CN201146458Y - 低噪声的无桥单极隔离变换器 - Google Patents

Abstract

本实用新型是一种低噪声的无桥单极隔离变换器，这种隔离变换器包括：储能电感(L1a、L1b)、续流二极管(D1、D2)、用于降低噪声的电容(C1、C2)、功率开关(M1、M2)、谐振电容(C6)、储能电容(C5)、隔离变压器(T1)、及输出的整流滤波器件。其特点是：电容C1和续流二极管D1并联，电容C2和续流二极管D2并联，C1、C2降低了D1、D2的电压变化率，从而降低噪声；隔离变换器工作在谐振状态下，恰好弥补了无桥PFC的不足，即谐振电流降低了M1、M2的电压变化率和电流变化率，降低了M1、M2的开关噪声，从而使整体电路做到低噪声。上述两个特点均从根源上降低了EMI，使本实用新型实用化。

Description

低噪声的无桥单级隔离变换器

技术领域

本发明涉及一种用于降低无桥单级隔离变换器EMI(电磁干扰)噪声的方法。无桥单级变换器的意义是：无输入整流桥，完成现有技术的整流功能，同时完成PFC(功率因数校正)和隔离变换电压的功能。

背景技术

近年来，出现了结构较简单、成本低、功率密度高的无桥单极功率因数校正(PFC)隔离变换器，它可同时实现对输入电流波形的校正和对输出电压的调整。这种变换器中无桥PFC电路具有简单的电路结构以及较高的效率，但是电路却有严重的EMI噪声。目前这一噪声问题还无法解决，使无桥单极PFC隔离变换器只是停留在研究阶段，还无法工业化。再加上隔离变换器产生的EMI噪声，使整个方案无法实用。

更传统的带有功率因数校正的隔离变换器多是两级方案，一般使用两个控制器，一个用来控制储能电容上的电压和输入电流，使之成正弦波，另一个用来控制隔离变换器的输出电压，使之保持恒定。这种变换器具有很高的功率因数和很好的输出特性，但结构复杂，成本高，并且，功率经过两次处理，功率密度低。

现有技术1为中国专利200510134317.5公开的一种降低无桥PFC的EMI噪声的方法，参见图1。这种方法以高频旁路的方式工作，能够减少一部分进入AC电源的干扰。但并未从根源上面处理EMI问题，即没有处理快速的电压及电流变化。

现有技术2是一种简洁的变换方式，参见图2。但是电路没有应对快速的电压和电流变化的策略，使电路具有较大的EMI噪声，还未达到实用水平。

发明内容

本发明的目的是，降低无桥单极隔离变换器的EMI噪声，同时实现PFC功能。解决EMI噪声问题最根本的方法是降低电压变化和电流变化的速度。用于本发明的EMI降噪电路使用了额外的谐振电容，同时利用隔离变换器的谐振状态，去降低无桥PFC的干扰，使整体电路做到低EMI噪声。同时减少了开关的损耗，简化了设计，降低成本。

为了实现上述目的，本发明包括：储能电感(L1a、L1b)、续流二极管(D1、D2)、用于降低噪声的电容(C1、C2)、储能电容(C5)、功率开关(M1、M2)构成无桥PFC(功率因数校正)。

其特点是：电容C1和续流二极管D1并联，电容C2和续流二极管D2并联，C1、C2降低了D1、D2的电压变化率，从而降低EMI噪声。

复用的功率开关(M1、M2)，谐振电容(C6)、隔离变压器(T1)、及输出的整流滤波器件，构成隔离谐振变换器。

其特点是：令隔离变换器工作在谐振状态下，工作电流近似正弦波，此正弦电流使M1、M2零电压开通，降低了M1、M2的电压变化率和电流变化率，从而降低EMI噪声。

上述两个特点均从根本上解决EMI噪声问题，使本发明实用化。

附图说明

图1：现有技术1

图2：现有技术2

图3：本发明第一实施例电路图

图4：工作状态1

图5：工作状态2

图6：工作状态3

图7：工作状态4

图8：无C1、C2，非谐振隔离变换器  多点波形

图9：C1、C2为1n时，谐振的隔离变换器  多点波形

图10：C1、C2为20n时，谐振的隔离变换器  多点波形

图11：本发明第二实施例电路图

具体实施方式

图3本发明第一实施例，左虚线框为无桥PFC部分，右虚线框为隔离谐振变换器部分。2点和d点为电压波形V(D2：2)和V(M2：d)的测试点。L1a、L1b可以是同一电感器的两个绕组，也可以是两个独立的电感器。T1a、T1b是同一变压器的两个绕组。D7、D8可以是外接的二极管，也可以是M1、M2的体二极管。M1、M2可以是Mos(场效应管)，也可以是其它类型的功率器件，例如三极管等。C0提供各个工作过程的高频通路。AC为输入交流电源。

无桥PFC部分的连接方法为：L1a、L1b的一端连接输入的交流电AC。电容C1与二极管D1并联，电容C2与二极管D2并联，二极管D1、D2串联，中点连接电感L1a的另一端。开关管M1、M2串联，中点连接电感L1b的另一端。D1的阴极与M1的漏极相连，再连接C5的正极；D2的阳极与M2的源极相连，再连接C5的负极。

隔离谐振变换器的连接方法为：谐振电容C6与谐振电感Lr串联，再与变压器T1串联，最后联接到C5的两端。变压器T1的副边绕组T1b联接整流二极管，经过滤波电容后联接负载。如果负载不需整流或滤波，也可省略此过程。

图3至图6指出了关键的工作过程，下面是具体分析：

AC正半周时：

工作状态1，图4：此状态中M1导通，M2关断，AC通过电感L1a，L1b中的电流上升，完成电感储能。M1导通时，电容C5通过L1a，L1b向C2充电；同时C1通过D2对C5放电。充电和放电的周期为2∏ $\sqrt{(L1a+L1b)\×(C1+C2)}.$ 因为C1同D1并联，C2同D2并联，即D1、D2的电压按C1、C2的放电和充电的周期变化。因(C1+C2)的存在，使得D1、D2的电压变化率大大降低，由其引起的EMI噪声被大大降低。

工作状态2，图5：此状态中M1、M2均关断。电感L1a，L1b的储能通过D1、D7向C5释放。

工作状态3，图6：此状态中M1关断，M2导通，电感L1a，L1b的储能通过D1、M2向C5释放。电容C5在M2导通时，通过L1a，L1b向C1充电；同时C2通过D1对C5放电。充电和放电的周期为2∏ $\sqrt{(L1a+L1b)\×(C1+C2)}.$ 因为C1同D1并联，C2同D2并联，即D1、D2的电压按C1、C2的放电和充电的周期变化。结果是D1、D2的电压变化率降低。由其引起的EMI噪声被大大降低。

工作状态4，图7：此状态中M1、M2均关断。如果电感L1a，L1b的储能没有完全释放，则继续通过D1、D7向C5释放。

可以看出，在工作状态1到工作状态4中，C1、C2存储的电能是在电路中循环，理论上没有损耗。

AC负半周时，工作过程与此类似。

独立的谐振变换器的原理在许多文章里面均有论述。这里我们引用其结论：电路的工作电流接近正弦波，M1、M2工作在零电压导通模式。这样的特点利用于PFC时，恰好解决了现有无桥PFC的技术难点，即降低了M1、M2引起的EMI噪声。降低EMI噪声的原理为：

专业人员均了解，高的电压变化率和高的电流变化率会产生强EMI噪声，低的电压变化率和低的电流变化率产生弱EMI噪声。

谐振变换器的电流接近正弦形状，参见图9I(T1a)和图10的I(T1a)，不仅本身的干扰小，而且在M1，M2的驱动信号到来之前，此电流已经流过M1或M2，使之工作于零电压导通模式，降低了M1、M2在导通时的电压变化率和电流变化率，降低了M1、M2引起的EMI噪声。即谐振变换器可以降低无桥PFC的EMI噪声。作为比较，图8I(T1a)给出非谐振状态的T1a电流。此时的电流无法使M1、M2工作在零电压导通状态。图9I(T1a)和图10的I(T1a)是谐振状态的电流波形，近似正弦波，其负电流可使M1、M2工作在零电压导通状态，从而降低EMI噪声。如果需要进一步降低M1、M2的干扰，可以在M1、M2的漏极和源级各并联电容器C3、C4，此电容器可改变M1、M2的电压变化率和电流变化率，进一步降低EMI噪声。参见图11，本发明第二实施例。

另一方面，由于C1、C2的加入，使D1、D2的上升沿、下降沿按照(L1a+L1b)与(C1+C2)的谐振频率转化，谐振周期为：2∏ $\sqrt{(L1a+L1b)\×(C1+C2)}.$ 并且(L1a+L1b)与(C1+C2)之间进行的是无损失的能量交换，所以C1、C2的取值范围宽松。首先参看图8的V(D2：2)，这是电路中没有C1、C2的电压波形。可以看出：电路中没有C1、C2时，D1、D2的电压变化率很高。当加入了较小的电容C1、C2时：二极管D1、D2在导通和关断时刻的电压变化率变低了，参见图9V(D2：2)；当加入了较大的C1、C2时：使D1、D2的电压变化降低到了AC的频率，参见图10V(D2：2)。图9V(D2：2)和图10V(D2：2)两种情况均可降低EMI噪声，后者效果更好。由此可见，C1、C2与D1、D2并联从根源上解决二极管引起的EMI噪声问题。

图8是无C1、C2且非谐振的隔离变换器的多点波形，简述如下：

V(D2：2)是下侧续流二极管的电压波形，其上升沿、下降沿陡峭，并有较多毛刺；

I(T1a)是变压器原边电流，呈现三角波形状，有较大毛刺，电流峰值较高；

Id(M1)是上侧开关管的电流波形，开通瞬间的毛刺很明显；

Id(M2)是下侧开关管的电流波形，开通瞬间的毛刺很明显，并且峰值电流较大；

Vd(M2：d)是下侧开关管的电压波形，为比较整齐的矩形波；

I(V1)是AC的输入电流，呈现三角波形状。

可以看出上述多处存在快速的电压转换，会引起较大的EMI噪声。

图9是C1、C2为1n时，谐振的隔离变换器多点波形，简述如下：

V(D2：2)是下侧续流二极管的电压波形，其上升沿、下降沿按照2∏ $\sqrt{(L1a+L1b)\×(C1+C2)}$ 的时间转化，变为缓慢的形态。波形干净，无毛刺，减少了发生高速电压变化的次数，这将减小EMI噪声；

I(T1a)是变压器原边电流，呈现近似正弦波的形状，无毛刺，电流峰值适中；

Id(M1)是上侧开关管的电流波形，电流变化有缓慢的趋势；

Id(M2)是下侧开关管的电流波形，电流变化有缓慢的趋势；

Vd(M2：d)是下侧开关管的电压波形，为比较整齐的矩形波；

I(V1)是AC的输入电流，为圆顶三角波形状。

图10是C1、C2为20n时，谐振的隔离变换器多点波形，简述如下：

V(D2：2)是下侧续流二极管的电压波形，由于C1、C2足够大，谐振的周期2∏ $\sqrt{(L1a+L1b)\×(C1+C2)}$ 变得更长，使D1、D2的电压跟随了输入交流点的变化，EMI噪声将更低；

I(T1a)是变压器原边电流，呈现近似正弦波的形状，无毛刺，电流峰值适中；

Id(M1)是上侧开关管的电流波形，电流的变化率有减小的趋势。有一点负电流，这样可保证M1的零电压开通，降低电压变化率，降低了EMI噪声；

Id(M2)是下侧开关管的电流波形，电流的变化率有减小的趋势。有一点负电流，这样可保证M2的零电压开通，降低电压变化率，降低了EMI噪声；

Vd(M2：d)是下侧开关管的电压波形，为比较整齐的矩形波；

I(V1)是AC的输入电流，为三角波形状。

可以看出，图9和图10中，毛刺明显减少，电压的快速变化减少，由其引起的EMI噪声必然减小。

图11是本发明的第二实施例，左虚线框为无桥PFC部分，右虚线框为隔离谐振变换器部分。T1a、T1b、T1c是同一变压器的不同绕组。D7、D8可以是外接的二极管，也可以是M1、M2的体二极管。M1、M2可以是Mos(场效应管)，也可以是其它类型的功率器件，例如三极管等。并联与M1、M2的C3、C4可进一步降低EMI噪声。

通过以上分析可得出结论：C1、C2降低了D1、D2的电压变化率，谐振变换器降低了M1、M2的电压变化率和电流变化率，从而使整个电路做到低EMI噪声。本发明具有电路简洁，成本低，EMI噪声小，效率高等优势，具有广阔的应用前景。

以上仅是对某个特定实施例具体介绍，并非对本发明做任何形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员，均可利用上述方法及内容做出多种更改、变换，仍属本发明技术方案的范围内。

Claims (2)

1.一种低噪声无桥单级隔离变换器，其特征是：储能电感L1a、L1b、续流二极管D1、D2、用于降低噪声的电容C1、C2、储能电容C5、功率开关M1、M2构成无桥PFC功率因数校正，复用的功率开关M1、M2、谐振电容C6、隔离变压器T1、及输出的整流滤波器件构成隔离谐振变换器。

2.根据权利要求1所述的低噪声无桥单级隔离变换器，其特征是降低噪声的电容C1和续流二极管D1并联，降低噪声的电容C2和续流二极管D2并联，C1、C2降低了D1、D2的电压变化率，从而降低EMI噪声。

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