CN109889060A - 高功率密度的ac-dc隔离变换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了高功率密度的AC‑DC隔离变换器，将交流输入电压AC转换为直流输出电压DC，包括输入整流电路，将交流输入电压整流为具有恒定极性和第一振幅的第一整流电压；包括输入滤波电容，接受所述第一整流电压，并将其转换为具有恒定极性和第二振幅(远小于第一振幅)的第二整流电压；包括非隔离型电压调节电路，接受所述第二整流电压，将其调节为适合负载使用的具有恒定极性和第一幅值的第一输出电压；包括隔离电路，接受所述第一输出电压，并经隔离电路输出具有恒定极性和第一幅值的第二输出电压。

Description

高功率密度的AC-DC隔离变换器

技术领域

本发明涉及AC-DC电源转换装置，且特别是有关于高效率、高功率密度的AC-DC隔离变换器。

背景技术

两级AC/DC变换电路由一个功率因数调节器(PFC)和DC/DC变换器串联而成，前者主要负责正弦化输入电流，使电压电流同相位，后者主要负责调整输出电压，通过DC/DC变化得到可以利用的电压。

这种类型拓扑的优点有：可以在得到高输入功率因数与低输入电流谐波的同时，得到较好的输出电压特性，例如较小的输出电压纹波，较快的输出电压调整率等；可以在实现输入、输出绝缘的同时实现较长的掉电维持时间；电路中的能量存储电容的电压可控。它的应用场合主要有：后级电路对PFC电路的输出特性要求较高时，或整个产品对输入电流质量要求较高的场合。一般研究中，只对前一级进行研究，使电路的功率因数尽可能接近1，减少谐波对电网的污染，后一级只是对前一级的输出电压做一变化，得到人们日常生活中所要用的电压。但是电路较为复杂，由于能量要被处理和传递两次，因此整机效率较低，需要两套控制电路，成本较高。

发明内容

本发明正是思及于此，提供高功率密度的AC-DC隔离变换器，将交流输入电压转换为直流输出电压，高功率密度的AC-DC隔离变换器，包括输入整流电路、输入滤波电容、非隔离型电压调节电路、隔离电路，所述输入整流电路将交流输入电压整流为具有恒定极性和第一振幅的第一整流电压，所述输入滤波电容并联在所述输入整流电路的输出端，接受所述第一整流电压，并将其转换为具有恒定极性和第二振幅的第二整流电压，所述非隔离型电压调节电路并联在所述输入滤波电容的两端，接受所述第二整流电压，并将其调节为适合负载使用的具有恒定极性和第一幅值的第一输出电压，所述隔离电路并联在所述电压调节电路的输出端，接受所述第一输出电压，并经隔离电路输出具有恒定极性和第二幅值的第二输出电压。

本发明一优选的实施例中，所述非隔离型电压调节电路为一降压式变换电路。

本发明一优选的实施例中，所述隔离电路为一正激变换电路，所述正激变换电路工作在定频模式。

本发明一优选的实施例中，所述第二振幅远小于第一振幅。

本发明一优选的实施例中，所述隔离电路包括一隔离变压器，所述隔离变压器原边绕组和副边绕组的变比为N。

本发明一优选的实施例中，第一幅值和第二幅值的比值为变比N。

本发明一优选的实施例中，所述非隔离型电压调节电路采样所述隔离电路的输出电压，反馈回所述非隔离型电压调节电路调节所述非隔离型电压调节电路的开关频率和占空比。

本发明一优选的实施例中，所述非隔离型电压调节电路工作在准谐振状态下。

有益效果，本发明的隔离电路可以高频工作，体积小，效率高，从而提高了整个电源的功率密度，使之成为高功率密度的高效率的AC-DC隔离变换器。

为让发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图式作详细说明如下。

附图说明

图1本发明高功率密度的AC-DC隔离变换器的框图。

图2本发明高功率密度的AC-DC隔离变换器的第一具体实施例的电路简化图。

图3本发明高功率密度的AC-DC隔离变换器的第二具体实施例的电路简化图。

图4为图2和图3中关键点的波形图。

图5本发明高功率密度的AC-DC隔离变换器的第三具体实施例的电路简化图。

在附图中，类似的附图标号是指相同的附图元件。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明所公开的实施例提供高功率密度的AC-DC隔离变换器设计，除其他应用之外，该电源转换器设计可用于向计算设备(例如，台式计算机、笔记本电脑、平板电脑、便携式媒体播放器、智能电话和或其他现代计算设备)、电池充电器和电动汽车提供DC电源。

在特定实施例中，描述了使用非隔离型电压调节电路和直流变压器的AC-DC隔离型变换器。该AC-DC隔离型变换器的隔离电路的输入和输出电压相同或者呈现与隔离电路中变压器的变比相关的比例关系，该隔离电路工作在定频模式且工作在高频模式，线路简单且电磁噪声小，电路效率高，提高了整个电源的功率密度。

图1示出高功率密度的AC-DC隔离变换器100的框图。如图1中所示，AC-DC隔离变换器100，包括输入整流电路11、输入滤波电路12、非隔离型电压调节电路13、隔离电路14。更具体地，输入整流电路11的输入端IN耦接至交流电源15，该交流电源提供交流输入电压Vin(例如，50Hz或60Hz实用电压)。需注意，尽管并未示出，但电磁干扰(EMI)滤波器通常耦接在交流电源15和输入整流电路11之间。此类EMI滤波器可为AC-DC隔离变换器100的一部分。输入整流电路11将AC电压Vin整流成具有恒定极性的第一整流电压Vdc。

输入整流电路11的输出端耦接至输入滤波电路12，该输入滤波电路12具有功率因数校正的功能，输入滤波电路12将第一整流电压Vdc调节为经调节的第二整流电压Vdc’，第二整流电压Vdc’的振幅远小于第一整流电压Vdc的振幅。输入滤波电路12包括用作低通滤波器的电容Cdc，电容Cdc。为了实现低纹波Vdc’输出，具有功率因数校正的作用，通常使用电解电容。在所示的实施例中，输入整流电路11包括二极管D1、D2、D3、D4，二极管D1、D2、D3、D4构成全桥整流电路，所述电容Cdc与所述输入整流电路11的输出端并联。需注意，输入滤波电路12还可使用其他调节器设计来获得经调节的第二整流电压Vdc’，并且因此其并不限于图1的特定实施例。然而，输入滤波电路12通常包括电容器诸如Cdc。

请参考图5，为输入滤波电路12的另一实施方式，输入滤波电路52包括电容Cdc1和电容Cdc2，所述电容Cdc1和电容Cdc2串联，输入整流电路51包括二极管D1、D2，所述二极管D1、D2同向串联，输入端IN耦接交流输入Vin，输入端IN的第一输入端子IN1耦接至输入整流电路51的中点P1，输入端IN的第二输入端子IN2耦接至输入滤波电路52的中点P2。

进一步参考图1，需注意，输入滤波电路12输出端耦接至非隔离型电压调节电路13，该非隔离型电压调节电路13将第二整流电压Vdc’转换为适合负载的第一输出电压Vo’。更具体地，该非隔离型电压调节电路13为一非隔离式电源变换电路，请再参考图2，该非隔离型电压调节电路13优选的为一降压式变换器23，如图2中所示，所述降压式变换器23为BUCK变换电路，包括开关S1、二极管D5、电感L1、电容C1，所述开关S1的一端与所述电容Cdc的正极连接，另一端与二极管D5的阴极连接，同时与电感L1的一端连接，所述二极管D5的阳极与所述电容Cdc的负极连接，所述电感L1的另一端与电容C1一端连接，电容C1的另一端与所述二极管D5的阳极连接，电容C1的两端为所述降压式变换器23的输出端。

再参考图3，与图2不同的是所述降压式变换器23具有另外一种实现方式，如图3中降压式变换器33，同样也是BUCK变换电路，包括开关S1、二极管D5、电感L1、电容C1，不同的是，所述开关S1的一端与所述电容Cdc的负极连接，另一端与二极管D5的阳极连接，同时与电感L1的一端连接，所述二极管D5的阴极与所述电容Cdc的正极连接，所述电感L1的另一端与电容C1一端连接，电容C1的另一端与所述二极管D5的阴极连接，电容C1的两端为所述降压式变换器33的输出端。

需注意，所述非隔离型电压调节电路13还可使用其他调节器设计来获得经第一输出电压Vo’，并且因此其并不限于图2和3的特定实施例。然而，输入滤波电路12通常包括电容器诸如Cdc。

进一步参考图1，非隔离型电压调节电路13之后为隔离电路14，该隔离电路14接收第一输出电压Vo’作为输入，并经隔离调节后输出第二输出电压Vo，所述第一输出电压Vo’和第二输出电压Vo具有相同的幅值或者表现为与所述隔离电路14的中隔离变压器变比相关的比值。

请再参考图2，所述隔离电路14为一正激变换电路24，所述正激变换电路24包括变压器T1，所述变压器T1包括原边绕组N1和副边绕组N2，所述原边绕组N1和副边绕组N2的同名端相同，原边绕组N1与开关S2串联后与所述降压式变换器23的输出端并联，所述开关S2的两端并联电容Cp，所述副边绕组N2与输出整流电路241并联，所述输出整流电路241包括电感Lk、滤波二极管D6、和输出滤波电容C2，他们之间相互串联，所述滤波电容C2的两端为输出端。输出整流电路241可由任何常规电路组成，其将AC电压Vs转换为DC电压Vo，电压Vo是AC-DC隔离变换器200的输出。电压Vo被提供给负载，通常该负载不被视为本发明电路的一部分。图3所示的正激变换电路34与图2中正激变换电路24相同。

其中电容Cp可以是开关S2的集成电容，电感Lk可以是变压器T1的漏感。

图4所示是图3中关键点的电压或电流的波形图，Vgs是开关S2的驱动电压；Vds是开关S2的d-s两端之间的电压；Vd6是滤波二极管D6两端的电压；Iin是变压器T1的原边电流，Is是变压器T1副边电流。

所述正激变换电路34，工作在定频开环状态，通过变压器T1的变比实现输出电压的变比设置，开关S2导通时变压器T1副边漏感Lk与滤波电容C2进行谐振，请参考图4中变压器T1副边电流Is的波形图，大大减小输出电流Io的纹波电流，并帮助副边滤波二极管D6实现ZCS关断；开关S2关断时，变压器T1的激磁电感Lm(也可以是变压器T1原边串联的电感)与开关S2两端并联电容Cp(也可以是开关S2的寄生电容)谐振，请参考开关S2的d-s两端之间的电压Vds的波形图，帮助开关S2实现ZVS开通。由于正激变换电路34是单端结构，无桥臂直通问题，因而不会受到死区时间限制，相比与LLC谐振拓扑，其可以达到更高的开关频率，因而电源模块的功率密度得到了保证，动态响应速度慢的问题也得以缓解。

提供高功率密度的AC-DC隔离变换器该拓扑所采用的控制方式为前级控制，非隔离型电压调节电路13采样隔离电路14的输出电压，反馈回非隔离型电压调节电路13调节非隔离型电压调节电路13开关频率和占空比，达到输出稳压的目的。非隔离型电压调节电路13工作在准谐振状态下，开关器件可以实现ZVS开通(或谷底开通)，开关损耗大幅降低，续流二极管自然关断，无反向恢复问题。

这就产生具有更小尺寸、更高效率和更高功率密度的更为紧凑的AC-DC隔离变换器。

虽然本发明已以实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围当视后附的申请专利范围所界定者为准。

Claims (8)

1.高功率密度的AC-DC隔离变换器，其特征在于，包括输入整流电路、输入滤波电容、非隔离型电压调节电路、隔离电路，所述输入整流电路将交流输入电压整流为具有恒定极性和第一振幅的第一整流电压，所述输入滤波电容并联在所述输入整流电路的输出端，接受所述第一整流电压，并将其转换为具有恒定极性和第二振幅的第二整流电压，所述非隔离型电压调节电路并联在所述输入滤波电容的两端，接受所述第二整流电压，并将其调节为适合负载使用的具有恒定极性和第一幅值的第一输出电压，所述隔离电路并联在所述电压调节电路的输出端，接受所述第一输出电压，并经隔离电路输出具有恒定极性和第二幅值的第二输出电压。

2.如权利要求1所述高功率密度的AC-DC隔离变换器，其特征在于，所述非隔离型电压调节电路为一降压式变换电路。

3.如权利要求1所述高功率密度的AC-DC隔离变换器，其特征在于，所述隔离电路为一正激变换电路，所述正激变换电路工作在定频模式。

4.如权利要求1所述高功率密度的AC-DC隔离变换器，其特征在于，所述第二振幅远小于第一振幅。

5.如权利要求3所述高功率密度的AC-DC隔离变换器，其特征在于，所述隔离电路包括一隔离变压器，所述隔离变压器原边绕组和副边绕组的变比为N。

6.如权利要求5所述高功率密度的AC-DC隔离变换器，其特征在于，第一幅值和第二幅值的比值为变比N。

7.如权利要求6所述高功率密度的AC-DC隔离变换器，其特征在于，所述非隔离型电压调节电路采样所述隔离电路的输出电压，反馈回所述非隔离型电压调节电路调节所述非隔离型电压调节电路的开关频率和占空比。

8.如权利要求3所述高功率密度的AC-DC隔离变换器，其特征在于，所述非隔离型电压调节电路工作在准谐振状态下。