CN213243835U

CN213243835U - 一种半桥双向隔离式ac-dc变换器

Info

Publication number: CN213243835U
Application number: CN202022495079.3U
Authority: CN
Inventors: 王红艳; 张文倩; 陈景文; 田毅韬
Original assignee: Shaanxi University of Science and Technology
Current assignee: Shaanxi University of Science and Technology
Priority date: 2020-11-02
Filing date: 2020-11-02
Publication date: 2021-05-18
Anticipated expiration: 2030-11-02

Abstract

本实用新型公开了一种半桥双向隔离式AC‑DC变换器，属于开关电源领域。包括输入侧、交流侧半桥、高频变压器、直流侧半桥和输出侧。通过在交流侧半桥电连接第一滤波电感，可以对输入电流进行滤波，从而得到低纹波电流波形。高频变压器包括变压器和电感，将交流侧半桥从线电压中产生的高频脉冲电压传输到直流侧，直流侧半桥上的电容用于过滤高频高脉冲电流。由于单相交流电源的功率含有双基频分量，因此在单相交流电源中加入第二滤波电感和第三滤波电容来降低输出功率和电压的二阶纹波，克服了现有AC‑DC转换器的转换效率低，复杂程度高等问题。

Description

一种半桥双向隔离式AC-DC变换器

技术领域

本实用新型属于开关电源领域，涉及一种半桥双向隔离式AC-DC变换器。

背景技术

AC-DC变换器已经广泛应用于各种开关场合，例如配电系统、电池充电系统及储能系统，通常情况下，考虑到安全问题或想要以最高电压比进行转换，提高转换效率，需要配备隔离变压器。传统的AC-DC变换器包括具有功率因数校正功能的整流级和隔离的DC-DC级，其中，功率因数校正整流级控制直流环节电压，同时调节交流电流，使其具有较低的谐波畸变率，并与交流电压同步。但由于其采用两级结构，导致AC/DC变换器效率低、复杂度高、升压电感大、直流环节电解电容器体积大。

目前，使用单级AC/DC拓扑，电路简单，由于在交流频率下工作，因此开关损耗低于两级AC/DC变换器中的功率因数校正整流器，但其转换效率低。还有学者使用矩阵转换器，将线路整流器通过使用双向开关集成到双有源桥式转换器中，矩阵式AC/DC变换器的主要优点是交流侧的功率损耗在开关之间平均分配，但其工作过程复杂。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服上述现有技术中，转换器的转换效率低、复杂程度高的缺点，提供一种半桥双向隔离式AC-DC变换器。

为了达到上述目的，本实用新型采用以下技术方案予以实现：

一种半桥双向隔离式AC-DC变换器，包括双向AC-DC转换电路，包括输入侧、交流侧半桥、高频变压器和直流侧半桥和输出侧；

输入侧包括输入电压源和对输入电流进行滤波的第一滤波电感，交流侧半桥包括第一开关管和第一滤波电容；高频变压器包括变压器和电感，直流侧半桥包括第二开关管和第二滤波电容；输出侧包括第二滤波电感和对输出电流进行滤波的第三滤波电容；

交流侧半桥一端与输入侧串联，另一端与高频变压器的一次侧串联，高频变压器的二次侧与直流侧半桥的一端电连接，直流侧半桥的另一端与输出侧电连接。

优选地，所述第一滤波电感一侧与输入电压源串联，另一侧与第一滤波电容串联。

优选地，所述第一开关管设有4个，分别为开关管I、开关管II、开关管III和开关管IV，第一滤波电容设有2个，分别为滤波电容I和滤波电容II；

开关管I的漏极连接滤波电容I，源极连接开关管II的漏极，开关管II的源极连接开关管III的漏极，并串联接入高频变压器一次侧正极；开关管III的源极连接开关管IV的漏极，开关管IV的源极连接滤波电容II，滤波电容II的另一端电连接滤波电容I，并接入高频变压器一次侧负极。

优选地，所述电感设有两个，分别为相互串联的磁化电感和漏感；磁化电感和漏感分别与变压器的一次侧正极和一次侧负极电连接。

优选地，所述第二开关管设有两个，分别为开关管V和开关管VI；所述第二滤波电容设有两个，分别为滤波电容III和滤波电容IV；

开关管V的漏极电连接滤波电容III，开关管V的源极连接高频变压器的二次侧正极和开关管VI漏极，滤波电容III的另一端串联滤波电容IV，同时串联接入与高频变压器的二次侧负极，滤波电容IV的另一端连接开关管VI源极。

优选地，所述滤波电容III和滤波电容IV的电容容量均为220～470μF。

优选地，所述第二滤波电感一端与滤波电容III串联，另一端与第三滤波电容串联，第三滤波电容另一端与滤波电容IV串联。

优选地，所述变压器的匝数比为n：1，其中，12≥n≥1。

优选地，所述变压器为额定功率为1KW的单相控制变压器。

优选地，所述输入电压源为交流电压源，输出侧输出的为直流电压。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型公开了一种半桥双向隔离式AC-DC变换器，包括输入侧、交流侧半桥、高频变压器、直流侧半桥和输出侧。通过在交流侧半桥电连接第一滤波电感，滤除输入电流中的高频分量，使输入电流更平滑，可以对输入电流进行滤波，从而得到低纹波电流波形。高频变压器包括变压器和电感，将交流侧半桥从线电压中产生的高频脉冲电压传输到直流侧，直流侧半桥上的电容用于过滤高频高脉冲电流。由于单相交流电源的功率含有双基频分量，因此在单相交流电源中加入第二滤波电感和第三滤波电容来降低输出功率和电压的二阶纹波，克服了现有AC-DC转换器的转换效率低，复杂程度高等问题。

进一步地，直流侧电桥上的电容不用于储能，它们被设计成小电容和小寄生电阻，用于过滤高频高脉冲电流。但是其电容值也不能太小，否则将与变压器电感发生共振。

进一步地，由于单相交流电源的功率含有双基频分量，因此在单相交流电源中加入了第二滤波电感和第三滤波电容来降低输出功率和电压的二阶纹波。

进一步地，交流侧半桥产生高频脉冲电压，通过高频变压器传输到二次侧，变压器匝比为n:1，变压器的磁化电感和漏感。变压器漏感可以看作是一个能量传递元件，决定了变压器最大输出功率。磁化电感是变压器的初级侧电感，作用在其上的电流不会传导到次级，它的作用是拿来对铁芯产生激磁作用，使铁芯内的铁磁分子可以用来导磁。漏感的作用是使线圈所产生的磁力线不能都通过次级线圈。

附图说明

图1为本实用新型的半桥双向隔离式AC-DC变换器拓扑图；

图2为本实用新型能量由交流侧向直流侧流动时，交流电流处于正半周期示意图；图2-1为S1、S2、S3和S6导通，图2-2为S1、S2、S3和S5导通，图2-3为S2、S3、S4和S6导通，图2-4为S2、S3、S4和S5导通。

图中黑色加粗的器件为此工作模式处于工作状态的器件，箭头表示电流流动方向。

其中：1-输入侧；2-交流侧半桥；3-高频变压器；4-直流侧半桥；5-输出侧；S1-开关管I；S2-开关管II；S3-开关管III；S4-开关管IV；S5-开关管V；S6-开关管VI；C1-滤波电容I；C2-滤波电容II；C3-滤波电容III；C4-滤波电容IV；C5-第三滤波电容；L_ac-第一滤波电感；Lσ-磁化电感；L_dc-第二滤波电感；L_m-漏感。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。

需要说明的是，本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本实用新型的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本实用新型做进一步详细描述：

实施例1

参见图1，本实用新型一种半桥双向隔离式AC-DC变换器，包括输入侧1、交流侧半桥2、高频变压器3和直流侧半桥4、输出侧5。输入侧1包括输入电压源和对输入电流进行滤波的第一滤波电感，交流侧半桥2包括第一开关管和第一滤波电容，对输入电流进行滤波，得到低纹波电流；高频变压器3包括变压器及磁化电感和漏感，将交流侧半桥从线电压中产生的高频脉冲电压传输到直流侧，直流侧半桥4包括两个第二开关管和第二滤波电容；输出侧5包括第二滤波电感和第三滤波电容；交流侧半桥2一端并联输入侧1的交流电压，另一端并联高频变压器3的一次侧，直流侧半桥4的一端连接高频变压器的二次侧，另一端连接输出侧5。

实施例2

交流侧半桥2包括第一开关管，第一开关管包括开关管IS1、开关管IIS2、开关管IIIS3和开关管IVS4，第一滤波电容设有2个，分别为滤波电容IC1和滤波电容IIC2；开关管IS1漏极连接滤波电容IC1，另一端电连接开关管IIS2，开关管IIS2的源极连接开关管IIIS3漏极，并串联接入高频变压器3一次侧正极；开关管IIIS3的源极连接开关管IVS4漏极，开关管IVS4的源极连接滤波电容IIC2，滤波电容IIC2的另一端电连接滤波电容IC1，并接入高频变压器3一次侧负极。

实施例3

高频变压器3包括变压器和两个电感，分别为磁化电感Lσ和漏感Lm，磁化电感Lσ和漏感Lm串联，并分别接在变压器一次侧正极和负极之间。

实施例4

直流侧半桥包括两个第二开关管，所述第二开关管设有两个，分别为开关管VS5和开关管VIS6，所述电容设有两个，分别为滤波电容III C3和滤波电容IV C4；开关管VS5漏极连接滤波电容III C3，开关管VS5的源极连接高频变压器3的二次侧正极和开关管VIS6漏极，滤波电容III C3的另一端电连接滤波电容IV C4，同时串联接入与高频变压器3的二次侧负极，滤波电容IV C4的另一端连接开关管VIS6源极。

需要说明的是，上述实施例中用到的变压器的匝数比为n：1。输出侧包括括第二滤波电感L_dc和第三滤波电容C5。变压器选择单相控制变压器，型号为JMB(BJZ、DG)25VA，额定功率为1KW，初级电压为220V或380V，次级电压可根据用户需求从12V-380V选择。

本实用新型的半桥双向隔离式AC-DC变换器的工作原理为：

能量由交流侧向直流侧流动时，在交流侧半桥2，半桥电路以恒定的开关频率工作，占空比为0.5。当交流电压为正时，开关管IS1和开关管IV S4通过互补门控信号互补导通，开关管II S2和开关管III S3连续导通；如果交流电压为负，则开关管II S2和开关管III S3是互补导通，而开关管I S1和开关管IV S4连续导通。

能量从交流侧向直流侧传输时，交流电流在正半周期时变压器中的电流路径。图2-1中，开关管IS1、开关管IIS2、开关管IIIS3和开关管VIS6导通；图2-2中，开关管I S1、开关管II S2、开关管III S3和开关管VS5导通，图2-3中，开关管IIS2、开关管IIIS3、开关管IVS4和开关管VI S6导通；图2-4中，开关管IIS2、开关管IIIS3、开关管IVS4和开关管VS5导通，电流流向如图所示，交流电流负半周期时与正半周类似。

由图2可知，图2中四种情况均为半桥整流，即能量从交流侧流入直流侧，只是每次工作的半桥(开关管)不同。

以上内容仅为说明本实用新型的技术思想，不能以此限定本实用新型的保护范围，凡是按照本实用新型提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本实用新型权利要求书的保护范围之内。

Claims

1.一种半桥双向隔离式AC-DC变换器，包括双向AC-DC转换电路，其特征在于，包括输入侧(1)、交流侧半桥(2)、高频变压器(3)和直流侧半桥(4)和输出侧(5)；

输入侧(1)包括输入电压源和对输入电流进行滤波的第一滤波电感，交流侧半桥(2)包括第一开关管和第一滤波电容；高频变压器(3)包括变压器和电感，直流侧半桥(4)包括第二开关管和第二滤波电容；输出侧(5)包括第二滤波电感和对输出电流进行滤波的第三滤波电容(C5)；

交流侧半桥(2)一端与输入侧(1)串联，另一端与高频变压器(3)的一次侧串联，高频变压器(3)的二次侧与直流侧半桥(4)的一端电连接，直流侧半桥(4)的另一端与输出侧(5)电连接。

2.根据权利要求1所述的半桥双向隔离式AC-DC变换器，其特征在于，所述第一滤波电感一侧与输入电压源串联，另一侧与第一滤波电容串联。

3.根据权利要求1所述的半桥双向隔离式AC-DC变换器，其特征在于，所述第一开关管设有4个，分别为开关管I(S1)、开关管II(S2)、开关管III(S3)和开关管IV(S4)，第一滤波电容设有2个，分别为滤波电容I(C1)和滤波电容II(C2)；

开关管I(S1)的漏极连接滤波电容I(C1)，源极连接开关管II(S2)的漏极，开关管II(S2)的源极连接开关管III(S3)的漏极，并串联接入高频变压器(3)一次侧正极；开关管III(S3)的源极连接开关管IV(S4)的漏极，开关管IV(S4)的源极连接滤波电容II(C2)，滤波电容II(C2)的另一端电连接滤波电容I(C1)，并接入高频变压器(3)一次侧负极。

4.根据权利要求1所述的半桥双向隔离式AC-DC变换器，其特征在于，所述电感设有两个，分别为相互串联的磁化电感和漏感；磁化电感和漏感分别与变压器的一次侧正极和一次侧负极电连接。

5.根据权利要求1所述的半桥双向隔离式AC-DC变换器，其特征在于，所述第二开关管设有两个，分别为开关管V(S5)和开关管VI(S6)；所述第二滤波电容设有两个，分别为滤波电容III(C3)和滤波电容IV(C4)；

开关管V(S5)的漏极电连接滤波电容III(C3)，开关管V(S5)的源极连接高频变压器(3)的二次侧正极和开关管VI(S6)漏极，滤波电容III(C3)的另一端串联滤波电容IV(C4)，同时串联接入与高频变压器(3)的二次侧负极，滤波电容IV(C4)的另一端连接开关管VI(S6)源极。

6.根据权利要求5所述的半桥双向隔离式AC-DC变换器，其特征在于，所述滤波电容III(C3)和滤波电容IV(C4)的电容容量均为220～470μF。

7.根据权利要求1所述的半桥双向隔离式AC-DC变换器，其特征在于，所述第二滤波电感一端与滤波电容III(C3)串联，另一端与第三滤波电容(C5)串联，第三滤波电容(C5)另一端与滤波电容IV(C4)串联。

8.根据权利要求1所述的半桥双向隔离式AC-DC变换器，其特征在于，所述变压器的匝数比为n：1，其中，12≥n≥1。

9.根据权利要求1所述的半桥双向隔离式AC-DC变换器，其特征在于，所述变压器为额定功率为1KW的单相控制变压器。

10.根据权利要求1所述的半桥双向隔离式AC-DC变换器，其特征在于，所述输入电压源为交流电压源，输出侧(5)输出的为直流电压。