CN202750023U - 一种无ac/dc整流桥电流型单级隔离高频开关电源 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种无AC/DC整流桥电流型单级隔离高频开关电源，它包括输入交流串联网络、负荷耦合电路、输出整流滤波电路、高频开关网络电路、脉宽调制控制器、采样监控滤波电路和电压钳位电路。脉宽调制控制器用于根据监控电路送来的信号驱动高频开关网络电路和电压钳位电路中的相应开关。采样监控滤波电路，用于监控输入交流串联网络的正负半周信号和高频开关网络零电压转换条件信号。

Description

一种无AC/DC整流桥电流型单级隔离高频开关电源

技术领域

本实用新型涉及一种高频开关电源，更具体的说，它涉及一种无AC/DC整流桥电流型单级隔离高频开关电源。 

背景技术

目前，无桥整流技术大体都是围绕着把工频交流变为直流的技术路线来展开的，所以，这些方案中，都会有由整流二极管构成的AC/DC整流电路。现有无桥AC/DC整流技术与传统的两级和单级功率转换电路相结合而形成两类开关电源转换装置，无桥两级高频开关电源和无桥单级高频开关电源。这两种装置最大的问题就是需要缓冲高压储能电容，在电源负荷变化较大时，电容上会形成很高的电压应力，从而降低装置的可靠性。这种装置不可避免地需要整流二极管和高频开关管，电路元器件多，控制复杂，系统瞬态反应慢，效率偏低。美国专利技术US6038142，提出一种有桥有源功率因数校正技术和一种单级全桥隔离的具有有源钳位功能的Boost型转换装置。该技术在有AC/DC（Vin）整流桥的条件下，较好的解决了单级隔离电流型功率因数校正电路电压应力问题和有源钳位零电压转换，变压器励磁电流路径，安全隔离及输出整流滤波问题。但这种电路最大缺陷还是需要低效的AC/DC整流电路。 

发明内容

本实用新型的目的是克服现有技术中的不足，提供一种不需要把工频交流转变成直流，而是直接把工频交流电变成高频交流电，把功率因数校正和DC/DC转换整流部分合并为一个整流输出，真正做到无整流桥和无功率因数校正整流二极管和高频开关管，无缓冲储能高压电容的无AC/DC整流桥电流型单级隔离高频开关电源。 

本实用新型的技术方案如下： 

包括输入交流串联网络、负荷耦合电路、输出整流滤波电路、电压钳位电路、高频开关网络电路和控制该高频开关网络电路的控制电路；

高频开关网络电路，包括至少两组双向开关晶体管，该至少两组双向开关晶体管以电桥方式连接；

控制电路包括采样监控电路和脉宽调制控制器；

采样监控电路的输入端与输入交流输入火线、中性线相连，采样监控电路的另一个输入端与所述的高频网络开关电路中两个桥臂连接点相连；

采样监控电路的输入端监控输入交流串联网络的正负半周信号，另一个输入端输入高频开关网络零电压转换条件信号；

脉宽调制控制器的输入端与采样监控电路的输出端相连，脉宽调制控制器的输出端与高频开关网络电路中的所有双向开关晶体管的控制输入端相连，脉宽调制控制器的另一个输出端与输出整流滤波电路相连；

脉宽调制控制器的输入端输入所述的采样监控电路传来的零电压转换控制信号，脉宽调制控制器的一个输出端根据输入端输入的信号输出控制信号驱动高频开关网络的各双向开关晶体管的导通和关闭；所述的脉宽调制控制器的另一个输出端输出同步整流控制信号，为所述的负荷电路提供直流输出电压和电流；

其中，输入交流串联网络的一个输出端与电压钳位电路的输入端相连，输入交流串联网络的另一个输出端与boost型输入电抗器的输入端相连； boost型输入电抗器输出端与电压钳位电路的另一个输入端相连；电压钳位电路的输出端分别于高频网络开关电路中两个桥臂连接点相连；负荷耦合电路的一个输入端与高频开关网络电路的超前桥臂的中点相连，负荷耦合电路的另一个输入端与高频开关网络电路的滞后桥臂的中点相连；负荷耦合电路的输出端与输出整流滤波电路的输入端相连。

所述的电压钳位电路用于为高频开关网络电路提供零电压转换的条件，以限制高频开关网络各双向开关晶体管在开关时的电压尖峰 

所述的电压钳位电路在交流正半周阶段，电压钳位电路中与交流电容器直接相连的双向开关晶体管总是导通状态，与boost型输入电抗器直接相连的双向开关晶体管与高频开关网络电路按脉宽调制方式联动；所述的电压钳位电路在交流负半周阶段，电压钳位电路中直接与boost型输入电抗器相连的双向开关晶体管总是导通状态，直接与交流电容器相连的双向开关晶体管与高频开关网络电路按脉宽调制方式联动。

所述的高频开关网络电路是由四组双向开关晶体管组成的推挽全桥或半桥电路。 

所述的高频开关网络电路是包括四组双向开关晶体管的全桥电路。 

所述的高频开关网络电路是包括两组双向开关晶体管的半桥电路。 

所述的负荷耦合电路包括电感器、电容器和高频变压器。 

所述的负荷耦合电路中电感器、电容器串联形成谐振回路，该谐振回路与高频变压器串联。 

所述的负荷耦合电路中电感器、电容器串联形成谐振回路，该谐振回路与高频变压器串联,另一电感器与变压器并联，形成所谓LLC谐振电路。 

所述的负荷耦合电路中电感器、电容器串并联形成谐振回路，首先，电感器与电容器串联，另一电容器与变压器并联。 

所述的输出整流滤波电路为LC滤波电路或电容C滤波电路。 

所述的输出整流滤波电路为半波整流电路。 

所述的输出整流滤波电路为全波整流电路。 

由于采用了以上技术方案，本实用新型的有益效果是，省略了传统的AC/DC整流模块，Boost三端网络的高频开关和高压直流输出整流二极管，boost三端网络输出高压缓冲储能电容器电路及其相关的控制电路。节约AC/DC整流模块整流二极管正向导通损耗及Boost三端网络高频开关的高频开关损耗，高压直流输出整流二极管正向导通损耗。同时简化电路，减少电路元件数量可提高其运行可靠性。 

附图说明

图1：本实用新型的第一个实施例的电路原理图。

图2：本实用新型的实施例的工作时序图。 

图3：本实用新型的第二个实施例的电路原理图。 

图4：本实用新型的第三个实施例的电路原理图。 

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方案对本实用新型作进一步详细描述： 

如图1所示，本实用新型所述的无AC/DC整流桥电流型单级隔离高频开关电源，输入交流串联网络电路包括交流电输入火线L，交流电输入中性线N，接地线GND和抗电磁干扰电路EMI。交流电输入火线L直接连接boost型输入电抗器Lf1的第一端。boost型输入电抗器Lf1的第二端与电压钳位电路和高频开关网络电路的点1相连。交流电输入中性线N直接连接电压钳位电路和高频开关网络电路的点2。

电压钳位电路，由双向开关晶体管S1，双向开关晶体管S2和交流电容器Cc2组成. 双向开关晶体管S1的第一端与boost型输入电抗器Lf1和开关网络电路的点1相连，双向开关晶体S1的第二端与双向开关晶体管S2的第二端相连，双向开关晶体管S2的第一端与交流电容器Cc2的第一端相连，交流电容器Cc2的第二端与交流输入中性线N和开关网络电路的点2相连。 

电压钳位电路在交流正半周阶段： 

双向开关晶体管S2总是导通状态，双向开关晶体管S1与开关网络电路按脉宽调制方式联动，如图2所示。

电压钳位电路在交流负半周阶段： 

双向开关晶体管S1总是导通状态，双向开关晶体管S2与高频开关网络电路70按脉宽调制方式联动，如图2所示。

   高频开关网络电路，由四组双向场效应晶体开关以电桥的方式实现。双向场效应晶体开关S3、双向场效应晶体开关S4、双向场效应晶体开关S5和双向场效应晶体开关S6组成超前桥臂；双向场效应晶体开关S7、双向场效应晶体开关S8、双向场效应晶体开关S9、双向场效应晶体开关S10组成滞后桥臂；高频开关网络电路的双向场效应晶体开关S3的漏极与双向场效应晶体开关S7的漏极相连并链接在boost型输入电抗器Lf1的第二端的点1。双向场效应晶体开关S6的漏极与双向场效应晶体开关S10的漏极相连并与电压钳位电路的点2相连接。双向场效应晶体开关S3的源极与双向场效应晶体开关S4的源极相连，双向场效应晶体开关S5源极与双向场效应晶体开关S6源极相连，双向场效应晶体开关S4的漏极和双向场效应晶体开关S5的漏极相连，并为超前桥臂的中点3。同理，双向场效应晶体开关S7源极与双向场效应晶体开关S8的源极相连，双向场效应晶体开关S8漏极和双向场效应晶体开关S9漏极相连，并为滞后桥臂的中点4，双向场效应晶体开关S9源极和双向场效应晶体开关S10的源极相连。超前桥臂中点3连接串联电感Lr的第一端，串联电感Lr的第二端与高频变压器链路T1p的第一端相连。高频变压器链路T1p的第二端与滞后桥臂中点4端相连。 

高频开关网络电路在交流正半周阶段： 

双向场效应晶体开关S4、双向场效应晶体开关S6、双向场效应晶体开关S8和双向场效应晶体开关S10总是处于导通状态，双向场效应晶体开关S3、双向场效应晶体开关S9、双向场效应晶体开关S7和双向场效应晶体开关S5按脉宽调制方式同时导通或关断，或者，双向场效应晶体开关S5、双向场效应晶体开关S7、双向场效应晶体开关S3和双向场效应晶体开关S9按脉宽调制方式同时导通或关断。在两对角开关状态转换之间，双向场效应晶体开关S3、双向场效应晶体开关S4、双向场效应晶体开关S5、双向场效应晶体开关S6、双向场效应晶体开关S7、双向场效应晶体开关S8、双向场效应晶体开关S9和双向场效应晶体开关S10都处于导通状态。

高频开关网络电路在交流负半周阶段： 

双向场效应晶体开关S3、双向场效应晶体开关S5、双向场效应晶体开关S7和双向场效应晶体开关S9总是处于导通状态，双向场效应晶体开关S4、双向场效应晶体开关S10、和双向场效应晶体开关S8和双向场效应晶体开关S6按脉宽调制方式同时导通或关断，或者，双向场效应晶体开关S8、双向场效应晶体开关S6、双向场效应晶体开关S4和双向场效应晶体开关S10按脉宽调制方式同时导通或关断。在两对角开关状态转换之间，双向场效应晶体开关S3、双向场效应晶体开关S4、双向场效应晶体开关S5、双向场效应晶体开关S6、双向场效应晶体开关S7、双向场效应晶体开关S8、双向场效应晶体开关S9和双向场效应晶体开关S10都处于导通状态。

负荷耦合电路由串联电感Lr和高频变压器T1串联连接，开关网络电路的超前桥臂中点3与串联电感Lr的第一端相连，串联电感Lr的第二端与高频变压器T1的原边绕组T1p的第一端连接，高频变压器T1的原边绕组T1p的第二端与开关网络电路的滞后桥臂中点4相连接。 

输出整流滤波电路，由输出整流管Q7，输出整流管Q8及滤波电容C2组成。高频变压器T1付边绕组与原边绕组T1p同极性相连，付边绕组中点抽头把付边绕组分为付边绕组T1s1和付边绕组T1s2，付边绕组T1s1同极性端与输出整流管Q7漏极相连接，输出整流管Q7的源极与地相连接；付边绕组T1s2非同极性端与与输出整流管Q8漏极相连接，输出整流管T1s2的源极与地相连接；变压器付边绕组中心点与输出滤波电容C2第一端相连接，输出滤波电容C2的第二端与地相连接。 

采样监控电路，用于监控电网的正负半周信号交流电输入火线L、交流电输入中性线N和高频开关网络电路零电压转换条件信号，从而控制电压钳位电路的双向开关电路，实现工频正负半周的电路切换。并为脉宽调制控制器提供零电压转换控制信号。 

输入电压U，当U>0；定义为正半周；当U=0；定义为正半周向负半周切换的条件； 

当U<0；定义为负半周；当U=0；定义为负半周向正半周切换的条件；

定义点1、点2之间的电压U12=0为全桥开关零电压切换条件；

脉宽调制控制器，连接到高频开关网络电路和电压钳位电路及整流滤波输出电路, 脉宽调制控制器根据采样监控电路送来的信号，驱动高频开关网络电路和电压钳位电路的相应开关，同时，也输出同步整流控制信号，为负荷提供直流输出电压和电流;

采样监控电路各开关的电压和当一个零电压条件出现时为脉宽调制控制器发送控制信号,这样脉宽调制控制器就能实现在零电压条件下驱动高频开关网络电路70的相应开关。

本实用新型的第二个实施例： 

如图3所示，本实施例所述的无AC/DC整流桥电流型单级隔离高频开关电源，输入交流串联网络电路50由交流电输入火线L，交流电输入中性线N，接地线GND和抗电磁干扰电路EMI组成。交流电输入火线L直接连接boost型输入电抗器Lf1的第一端。boost型输入电抗器Lf1的第二端与电压钳位电路和高频开关网络电路的点1相连。交流电输入中性线N直接连接电压钳位电路和高频开关网络电路的点2。

电压钳位电路，由两组双向开关晶体管Q1、Q4、Q2、Q3、和两组电容器Cc1、Cc2、组成.该电路的双向开关晶体管Q1的D端与boost型输入电抗器Lf1和高频开关开关网络电路的点1相连，双向开关晶体管Q1的S端与双向开关晶体管Q2的D端，电容器Cc1的正极相连，双向开关晶体管Q2的S端与双向开关晶体管Q3的S端、电容器Cc1负端、电容器Cc2的负端相连，双向开关晶体管Q3的D端与双向开关晶体管Cc2的正端、双向开关晶体管Q4的S端相连。双向开关晶体管Q4的D端与交流输入中性线N和开关网络电路的点2相连，并为谐振链路提供谐振电流转换的条件。 

该电路在交流正半周阶段： 

双向开关晶体管Q4、双向开关晶体管Q3总是处于导通状态，双向开关晶体管Q2总是处于断开状态，双向开关晶体管Q1与高频开关网络电路按脉宽调制方式联动；

该电路在交流负半周阶段：

双向开关晶体管Q1、双向开关晶体管Q2总是处于导通状态，双向开关晶体管Q3总是处于断开状态，双向开关晶体管Q4与与高频开关网络电路按脉宽调制方式联动；

   高频开关网络电路，由四组双向场效应晶体开关以电桥的方式实现。双向场效应晶体开关S3、双向场效应晶体开关S4、双向场效应晶体开关S5和双向场效应晶体开关S6组成超前桥臂；双向场效应晶体开关S7、双向场效应晶体开关S8、双向场效应晶体开关S9、双向场效应晶体开关S10组成滞后桥臂；高频开关网络电路的双向场效应晶体开关S3的漏极与双向场效应晶体开关S7的漏极相连并链接在boost型输入电抗器Lf1的第二端的点1。双向场效应晶体开关S6的漏极与双向场效应晶体开关S10的漏极相连并与电压钳位电路的点2相连接。双向场效应晶体开关S3的源极与双向场效应晶体开关S4的源极相连，双向场效应晶体开关S5源极与双向场效应晶体开关S6源极相连，双向场效应晶体开关S4的漏极和双向场效应晶体开关S5的漏极相连，并为超前桥臂的中点3。同理，双向场效应晶体开关S7源极与双向场效应晶体开关S8的源极相连，双向场效应晶体开关S8漏极和双向场效应晶体开关S9漏极相连，并为滞后桥臂的中点4，双向场效应晶体开关S9源极和双向场效应晶体开关S10的源极相连。超前桥臂中点3连接串联电感Lr的第一端，串联电感Lr的第二端与高频变压器链路T1p的第一端相连。高频变压器链路T1p的第二端与滞后桥臂中点4端相连。

高频开关网络电路在交流正半周阶段： 

双向场效应晶体开关S4、双向场效应晶体开关S6、双向场效应晶体开关S8和双向场效应晶体开关S10总是处于导通状态，双向场效应晶体开关S3、双向场效应晶体开关S9、双向场效应晶体开关S7和双向场效应晶体开关S5按脉宽调制方式同时导通或关断，或者，双向场效应晶体开关S5、双向场效应晶体开关S7、双向场效应晶体开关S3和双向场效应晶体开关S9按脉宽调制方式同时导通或关断。在两对角开关状态转换之间，双向场效应晶体开关S3、双向场效应晶体开关S4、双向场效应晶体开关S5、双向场效应晶体开关S6、双向场效应晶体开关S7、双向场效应晶体开关S8、双向场效应晶体开关S9和双向场效应晶体开关S10都处于导通状态。

高频开关网络电路在交流负半周阶段： 

双向场效应晶体开关S3、双向场效应晶体开关S5、双向场效应晶体开关S7和双向场效应晶体开关S9总是处于导通状态，双向场效应晶体开关S4、双向场效应晶体开关S10、和双向场效应晶体开关S8和双向场效应晶体开关S6按脉宽调制方式同时导通或关断，或者，双向场效应晶体开关S8、双向场效应晶体开关S6、双向场效应晶体开关S4和双向场效应晶体开关S10按脉宽调制方式同时导通或关断。在两对角开关状态转换之间，双向场效应晶体开关S3、双向场效应晶体开关S4、双向场效应晶体开关S5、双向场效应晶体开关S6、双向场效应晶体开关S7、双向场效应晶体开关S8、双向场效应晶体开关S9和双向场效应晶体开关S10都处于导通状态。

负荷耦合电路包括串联电感Lr、谐振电容Cr和高频变压器T1，该电路由电感器,电容器和高频变压器串联实现。高频开关网络电路的超前桥臂中点3与串联电感Lr的第一端相连，该电感的第二端与高频变压器3T1原边绕组T1p的第一端连接，该变压器原边绕组的第二端与谐振电容Cr的第一端相连，谐振电容Cr的第二端与高频开关网络电路70的滞后桥臂中点4相连接。该电路工作在LC谐振状态. 

输出整流滤波电路，包括输出整流桥电路D1、输出整流桥电路D2、输出整流桥电路D3、输出整流桥电路D4及滤波电容C2组成。变压器付边绕组与原边绕组同极性相连，付边绕组T1S1的第一端与输出整流桥电路超前桥臂中点5相连，付边绕组T1S1的第二端与输出整流桥电路滞后桥臂中点6相连。输出整流桥电路D1、输出整流桥电路D2串联构成超前桥臂，输出整流桥电路D、输出整流桥电路D4串联构成滞后桥臂。两桥臂的阴极相连，并与输出滤波电容C2正极相连接，两桥臂的正极相连，并与输出滤波电容C2的第二端（负极）和地相连接。

采样监控电路，用于监控电网的正负半周信号交流电输入火线L、交流电输入中性线N和高频开关网络电路零电压转换条件信号，从而控制电压钳位电路的双向开关电路，实现工频正负半周的电路切换。并为脉宽调制控制器提供零电压转换控制信号。 

输入电压U，当U>0；定义为正半周；当U=0；定义为正半周向负半周切换的条件； 

当U<0；定义为负半周；当U=0；定义为负半周向正半周切换的条件；

定义点1、点2之间的电压U12=0为全桥开关零电压切换条件；

脉宽调制控制器，连接到高频开关网络电路和电压钳位电路及整流滤波输出电路, 脉宽调制控制器根据采样监控电路送来的信号，驱动高频开关网络电路和电压钳位电路的相应开关，同时，也输出同步整流控制信号，为负荷提供直流输出电压和电流;

采样监控电路各开关的电压和当一个零电压条件出现时为脉宽调制控制器发送控制信号,这样脉宽调制控制器就能实现在零电压条件下驱动高频开关网络电路70的相应开关。

本实用新型的第三个实施例： 

如图4所示，本实施例与上述实施例二相比较，在负荷耦合电路部分做出变更，其余部分与实施例二保持一致。

负荷耦合电路，包括负荷耦合电路包括串联电感Lr、串联电感Lm、谐振电容Cr、和高频变压器T1，该电路由串联电感Lr, 谐振电容Cr和高频变压器T1串联，串联电感lm与高频变压器T1并联实现。 

综上所述的本实用新型具体实施例仅为本实用新型优选的实施方式，并非用于限定本实用新型保护范围的限制。因此，任何在本实用新型的技术特征之内所作的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。 

Claims (9)

1.一种无AC/DC整流桥电流型单级隔离高频开关电源，包括输入交流串联网络、负荷耦合电路、输出整流滤波电路、电压钳位电路，其特征在于，它还包括高频开关网络电路和控制该高频开关网络电路的控制电路；

所述的高频开关网络电路，包括至少两组双向开关晶体管，该至少两组双向开关晶体管以电桥方式连接；

所述的控制电路包括采样监控电路和脉宽调制控制器；

所述的采样监控电路的输入端与输入交流输入火线、中性线相连，采样监控电路的另一个输入端与所述的高频网络开关电路中两个桥臂连接点相连；

所述的采样监控电路的输入端监控输入交流串联网络的正负半周信号，另一个输入端输入高频开关网络零电压转换条件信号；

所述的脉宽调制控制器的输入端与采样监控电路的输出端相连，脉宽调制控制器的输出端与高频开关网络电路中的所有双向开关晶体管的控制输入端相连，脉宽调制控制器的另一个输出端与输出整流滤波电路相连；

所述的脉宽调制控制器的输入端输入所述的采样监控电路传来的零电压转换控制信号，脉宽调制控制器的一个输出端根据输入端输入的信号输出控制信号驱动高频开关网络的各双向开关晶体管的导通和关闭；所述的脉宽调制控制器的另一个输出端输出同步整流控制信号，为所述的符合耦合电路提供直流输出电压和电流；

其中，所述的输入交流串联网络的一个输出端与所述的电压钳位电路的输入端相连，输入交流串联网络的另一个输出端与boost型输入电抗器的输入端相连；所述的boost型输入电抗器输出端与电压钳位电路的另一个输入端相连；所述的电压钳位电路的输出端分别于所述的高频网络开关电路中两个桥臂连接点相连；所述的负荷耦合电路的一个输入端与电压钳位电路的超前桥臂的中点相连，负荷耦合电路的另一个输入端与电压钳位电路的滞后桥臂的中点相连；所述的负荷耦合电路的输出端与输出整流滤波电路的输入端相连。

2.根据权利要求1所述的无AC/DC整流桥电流型单级隔离高频开关电源，其特征在于，所述的电压钳位电路在交流正半周阶段，电压钳位电路中与交流电容器直接相连的双向开关晶体管总是导通状态，与boost型输入电抗器直接相连的双向开关晶体管与高频开关网络电路按脉宽调制方式联动；所述的电压钳位电路在交流负半周阶段，电压钳位电路中直接与boost型输入电抗器相连的双向开关晶体管总是导通状态，直接与交流电容器相连的双向开关晶体管与高频开关网络电路按脉宽调制方式联动。

3.根据权利要求1所述的无AC/DC整流桥电流型单级隔离高频开关电源，其特征在于，所述的高频开关网络电路是包括四组双向开关晶体管的全桥电路。

4.根据权利要求1所述的无AC/DC整流桥电流型单级隔离高频开关电源，其特征在于，所述的高频开关网络电路是包括两组双向开关晶体管的半桥电路。

5.根据权利要求1所述的无AC/DC整流桥电流型单级隔离高频开关电源，其特征在于，所述的负荷耦合电路中电感器、电容器串联形成谐振回路，该谐振回路与高频变压器串联。

6.根据权利要求1所述的高频开关电源，其特征在于，所述的负荷耦合电路中电感器、电容器串联形成谐振回路，该谐振回路与高频变压器串联,另一电感器与变压器并联，形成所谓LLC谐振电路。

7.根据权利要求1所述的无AC/DC整流桥电流型单级隔离高频开关电源，其特征在于，所述的输出整流滤波电路为LC或C滤波电路。

8.根据权利要求1所述的无AC/DC整流桥电流型单级隔离高频开关电源，其特征在于，所述的输出整流滤波电路为半波整流电路。

9.根据权利要求1所述的无AC/DC整流桥电流型单级隔离高频开关电源，其特征在于，所述的输出整流滤波电路为全波整流电路。

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