CN108448913A - 一种单级式基于交错并联无桥pfc电路和llc谐振的隔离型ac-dc变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种单级式基于交错并联无桥PFC电路和LLC谐振的隔离型AC‑DC变换器，包括前级交错并联无桥PFC电路，用于将交流输入电压转化为直流电压；所述后级全桥LLC谐振电路的原边为全桥电路结构，原边可以实现开关管零电压软开通、副边可以实现二极管零电流软关断。该变换器减少了开关管的数量，从而提升了整个变换器的效率。该变换器的AC/DC部分为交错并联无桥PFC电路，两路输入电感电流交错使得输入电流纹波大大减小；该变换器能够使输入电流很好地跟随输入电压变化，实现功率因数矫正功能；该变换器通过控制输出电压，实现稳定的直流电压输出；同时，该变换器具有高频变压器，可以实现电气隔离。

Description

一种单级式基于交错并联无桥PFC电路和LLC谐振的隔离型 AC-DC变换器
技术领域
本发明属于电力电子领域，具体设计一种单级式基于交错并联无桥PFC电路和LLC谐振的隔离型AC-DC变换器。
背景技术
随着通讯技术、电动汽车和电力系统等的发展，对通讯用开关电源、电动汽车充电器和电力操作电源的性能、重量、体积、效率和可靠性提出了更高的要求，这些领域的电源通常从交流电网取电输出直流电能，并且从对电网电能质量的影响和安全角度考虑，要求变换器同时具备功率因数矫正和电气隔离的功能。
传统的桥式功率因数矫正电路(俗称为Boost PFC)由于在同一时刻电流流过的功率半导体器件较多，电路的效率提升受到限制；随着功率半导体器件的发展，尤其是宽禁带半导体器件的应用，无桥式PFC电路由于在同一时刻电流只流过两个功率半导体器件，可以提升变换器的效率，受到了越来越多的重视。其中，图腾柱式无桥PFC电路由于共模干扰小等原因，得到了专家和学者越来越多的研究。
交错并联式功率因数矫正电路中每个功率因数矫正电路并联运行在交错状态，每个模块的开关管依次错开1/N个开关周期导通，可以有效减小输入电流纹波、降低EMI。LLC谐振式DC-DC变换器，结构简单，桥臂开关管可以实现软开关，开关损耗小，同时具有高频变压器，广泛用于直流变换场合。
传统的通讯用开关电源、电动汽车充电器和电力操作电源等为两级式电路，前级为功率因数矫正电路，后级为隔离型的DC-DC电路。但是两级式电路采用的器件较多，成本较高，体积较大。
Y.Wang和Y.Guan等人在标题为ASingle-Stage LED Driver Based onInterleaved Buck-Boost Circuit and LLC Resonant Converter(IEEE Journal ofEmerging And Selected Topics in Power Electronics,2015,3(3),pp.732-741)提出了一种基于Buck-Boost和LLC的单级式变换器，该变换器同时具备功率因数矫正和电气隔离的功能，同时可以实现功率器件的软开关；但是，该电路前级采用的为桥式整流结构，导通损耗较大；同时，该电路的输入电流为断续模式，该模式的电流纹波较大。
发明内容
针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明提出一种单级式基于交错并联无桥PFC电路和LLC谐振AC-DC变换器。该变换器将功率因数矫正技术和谐振技术结合，使变换器输入电流很好地跟随输入电压变化，实现功率因数矫正功能；该变换器通过控制输出电压，实现稳定的直流电压输出；同时，该变换器具有高频变压器，可以实现电气隔离的功能。
为实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
一种单级式基于交错并联无桥PFC电路和LLC谐振的隔离型AC-DC变换器，包括全桥LLC谐振电路，全桥LLC谐振电路的原边包括交错并联无桥PFC电路，具体为：
第一原边支路，由带反并联二极管DS1的第一功率开关管S1、带反并联二极管DS2的第二功率开关管S2串联组成；
与第一原边支路并联的第二原边支路，由带反并联二极管DS3的第三功率开关管S3、带反并联二极管DS4的第四功率开关管S4串联组成；
与第一原边支路并联的第三原边支路，由功率二极管D1和D2串联组成；
第一输入升压电感LB1，一端与输入电压一端连接，另一端连接于第一功率开关管S1与第二功率开关管S2之间；
第二输入升压电感LB2，一端与输入电压一端连接，另一端连接于第三功率开关管S3与第四功率开关管S4之间；
直流母线电容CDC，并联于第一原边支路；
串联的谐振电容Cr和谐振电感Lr，变压器T原边绕组的同名端依次经谐振电感Lr、谐振电容Cr连接于第一功率开关管S1的源极，变压器T原边绕组的异名端与第四功率开关管S4的漏极相连；
输入电压，一端连接于第一输入升压电感LB1和第二输入升压电感LB2，另一端连接于功率二极管D1和D2之间。
本发明中，交错并联无桥PFC电路有两个输入电感运行在交错并联模式，LLC谐振电路中的高频变压器起到电气隔离功能。因此，本发明提供的变换器是一个具有功率因数矫正和电气隔离功能的变换器；在该变换器中，交错并联图腾柱无桥式PFC电路为AC/DC转换电路，将交流输入电压整流为直流电压，LLC谐振电路原边的功率器件实现零电压软开通(ZVS)，LLC谐振电路为高频隔离型DC/DC电路，副边为全桥整流结构，将交流电压整流为直流输出电压。本发明提供的变换器具有以下优点：电气隔离、低成本、高效率、高功率密度、减小功率器件的数量、较小输入电流纹波，输入电流具有低的总谐波失真。
优选地，所述全桥LLC谐振电路的副边为全桥整流电路或全波整流电路。
优选地，所述全桥LLC谐振电路的副边包括：
输出负载；
与负载并联的第一副边支路，第一副边支路由第一功率二极管Do1、第二功率二极管Do2串联组成，第一功率二极管Do1的阴极与输出负载一端连接，第二功率二极管Do2的阳极与输出负载另一端连接；
与负载并联的第二副边支路，第二副边支路由第三功率二极管Do3、第四功率二极管Do4串联组成，第三功率二极管Do3的阴极与输出负载一端连接，第四功率二极管Do4的阳极与输出负载另一端连接；
与输出负载并联的输出滤波电容Co，作为第三副边支路；
压器T副边绕组的同名端连接于第一功率二极管Do1、第二功率二极管Do2之间，压器T副边绕组的异名端连接于第三功率二极管Do3、第四功率二极管Do4之间。
优选地，所述功率开关管S1、S2、S3和S4为功率金属-氧化物半导体场效应晶体管。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明变换器减少了功率开关管的数量，具体来说减少了4个功率开关管，采用无桥功率因数矫正电路，在保证功率因数矫正和电气隔离等功能的前提下，可以减小变换器使用开关管的数量，降低变换器的成本，减小导通器件数量，提高变换器的效率。
(2)本发明变换器包含一个前级功率因数校正电路(PFC)和后级LLC电路，在保证输出电压稳定的同时能够明显提高功率因数，使得输入电流很好地跟随输入电压的变化。
(3)本发明变换器中的功率开关管易于实现软开关，避免了由于开关管硬开关带来的各种电磁干扰问题，易于实现电路的高频化，同时有利于电路效率的提高。
(4)本发明的前级功率因数矫正电路(PFC)采用交错并联图腾柱式无桥PFC电路，两路电感电流分别承受输入电流的一半，采用电流连续控制模式，可以有效减小输入电流纹波；优选采用宽禁带功率器件，为宽禁带功率器件的应用提供实例。
(5)本发明变换器能够将一个交流电压转换为希望得到的直流电压，同时可实现电气隔离，这个功能应用范围非常广泛。比如：通讯用开关电源、电动汽车充电器、LED驱动等。说明了此变换器的方案具有非常广泛的应用前景。
附图说明
图1为实施例提供的基于交错并联无桥PFC电路和LLC谐振的隔离型AC-DC变换器的结构示意图；
图2为图1中所示的隔离型AC-DC变换器处于工作于模态1时的换流分析图；
图3为图1中所示的隔离型AC-DC变换器处于工作于模态2(D<0.5)时的换流分析图；
图4为图1中所示的隔离型AC-DC变换器处于工作于模态3时的换流分析图；
图5为图1中所示的隔离型AC-DC变换器处于工作于模态2(D>0.5)时的换流分析图；
图6为图1中所示的隔离型AC-DC变换器在输入电压为正半周期时的工作波形图；
图7为图1中所示的隔离型AC-DC变换器在输入电压为负半周期时的工作波形图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。
图1为实施例提供的基于交错并联无桥PFC电路和LLC谐振的隔离型AC-DC变换器的结构示意图。如图1所示，本实施例提供的隔离型AC-DC变换器包括全桥LLC谐振电路，其中，全桥LLC谐振电路的原边包含有交错并联图腾柱PFC电路，形成全桥电路结构，副边为全桥整流电路结构。具体结构如下：
全桥LLC谐振电路的原边包括：
第一原边支路，由带反并联二极管DS1的第一功率开关管S1、带反并联二极管DS2的第二功率开关管S2串联组成；
与第一原边支路并联的第二原边支路，由带反并联二极管DS3的第三功率开关管S3、带反并联二极管DS4的第四功率开关管S4串联组成；
第一输入升压电感LB1，第一输入升压电感LB1一端与输入电压Vin一端连接，另一端连接于第一功率开关管S1与第二功率开关管S2之间，即同时与第一功率开关管S1的源极与第二功率开关管S2的漏极相连；
第二输入升压电感LB2，第二输入升压电感LB2一端与输入电压Vin一端连接，另一端连接于第三功率开关管S3与第四功率开关管S4之间，即同时与第三功率开关管S3的源极与第四功率开关管S4的漏极相连；
与第一原边支路并联的第三原边支路，由功率二极管D1和D2串联组成；
直流母线电容CDC，直流母线电容CDC并联于第一原边支路，第二原边支路以及第三原边支路两端，即直流母线电容CDC两端分别与第一功率开关管S1的漏极(第三功率开关管S3的漏极)和第二功率开关管S2的源极(第四功率开关管S4的源极)相连；
串联的谐振电容Cr和谐振电感Lr，变压器T原边绕组的同名端依次经谐振电感Lr、谐振电容Cr连接于第一功率开关管S1的源极，变压器T原边绕组的异名端与第四功率开关管S4的漏极相连；
输入电压，一端连接于第一输入升压电感LB1和第二输入升压电感LB2，另一端连接于功率二极管D1和D2之间。
以上功率开关管S1、S2、S3和S4为功率金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，不考虑变压器的漏感，通过调节第一、第二桥臂上带反并联二极管DS1的第一功率开关管S1、带反并联二极管DS2的第二功率开关管S2、带反并联二极管DS3的第三功率开关管S3以及带反并联二极管DS4的第二功率开关管S4的开通和关断来调节谐振腔的输入电压，即直流母线电容上的电压，进而调节输出电压以便获得需要的电压值。
全桥LLC谐振电路的副边包括：
输出负载；
与负载并联的第一副边支路，第一副边支路由第一功率二极管Do1、第二功率二极管Do2串联组成，第一功率二极管Do1的阴极与输出负载一端连接，第二功率二极管Do2的阳极与输出负载另一端连接；
与负载并联的第二副边支路，第二副边支路由第三功率二极管Do3、第四功率二极管Do4串联组成，第三功率二极管Do3的阴极与输出负载一端连接，第四功率二极管Do4的阳极与输出负载另一端连接；
与输出负载并联的输出滤波电容Co，作为第三副边支路；
压器T副边绕组的同名端连接于第一功率二极管Do1、第二功率二极管Do2之间，即与第一功率二极管Do1的阳极与第二功率二极管Do2的阴极同时连接，压器T副边绕组的异名端连接于第三功率二极管Do3、第四功率二极管Do4之间，即与第三功率二极管Do3的阳极与第四功率二极管Do4的阴极同时连接；
本实施例中，变压器T等效成由励磁电感Lm和理想变压器组成，输出负载为纯电阻负载RL，电阻负载RL跨接在输出端口的正负两端，与输出滤波电容Co并联，二极管均为功率二极管。
图1中，第一缓冲电容CS1、第二缓冲电容CS2、第三缓冲电容CS3、第四缓冲电容CS4分别由带反并二极管DS1的第一功率开关管S1漏极与源极间的寄生电容、带反并二极管DS2的第二功率开关管S2漏极与源极间的寄生电容、带反并二极管DS3的第三功率开关管S3漏极与源极间的寄生电容、带反并二极管DS4的第四功率开关管S4漏极与源极间的寄生电容构成。
本实施例提供的隔离型AC-DC变换器与现有变化器相比，减少了开关管的数量，交错并联图腾柱式无桥PFC电路采用PWM控制。为叙述工作模态换流过程，作假设条件如下：
(1)第一原边支路的功率开关管S1、S2互补工作在开关频率上；第二原边支路的功率开关管S3、S4互补工作在开关频率上。
(2)输入电感LB1、LB2工作在连续电流模式(CCM)。
换流过程分析(以正半周为例)：
模态1：[t0～t1]
如图2所示，开关管S1导通，S2关断，S3关断，S4导通，谐振腔输入电压为+VCD；此时，第一输入电感LB1、第一功率开关管S1、直流母线电容CDC、二极管D2组成一个回路，输入电压通过第一输入电感LB1为直流母线电容充电，第一输入电感LB1电流线性下降；第二输入电感LB2、第四功率开关管S4、二极管D2组成另外一个回路，输入电压为第二输入电感LB2充电，第二输入电感LB2电流线性上升。当开关管S1导通时，此时谐振腔回路的谐振电流iLr为负，谐振电流iLr流经第一功率开关管S1的反并二极管DS1，为S1的ZVS创造条件；当谐振电流iLr逐渐由负变为正时，此时直流电容CDC放电，谐振电流iLr等于直流母线电容电流和第一输入电感LB1电流iLB1之和。此时谐振电流iLr与励磁电流im之差输出到变压器的副边。
模态2：[t1～t2]
此模式分为两种情况：
当占空比D<0.5时，电路如图3所示，此时开关管S1关断，S2导通，S3关断，S4导通，谐振腔输入电压为零；此时第一输入电感LB1、第二功率开关管S2，二极管D2构成回路，输入电压为第一输入电感LB1充电；第二输入电感LB2、第四功率开关管S4，二极管D2构成回路，输入电压为第二输入电感LB2充电。两路电感电流线性上升。当开关管S2刚导通时，谐振电流iLr为正值，谐振电流iLr流过第二功率开关管S2的反并二极管DS2，为第二功率开关管的ZVS创造条件；这个状态开始于第一功率开关管S1断开，第二功率开关管S2导通。此时谐振腔的输入电压为0，谐振电流iLr和励磁电感电流im相等，变压器原边没有能量传向副边，副边二极管实现ZCS。
当占空比D>0.5时，电路如图5所示，此时开关管S1导通、S2关断、S3导通、S4关断，谐振腔输入电压为零。此时第一输入电感LB1、第二功率开关管S2、二极管D2构成回路，输入电压和第二路电感LB1为直流母线电容充电，第一输入电感LB1电流线性下降；第二输入电感LB2、第三功率开关管S3、直流母线电容CDC、二极管D2构成回路，输入电压和第二输入电感LB2给直流母线电容充电，第二输入电感LB2电流线性下降。
模态3：[t2～t3]
如图4所示，开关管S1关断，S2导通，S3导通，S4关断，谐振腔输入电压为-VDC。此时第一输入电感LB1、第二功率开关管S2、二极管D2构成回路，输入电压为第一输入电感LB1充电，电感电流线性上升；第二输入电感LB2、第三功率开关管S3、直流母线电容CDC、二极管D2构成回路，输入电压和第二输入电感给直流母线电容充电，第二输入电感电流线性下降。当第三功率开关管S3刚导通时，谐振电流iLr为正，谐振电流iLr流过第三功率开关管S3的反并二极管DS3，为第三功率开关管的ZVS创造了条件。当谐振电流逐渐减小至iLr小于零时，直流母线电容放电电流和第二电感电流iLB2之和等于谐振电流iLr。此时谐振电流iLr与励磁电流im之差输出到变压器的副边。
模态4：[t3～t4]
此模式分两种情况：
当占空比D<0.5时，电路如图3所示，此时开关管S1关断，S2导通，S3关断，S4导通，谐振腔输入电压为零；此时第一输入电感LB1、第二功率开关管S2，二极管D2构成回路，输入电压为第一输入电感LB1充电；第二输入电感LB2、第四功率开关管S4，二极管D2构成回路，输入电压为第二输入电感LB2充电。两路电感电流线性上升。当开关管S2刚导通时，谐振电流iLr为正值，谐振电流iLr流过第二功率开关管S2的反并二极管DS2，为第二功率开关管的ZVS创造条件；这个状态开始于第一功率开关管S1断开，第二功率开关管S2导通。此时谐振腔的输入电压为0，谐振电流iLr和励磁电感电流im相等，变压器原边没有能量传向副边，副边二极管实现ZCS。
当占空比D>0.5时，电路如图5所示，此时开关管S1导通、S2关断、S3导通、S4关断，谐振腔输入电压为零。此时第一输入电感LB1、第二功率开关管S2、二极管D2构成回路，输入电压和第一输入电感给直流母线电容充电，电感电流线性下降；第二输入电感LB2、第三功率开关管S3、直流母线电容CDC、二极管D2构成回路，输入电压和第二输入电感给直流母线电容充电，第二输入电感电流线性下降。
以上各阶段的换流分析是在输入电压为正半周期时的换流分析，输入电压为标准的正弦波，具体工作波形图如图6所示。根据其对称性，在输入电压为负半周期时电路的换流分析情况与输入电压正半周期电路的换流分析情况相同，这里不再赘述，具体工作波形图如图7所示。
以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种单级式基于交错并联无桥PFC电路和LLC谐振的隔离型AC-DC变换器，包括全桥LLC谐振电路，其特征在于，全桥LLC谐振电路的原边包括交错并联无桥PFC电路，具体为：
第一原边支路，由带反并联二极管DS1的第一功率开关管S1、带反并联二极管DS2的第二功率开关管S2串联组成；
与第一原边支路并联的第二原边支路，由带反并联二极管DS3的第三功率开关管S3、带反并联二极管DS4的第四功率开关管S4串联组成；
与第一原边支路并联的第三原边支路，由功率二极管D1和D2串联组成；
第一输入升压电感LB1，一端与输入电压一端连接，另一端连接于第一功率开关管S1与第二功率开关管S2之间；
第二输入升压电感LB2，一端与输入电压一端连接，另一端连接于第三功率开关管S3与第四功率开关管S4之间；
直流母线电容CDC，并联于第一原边支路；
串联的谐振电容Cr和谐振电感Lr，变压器T原边绕组的同名端依次经谐振电感Lr、谐振电容Cr连接于第一功率开关管S1的源极，变压器T原边绕组的异名端与第四功率开关管S4的漏极相连；
输入电压，一端连接于第一输入升压电感LB1和第二输入升压电感LB2，另一端连接于功率二极管D1和D2之间。
2.如权利要求1所述的单级式基于交错并联无桥PFC电路和LLC谐振的隔离型AC-DC变换器，其特征在于，所述全桥LLC谐振电路的副边为全桥整流电路或全波整流电路。
3.如权利要求2所述的单级式基于交错并联无桥PFC电路和LLC谐振的隔离型AC-DC变换器，其特征在于，所述全桥LLC谐振电路的副边包括：
输出负载；
与负载并联的第一副边支路，第一副边支路由第一功率二极管Do1、第二功率二极管Do2串联组成，第一功率二极管Do1的阴极与输出负载一端连接，第二功率二极管Do2的阳极与输出负载另一端连接；
与负载并联的第二副边支路，第二副边支路由第三功率二极管Do3、第四功率二极管Do4串联组成，第三功率二极管Do3的阴极与输出负载一端连接，第四功率二极管Do4的阳极与输出负载另一端连接；
与输出负载并联的输出滤波电容Co，作为第三副边支路；
压器T副边绕组的同名端连接于第一功率二极管Do1、第二功率二极管Do2之间，压器T副边绕组的异名端连接于第三功率二极管Do3、第四功率二极管Do4之间。
4.如权利要求1所述的单级式基于交错并联无桥PFC电路和LLC谐振的隔离型AC-DC变换器，其特征在于，所述功率开关管S1、S2、S3和S4为功率金属-氧化物半导体场效应晶体管。
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