PF值和输出电压质量。

Description

基于PFC与LLC谐振的智能半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谐振的智能半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，电压转换电路是其关键电路，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，提供一种可提高电压转换装置的PF值、可提高输出电压质量，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的半桥正弦波电压转换电路。
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谐振的智能半桥正弦波电压转换电路，其包括有用于提供直流电压的输入单元、用于对输入单元的输出电压进行滤波的滤波单元、用于对滤波单元的输出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、变压器、第一二极管、第二二极管和第一滤波电感，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初级绕组的第一端，所述变压器初级绕组的第二端通过第一电容连接于前端地，所述第二开关管的漏极连接于变压器初级绕组的第一端，所述第二开关管的源极通过第三电阻连接于前端地，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，所述变压器次级绕组的中间抽头连接于后端地，所述变压器次级绕组的第一端连接于第一二极管的阴极，所述第一二极管的阳极通过第二电容连接于后端地，所述变压器次级绕组的第二端连接于第二二极管的阳极，所述第二二极管的阴极连接于第一滤波电感的前端，所述第一滤波电感的后端通过第三电容连接于后端地，所述第一滤波电感的后端和第一二极管的阳极作为LLC隔离变换器单元的输出端；一逆变倒相单元，包括有第四开关管、第五开关管、第三电解电容、第四电解电容和第二滤波电感，所述第四开关管的漏极连接于LLC隔离变换器单元的输出端正极，所述第四开关管的源极连接于第五开关管的漏极，所述第五开关管的源极连接于LLC隔离变换器单元的输出端负极，所述第四开关管的栅极和第五开关管的栅极分别用于接入两路相位相反的PWM脉冲信号，所述第三电解电容的正极连接于第四开关管的漏极，所述第三电解电容的负极连接后端地，所述第三电解电容的负极还连接于第四电解电容的正极，所述第四电解电容的负极连接于第五开关管的源极，所述第四开关管的源极连接于第二滤波电感的前端，所述第二滤波电感的后端和第三电解电容的负极作为逆变倒相单元的输出端。
优选地，所述第四开关管的栅极和源极之间连接有第一电阻，所述第五开关管的栅极和源极之间连接有第二电阻。
优选地，所述输入单元包括有插座、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，所述滤波单元包括有滤波电容，所述滤波电容并联于整流桥的输出端。
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输入单元的输出端，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，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。
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单元交流侧的电压并反馈至MCU控制单元。
优选地，所述交流采样单元包括有运放，所述运放的两个输入端分别通过限流电阻而连接于输入单元的输入端，所述运放的输出端连接于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，所述变压器初级绕组的第二端连接于MCU控制单元，以令MCU控制单元采集变压器初级绕组的电信号。
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的电信号。
本发明公开的基于PFC与LLC谐振的智能半桥正弦波电压转换电路中，输入单元提供的直流电压经过滤波单元滤波后，由PFC升压单元进行升压转换，之后传输至LLC隔离变换器单元，在LLC隔离变换器单元中，第一开关管、第二开关管、第一电容、变压器初级的漏感及初级励磁电感组成LLC谐振电路，从而将功率传输给变压器的次级线圈，通过第一二极管、第二二极管整流成两个反方向的直流电平，再通过滤波电感、第二电容、第三电容而滤波成包含正负方向的直流电压，并通过改变变压器初次级的匝数比，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第二滤波电感，利用第二滤波电感可滤除逆变倒相单元输出信号中的高频脉冲，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为本发明半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谐振的智能半桥正弦波电压转换电路，结合图1至图3所示，其包括有用于提供直流电压的输入单元10、用于对输入单元10的输出电压进行滤波的滤波单元20、用于对滤波单元20的输出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、变压器T1、第一二极管D5、第二二极管D6和第一滤波电感L3，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初级绕组的第一端，所述变压器T1初级绕组的第二端通过第一电容C4连接于前端地，所述第二开关管Q7的漏极连接于变压器T1初级绕组的第一端，所述第二开关管Q7的源极通过第三电阻R2B连接于前端地，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次级绕组的中间抽头连接于后端地，所述变压器T1次级绕组的第一端连接于第一二极管D5的阴极，所述第一二极管D5的阳极通过第二电容C7连接于后端地，所述变压器T1次级绕组的第二端连接于第二二极管D6的阳极，所述第二二极管D6的阴极连接于第一滤波电感L3的前端，所述第一滤波电感L3的后端通过第三电容C8连接于后端地，所述第一滤波电感L3的后端和第一二极管D5的阳极作为LLC隔离变换器单元40的输出端；
一逆变倒相单元60，包括有第四开关管Q2、第五开关管Q4、第三电解电容C3、第四电解电容C5和第二滤波电感L4，所述第四开关管Q2的漏极连接于LLC隔离变换器单元40的输出端正极，所述第四开关管Q2的源极连接于第五开关管Q4的漏极，所述第五开关管Q4的源极连接于LLC隔离变换器单元40的输出端负极，所述第四开关管Q2的栅极和第五开关管Q4的栅极分别用于接入两路相位相反的PWM脉冲信号，所述第三电解电容C3的正极连接于第四开关管Q2的漏极，所述第三电解电容C3的负极连接后端地，所述第三电解电容C3的负极还连接于第四电解电容C5的正极，所述第四电解电容C5的负极连接于第五开关管Q4的源极，所述第四开关管Q2的源极连接于第二滤波电感L4的前端，所述第二滤波电感L4的后端和第三电解电容C3的负极作为逆变倒相单元60的输出端。
上述半桥正弦波电压转换电路中，输入单元10提供的直流电压经过滤波单元20滤波后，由PFC升压单元30进行升压转换，之后传输至LLC隔离变换器单元40，在LLC隔离变换器单元40中，第一开关管Q6、第二开关管Q7、第一电容C4、变压器T1初级的漏感及初级励磁电感组成LLC谐振电路，从而将功率传输给变压器T1的次级线圈，通过第一二极管D5、第二二极管D6整流成两个反方向的直流电平，再通过滤波电感L3、第二电容C7、第三电容C8而滤波成包含正负方向的直流电压，并通过改变变压器T1初次级的匝数比，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60的输出端设置了第二滤波电感L4，利用第二滤波电感L4可滤除逆变倒相单元输出信号中的高频脉冲，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。
进一步地，如图1所示，逆变倒相单元60的工作原理为：当第四开关管Q2导通时，第四开关管Q2、负载、第四电解电容C5形成回路，产生第一个高频脉冲电平给负载，当第四开关管Q2关闭时，通过第四电解电容C5、第五开关管Q4的体二极管、第二滤波电感L4形成续流回路；当第五开关管Q4导通时通过第五开关管Q4、负载、第三电解电容C3形成回路，在负载上就形成了第二个高频脉冲电平，当第五开关管Q4关断时，第四开关管Q2的体二极管、第三电解电容C3、负载、第二滤波电感L4形成续流回路。第四开关管Q2、第五开关管Q4的高频驱动PWM信号是经工频正弦调制后再送给第四开关管Q2、第五开关管Q4的GATE极。流经第四开关管Q2、第五开关管Q4的电流是按正弦变化的。由于第二滤波电感L4对高频脉冲具有高阻抗特性，所以高频分量被第二滤波电感L4滤除，在负载上就形成了工频正弦交流电压。同时第三电解电容C3、第四电解电容C5还有滤波的作用，可以与第一滤波电感L3组成直流滤波电路。该逆变电路控制简单，电路只用两个MOS管，成本低廉。
本实施例中，为了提高开关速度，所述第四开关管Q2的栅极和源极之间连接有第一电阻R17，所述第五开关管Q4的栅极和源极之间连接有第二电阻R23。
关于输入部分，所述输入单元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，所述滤波单元20包括有滤波电容C1，所述滤波电容C1并联于整流桥DB1的输出端。
关于升压部分，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的前端连接于输入单元10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。
上述PFC升压单元30中，若滤波电容C1输出半波交流电压，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，升压后通过第二电解电容C2滤波后的电压为400V，具体的升压原理如下：第三开关管Q5导通时，滤波电容C1上的电流经升压电感L2、第三开关管Q5到GND形成回路，升压电感L2储存能量；当第三开关管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第二电解电容C2电容进滤波，滤波成400V的直流电压。并且第三开关管Q5是根据控制芯片采到的输入交流修正波变化来加大或减少第三开关管Q5的导通时间，以使电流与电压相位变一致来提高PF值。
作为一种优选方式，如图3所示，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。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。
为了便于监测交流侧的电信号，如图2所示，还包括有一交流采样单元70，所述交流采样单元70连接于输入单元10的输入端与MCU控制单元80之间，所述交流采样单元70用于采集输入单元10交流侧的电压并反馈至MCU控制单元80。
进一步地，所述交流采样单元70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。
在此基础上，所述变压器T1初级绕组的第二端连接于MCU控制单元80，以令MCU控制单元80采集变压器T1初级绕组的电信号。
作为一种优选方式，本实施例还包括有一DC电压采样单元50，所述DC电压采样单元50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输出的电信号。
本发明公开的基于PFC、LLC和半桥正弦波电压转换电路，其具有高PF值、电网与输出端隔离，安全性非常高。本发明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，而输出电压是以纯正弦波输出，对交流电压有自动整形功能。此外，本发明电路简单、控制方便，其包含有电压与电流采样电路，能有效防浪涌电压与电流。
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谐振的智能半桥正弦波电压转换电路，其特征在于，包括有用于提供直流电压的输入单元(10)、用于对输入单元(10)的输出电压进行滤波的滤波单元(20)、用于对滤波单元(20)的输出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)、变压器(T1)、第一二极管(D5)、第二二极管(D6)和第一滤波电感(L3)，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)初级绕组的第一端，所述变压器(T1)初级绕组的第二端通过第一电容(C4)连接于前端地，所述第二开关管(Q7)的漏极连接于变压器(T1)初级绕组的第一端，所述第二开关管(Q7)的源极通过第三电阻(R2B)连接于前端地，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)次级绕组的中间抽头连接于后端地，所述变压器(T1)次级绕组的第一端连接于第一二极管(D5)的阴极，所述第一二极管(D5)的阳极通过第二电容(C7)连接于后端地，所述变压器(T1)次级绕组的第二端连接于第二二极管(D6)的阳极，所述第二二极管(D6)的阴极连接于第一滤波电感(L3)的前端，所述第一滤波电感(L3)的后端通过第三电容(C8)连接于后端地，所述第一滤波电感(L3)的后端和第一二极管(D5)的阳极作为LLC隔离变换器单元(40)的输出端；
一逆变倒相单元(60)，包括有第四开关管(Q2)、第五开关管(Q4)、第三电解电容(C3)、第四电解电容(C5)和第二滤波电感(L4)，所述第四开关管(Q2)的漏极连接于LLC隔离变换器单元(40)的输出端正极，所述第四开关管(Q2)的源极连接于第五开关管(Q4)的漏极，所述第五开关管(Q4)的源极连接于LLC隔离变换器单元(40)的输出端负极，所述第四开关管(Q2)的栅极和第五开关管(Q4)的栅极分别用于接入两路相位相反的PWM脉冲信号，所述第三电解电容(C3)的正极连接于第四开关管(Q2)的漏极，所述第三电解电容(C3)的负极连接后端地，所述第三电解电容(C3)的负极还连接于第四电解电容(C5)的正极，所述第四电解电容(C5)的负极连接于第五开关管(Q4)的源极，所述第四开关管(Q2)的源极连接于第二滤波电感(L4)的前端，所述第二滤波电感(L4)的后端和第三电解电容(C3)的负极作为逆变倒相单元(60)的输出端。
2.如权利要求1所述的基于PFC与LLC谐振的智能半桥正弦波电压转换电路，其特征在于，所述第四开关管(Q2)的栅极和源极之间连接有第一电阻(R17)，所述第五开关管(Q4)的栅极和源极之间连接有第二电阻(R23)。
3.如权利要求1所述的基于PFC与LLC谐振的智能半桥正弦波电压转换电路，其特征在于，所述输入单元(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，所述滤波单元(20)包括有滤波电容(C1)，所述滤波电容(C1)并联于整流桥(DB1)的输出端。
4.如权利要求1所述的基于PFC与LLC谐振的智能半桥正弦波电压转换电路，其特征在于，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)的前端连接于输入单元(10)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。
5.如权利要求4所述的基于PFC与LLC谐振的智能半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(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。
6.如权利要求5所述的基于PFC与LLC谐振的智能半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(70)，所述交流采样单元(70)连接于输入单元(10)的输入端与MCU控制单元(80)之间，所述交流采样单元(70)用于采集输入单元(10)交流侧的电压并反馈至MCU控制单元(80)。
7.如权利要求6所述的基于PFC与LLC谐振的智能半桥正弦波电压转换电路，其特征在于，所述交流采样单元(70)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)。
8.如权利要求5所述的基于PFC与LLC谐振的智能半桥正弦波电压转换电路，其特征在于，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。
9.如权利要求5所述的基于PFC与LLC谐振的智能半桥正弦波电压转换电路，其特征在于，所述变压器(T1)初级绕组的第二端连接于MCU控制单元(80)，以令MCU控制单元(80)采集变压器(T1)初级绕组的电信号。
10.如权利要求5所述的基于PFC与LLC谐振的智能半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(50)，所述DC电压采样单元(50)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)输出的电信号。
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