CN110707948A - 隔离式单级ac/dc变换器 - Google Patents

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Abstract

本公开提供一种隔离式单级AC/DC变换器，包括：输入端，用于输入交流电压；变压器，与所述输入端相连，包括原边绕组及副边绕组，用于实现所述变换器的电气隔离；主开关管，位于原边绕组侧，用于控制原边电流的双向流通，包括第一主开关、以及第二主开关；整流管，位于副边绕组侧，用于控制副边电流的双向流通；输出滤波电路，与所述整流管相连，用于平滑输出电压；以及输出端，与所述输出滤波电路相连，用于输出直流电压；还可包括有源钳位电路，其包括辅助开关管以及有源钳位电容，用于实现主开关管的零电压开通以及吸收变压器的漏感能量。

Description

隔离式单级AC/DC变换器
技术领域
本公开涉及电力设备技术领域，尤其涉及一种隔离式单级AC/DC变换器。
背景技术
隔离式AC/DC变换器电路在适配器领域得到了广泛的应用。隔离式AC/DC变换器电路的功能包含两个方面：一方面，隔离式AC/DC变换器提供交流输入与直流输出的隔离；另一方面，隔离式AC/DC变换器将输入的交流电压转换为用电器所需的直流电压。当前，隔离式AC/DC变换器的主要实现方式有：“桥式整流电路+隔离式DC/DC变换器”、“非隔离式功率因数校正电路+隔离式DC/DC变换器”、“隔离式单级AC/DC变换器”。在小功率应用领域，“桥式整流电路+隔离式DC/DC变换器结构”得到了广泛的应用。在小功率应用中，由于电网对变换器的功率因数无要求，因此，在第一级，采用不控的桥式整流电路；在第二级，采用隔离式DC/DC变换器提供电气隔离与电压转换。随着变换器功率的提升，电网对功率因数提出了要求，因此，桥式整流电路不再适用，需要设计功率因数校正电路。在“非隔离式功率因数校正电路+隔离式DC/DC变换器”中，第一级，为非隔离式的功率因数校正电路，提供功率因数校正功能；第二级，为隔离式DC/DC变换器，一方面提供输入与输出的电气隔离，同时，将输入电压转换为所需的输出电压。
由于“桥式整流电路+隔离式DC/DC变换器结构”以及“非隔离式功率因数校正电路+隔离式DC/DC变换器”，均为两级变换器结构，电路结构复杂，所用元器件数量较多，因此，“隔离式单级AC/DC变换器”得到了应用。“隔离式单级AC/DC变换器”为一级的隔离式功率因数校正电路，同时提供功率因数校正以及电气隔离两项功能。“隔离式单级AC/DC变换器”结构，具有电路结构简单，成本低等优势，可用于替代当前低成本的应用场合(如各类电源适配器等对成本比较敏感的应用场合)，减小体积并降低成本，是一种很有前途的技术，具有十分广阔的的应用前景。
然而当前的隔离式单级AC/DC变换器结构，具有如下缺陷：首先，输入侧的开关管数量多(＞2)，因此需要采用的高耐压值的开关管数量相应增多，从而增加了成本。因为在隔离式单级AC/DC变换器结构中，由于输入为交流电压，为实现双向可控，输入侧至少需要采用两个开关管来实现；当前的隔离式单级AC/DC变换器，输入侧所采用的开关管数量均大于2，因而增加了成本；其次，当前的隔离式单级AC/DC变换器结构，无法实现主开关管的软开关，因而，无法实现隔离式单级AC/DC变换器结构的高频化与高效率。当前，AC/DC变换器在向高频化、高功率密度、高效率发展。当前的单级AC/DC变换器结构，由于无法实现主开关管的软开关，因此，在提高开关频率时，开关管的损耗将会增大。开关管的损耗限制了开关频率与效率的提升。
公开内容
(一)要解决的技术问题
基于上述问题，本公开提供了一种隔离式单级AC/DC变换器，以缓解现有技术中单级AC/DC变换器输入侧的因开关管数量多而成本较高，以及无法实现高频化与高效率等技术问题。
(二)技术方案
本公开提供一种隔离式单级AC/DC变换器，包括：
输入端，用于输入交流电压；
变压器，与所述输入端相连，包括原边绕组及副边绕组，用于实现所述变换器的电气隔离；
主开关管，位于原边绕组侧，用于控制原边电流的双向流通，包括第一主开关、以及第二主开关；
整流管，位于副边绕组侧，用于控制副边电流的双向流通；
输出滤波电路，与所述整流管相连，用于平滑输出电压；以及
输出端，与所述输出滤波电路相连，用于输出直流电压。
本公开提供另一种隔离式单级AC/DC变换器，包括：
输入端，用于输入交流电压；
变压器，与所述输入端相连，包括原边绕组及副边绕组，用于实现所述变换器的电气隔离；
主开关管，位于原边绕组侧，用于控制原边电流的双向流通，包括第一主开关、以及第二主开关；
整流管，位于副边绕组侧，用于控制副边电流的双向流通；
输出滤波电路，与所述整流管相连，用于平滑输出电压；
输出端，与所述输出滤波电路相连，用于输出直流电压；以及
有源钳位电路，包括辅助开关管以及有源钳位电容，用于实现主开关管的零电压开通以及吸收变压器的漏感能量。
在本公开实施例中，所述变压器包括多个原边绕组和对应的多个副边绕组，且均绕在同一磁芯上。
在本公开实施例中，当输入电压为正时，第一主开关处于常通状态，第二主开关作为主开关管正常通断。
在本公开实施例中，当输入电压为负时，第二主开关处于常通状态，第一主开关作为主开关管正常通断。
在本公开实施例中，所述整流管包括：第一开关管；第二开关管；以及第三开关管。
在本公开实施例中，所述整流管包括：第一开关管；第二开关管；以及第三开关管；当输入电压为正时，第二开关管作为同步整流管，第三开关管用于阻断流过第一开关管的电流通路。
在本公开实施例中，所述整流管包括：第一开关管；第二开关管；以及第三开关管；当输入电压为负时，第一开关管作为同步整流管，第三开关管用于阻断流过第二开关管的电流通路。
在本公开实施例中，通过控制辅助开关管的开通和关断，控制有源钳位电容的充放电，实现主开关管的零电压开通。
在本公开实施例中，所述有源钳位电路可连接于输入端的任一端。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开隔离式单级AC/DC变换器至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：
(1)成本低；
(2)可以实现高频化、高效率、高功率密度。
附图说明
图1为本公开实施例隔离式单级AC/DC变换器的组成结构示意图。
图2为本公开实施例不包含有源钳位电路的隔离式单级AC/DC变换器的结构示意图。
图3为本公开实施例包含有源钳位电路的隔离式单级AC/DC变换器的结构示意图。
【附图中本公开实施例主要元件符号说明】
Vin-输入电压；Vo-输出电压；
Lp1-第一原边绕组；Lp2-第二原边绕组；
Ls1-第一副边绕组；Ls2-第二副边绕组；
SM1-第一主开关管；SM2-第二主开关管；
SR1-第一开关管；SR2-第二开关管；SR3-第三开关管；
Ca-有源钳位电容；Sa-辅助开关管；
CO-输出滤波电容；RO-变换器负载。
具体实施方式
本公开提供了一种隔离式单级AC/DC变换器，在不要求实现主开关管的零电压开通的情况下，原边仅需要两个开关管；在需要实现主开关管的零电压开通的情况下，仅在原边添加了一个辅助开关管，即可实现两个主开关管的零电压开通，因而，本发明能够有效的降低变换器成本；其通过引入有源钳位电路，实现了主开关管的零电压开通，从而降低了主开关管的损耗，因此，本发明可以实现高频化、高效率依旧高功率密度。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
在本公开实施例中，提供一种隔离式单级AC/DC变换器，结合图1至图3所示，所述的隔离式单级AC/DC变换器，包括：
输入端，用于输入交流电压；
变压器，与所述输入端相连，包括原边绕组及副边绕组，用于实现所述变换器的电气隔离；
主开关管，位于原边绕组侧，用于控制原边电流的双向流通；
整流管，位于副边绕组侧，用于控制副边电流的双向流通；
输出滤波电路，与所述整流管相连，用于平滑输出电压；
输出端，与所述输出滤波电路相连，用于输出直流电压。
所述隔离式单级AC/DC变换器，还包括：
有源钳位电路，包括辅助开关管以及有源钳位电容，用于实现主开关管的零电压开通以及吸收变压器的漏感能量。
所述有源钳位电路可连接于输入端的任一端。
所述变压器包括多个原边绕组和对应的多个副边绕组，本公开实施例中，如图2所示为两个原边绕组以及两个副边绕组，所述四个绕组均绕在同一个磁芯上。
变压器包含四个绕组，原边绕组Lp1，Lp2，副边绕组Ls1，Ls2，变压器的四个绕组均绕在同一个磁芯上。在隔离式单级AC/DC变换器中，由变压器实现电气隔离。
所述主开关管包括：第一主开关管SM1，第二主开关管SM2两个开关管构成，用于控制变换器原边电流的双向流通。当输入电压为“+”时，SM1处于常通状态，SM2作为主开关管正常通断；当输入电压为“-”时，SM2处于常通状态，SM1作为主开关管正常通断。
所述整流管包括三个开关管(第一开关管SR1；第二开关管SR2；第三开关管SR3；)，用于控制变换器副边电流的双向流通。当输入电压为“+”时，SR2为同步整流管，SR3用于阻断流过SR1的电流通路；当输入电压为“-”时，SR1为同步整流管，SR3用于阻断流过SR2的电流通路。
所述输出滤波电路包括：输出滤波电容以及变换器负载。
所述有源钳位电路，包括辅助开关管Sa以及有源钳位电容Ca。通过控制辅助开关管Sa的开通和关断，控制有源钳位电容Ca的充放电，实现主开关管的零电压开通。
至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开隔离式单级AC/DC变换器有了清楚的认识。
综上所述，本公开提供了一种隔离式单级AC/DC变换器，通过引入有源钳位电路，实现了主开关管的零电压开通，从而降低了主开关管的损耗，因此，本发明可以实现高频化、高效率依旧高功率密度。
还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。
并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。
再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。
此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。并且，在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。
类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种隔离式单级AC/DC变换器，包括：
输入端，用于输入交流电压；
变压器，与所述输入端相连，包括原边绕组及副边绕组，用于实现所述变换器的电气隔离；
主开关管，位于原边绕组侧，用于控制原边电流的双向流通，包括第一主开关、以及第二主开关；
整流管，位于副边绕组侧，用于控制副边电流的双向流通；
输出滤波电路，与所述整流管相连，用于平滑输出电压；以及
输出端，与所述输出滤波电路相连，用于输出直流电压。
2.一种隔离式单级AC/DC变换器，包括：
输入端，用于输入交流电压；
变压器，与所述输入端相连，包括原边绕组及副边绕组，用于实现所述变换器的电气隔离；
主开关管，位于原边绕组侧，用于控制原边电流的双向流通，包括第一主开关、以及第二主开关；
整流管，位于副边绕组侧，用于控制副边电流的双向流通；
输出滤波电路，与所述整流管相连，用于平滑输出电压；
输出端，与所述输出滤波电路相连，用于输出直流电压；以及
有源钳位电路，包括辅助开关管以及有源钳位电容，用于实现主开关管的零电压开通以及吸收变压器的漏感能量。
3.根据权利要求1或2任一项所述的隔离式单级AC/DC变换器，所述变压器包括多个原边绕组和对应的多个副边绕组，且均绕在同一磁芯上。
4.根据权利要求1或2任一项所述的隔离式单级AC/DC变换器，当输入电压为正时，第一主开关处于常通状态，第二主开关作为主开关管正常通断。
5.根据权利要求1或2任一项所述的隔离式单级AC/DC变换器，当输入电压为负时，第二主开关处于常通状态，第一主开关作为主开关管正常通断。
6.根据权利要求1或2任一项所述的隔离式单级AC/DC变换器，所述整流管包括：第一开关管；第二开关管；以及第三开关管。
7.根据权利要求1或2任一项所述的隔离式单级AC/DC变换器，所述整流管包括：第一开关管；第二开关管；以及第三开关管；当输入电压为正时，第二开关管作为同步整流管，第三开关管用于阻断流过第一开关管的电流通路。
8.根据权利要求1或2任一项所述的隔离式单级AC/DC变换器，所述整流管包括：第一开关管；第二开关管；以及第三开关管；当输入电压为负时，第一开关管作为同步整流管，第三开关管用于阻断流过第二开关管的电流通路。
9.根据权利要求2所述的隔离式单级AC/DC变换器，通过控制辅助开关管的开通和关断，控制有源钳位电容的充放电，实现主开关管的零电压开通。
10.根据权利要求2所述的隔离式单级AC/DC变换器，所述有源钳位电路可连接于输入端的任一端。
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