CN2504822Y - 单级谐振式高功率因数开关电源 - Google Patents

Abstract

一种单级谐振式高功率因数开关电源,包括依次相连的桥式整流、双管正激变换器的主变换开关及主变压器,变换控制电路和驱动电路,双管正激变换器包括串接的开关管和第二开关管,其栅极与所述驱动电路相连;该开关电源还包括贮能电容和功率因数控制电路;贮能电容输出端与变换控制电路连接;功率因数控制电路由依次相连的二极管、电感和第二二极管,电容和第二电感所组成,二极管的正极接桥式整流的输出,第二二极管的负极与开关管的漏极相连,电容接在主变压器初级的一端与第二二极管的正极之间,该主变压器初级的一端与第二开关管的漏极连接;第二电感串接在主变压器初级的另一端与开关管的源极之间;该电源功率因数为0.9以上,且元器件数量少。

Description

单级谐振式高功率因数开关电源

技术领域

本实用新型涉及一种单级谐振式高功率因数开关电源，具体为具有单级PFC+DC/DC变换器的高功率因数开关电源，属于电能变换与控制技术领域。

背景技术

目前有两种典型的单级开关电源变换器技术：

其一是美国国家电力电子系统研究中心提出的带有直流母线电压反馈的单开关—单级—反激式PFC+DC/DC变换器。这种变换器的问题是：当轻载和高输入电压时，输入整流器的导通角变小，导致了输入电流的波形变坏，高次谐波增加和功率因数下降。(参考文献为：VPEC’97 Seminar，1997，pp207-213)

其二是香港大学提出的采用调频和PWM技术相结合的控制技术。这个技术的主要问题是：由于采用了调频方法且频率大范围变化，所以DC/DC变换器中的变压器、滤波器设计很难优化。(参考文献为：98’S IEEE Power Electronics Specialists Conference，pp1422-1428)

故上述两个电路和技术均没有得到广泛的应用。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种开关电源，其具有单级谐振式高功率因数变换器，可减少元器件数量，节约成本，有效控制直流母线电压，使输入端电流满足IEC61000-2-3类标准，且功率等级为300W。

本实用新型的单级谐振式高功率因数开关电源，包括：依次相连的桥式整流、主变换开关及主变压器，与主变换开关一输入端连接的变换控制电路和位于主变换开关与驱动变压器次级线圈之间的驱动电路，所述的主变换开关为双管正激变换器，所述的双管正激变换器包括串接的开关管和第二开关管，这两个开关管的栅极与所述的驱动电路相连；该开关电源还包括谐振式功率因数校正电路，所述的谐振式功率因数校正电路由带输出端的串联的贮能电容和功率因数控制电路组成；所述的贮能电容与串接的开关管和第二开关管并联，它的输出端与所述的变换控制电路相连；所述的功率因数控制电路由依次相连的二极管、电感和第二二极管，以及电容和第二电感所组成，其中，二极管的正极接桥式整流的输出，第二二极管的负极与开关管的漏极相连，电容接在主变压器初级的一端与第二二极管的正极之间，且该主变压器初级的一端与第二开关管的漏极连接；第二电感串接在主变压器初级的另一端与开关管的源极之间。

本实用新型的单级谐振式高功率因数开关电源，所述的开关管和第二开关管为IRFP450或IRFP830型开关管。

本实用新型的单级谐振式高功率因数开关电源，所述的二极管和第二二极管是GUR406或HER107型整流二极管。

本实用新型的单级谐振式高功率因数开关电源，所述的电感为45-65μH，第二电感为110-150μH。

本实用新型的单级谐振式高功率因数开关电源，所述的电容为0.3-0.5μF。

本实用新型与已有技术比较如下表所示：

技术指标	已有技术	本实用新型
			总谐波含量(THD)	83％	48％
直流母线电压(Uin＝220V)	450V	≤400V
			输出功率	84W	300W
功率因数	≤0.84	≥0.9

从上表可见本实用新型的单级谐振式高功率因数开关电源的优点在于：功率因数高，≥0.9，总谐波含量低，输出功率高，有效控制直流母线电压；另外，本实用新型的单级开关电源所用元器件较少。

附图说明

图1为谐振式功率因数校正电路图；

图2是桥式整流输出电压U_in和SPWM对照波形图；

图3是该单级开关电源在计算机电源中的实际应用框图。

具体实施方式

下面结合实施例，对本实用新型的单级谐振式高功率因数开关电源做进一步说明，本实施例为该单级开关电源在计算机电源中的实际应用。

参见图3。图3为该单级开关电源在计算机电源中的实际应用框图，包括：依次相连的桥式整流、主变换开关及主变压器T1，与主变换开关一输入端连接的变换控制电路和位于主变换开关与驱动变压器次级线圈之间的驱动电路，所述的主变换开关为双管正激变换器，所述的双管正激变换器包括串接的开关管U1和第二开关管U2，这两个开关管的栅极G1和G2与所述的驱动电路相连；由于本实用新型的输出功率等级为300W，故主变换开关电路采用双管正激变换器；该开关电源还包括谐振式功率因数校正电路，所述的谐振式功率因数校正电路由带输出端的串联的贮能电容和功率因数控制电路组成。

本实施例的谐振式功率因数校正电路如图1所示：所述的谐振式功率因数校正电路由带输出端B的串联的贮能电容C4与C5和功率因数控制电路组成；贮能电容C4和C5与串接的开关管U1和第二开关管U2并联，贮能电容C4和C5的输出端B与所述的变换控制电路相连；在包括开关管U1和第二开关管U2的双管正激变换器上增加二极管D1，电感L1，电容C1，第二二极管D2和第二电感L2等五个元件实现了功率因数校正功能，不需另加功率因数校正(PFC：Power Factor Corrector)级；所述的功率因数控制电路由依次相连的二极管D1、电感L1和第二二极管D2，以及电容C1和第二电感L2所组成，其中，二极管D1的正极接整流桥的输出，第二二极管D2的负极与开关管U1的漏极相连，电容C1接在主变压器T1初级的一端与第二二极管D2正极之间，且该主变压器T1初级的一端与第二开关管U2的漏极连接；第二电感L2串接在主变压器T1初级的另一端与开关管U1的源极之间；第二电感L2用于存贮和记忆负载电流的大小，当负载电流变大时，第二电感L2存贮的能量增加，当空载或轻载时，第二电感L2上的贮能为零或变小；电感L1和电容C1组成第一次谐振电路，用于从电网中吸收能量；电容C1、主变压器T1的磁化电感Lm和电感L2组成了第二次谐振电路，用于把电容C1上的能量转移到直流的贮能电容C4和C5上，贮能电容C4和C5上的电压用U_B表示，U_B为母线电压；当负载电流增加时，第二电感L2上的能量增加，在第二次谐振结束后，电容C1上的剩余能量减小，在下一个高频周期开始时，电感L1、电容C1进入第一次谐振，且电容C1从电网中吸收更多的能量；贮能电容C4和C5起到贮能、滤波两方面的作用。

在图2中，U_B为母线电压，当t＝t₁或t＝t₂时，2U_inSinωt＝U_B，t∈〔t₀，t₁〕和t∈〔t₂，T〕区间定义为低压区；t∈(t₁，t₂)定义为高压区；Ton是电感Ll从电网中吸取能量时间，Uo是PWM(Pulse Width Modulation)比较器的输出电压，桥式整流的输出电压Ui＝U_inSinωt；在低压区，电感L1、电容C1向电网取能量的时间为开关管U1和第二开关管U2导通时间，为PWM控制；在高压区，电感L1、电容C1产生一次谐振的持续时间随输入电压升高而减少，即为准脉冲宽度调制SPWM(Similar Pulse Width Modulation)控制。

在图1中电感L1、电容C1是谐振支路，用这支路实现功率因数校正(PFC)。当开关管U1、第二开关管U2同时导通时，C4、C5→U1→T1→U2组成了直流/直流(DC/DC)变换电路；L1→C1→U2具体实现了功率因数校正；在给L1和电容C1充电过程中，当电容C1两端的电压Uc(t)＞U_B时，D2导通，虽然开关管U2导通，但因第二二极管D2导通，电感L1上的电流开始下降，此时，电感L1上的磁能转换为贮能电容C4和C5上的电能，贮能电容C4和C5串联，一般为电解电容；第二电感L2上存贮的能量与负载电流成正比。当开关管U1、第二开关管U2同时关断期间，退磁回路为D4→L2→Lm→C1→D2→C4、C5，发生第二次谐振。假定主变压器T1的磁化电感Lm和第二电感L2上的磁能不足以使电容C1由U_B变为零，则在退磁结束时，Uc上尚存一定的正电压，使得开关管U1、第二开关管U2再次导通时，加在电感L1、电容C1串联谐振电路的等效电压值小于UinSinωt，实现了负载电流的自动反馈。

在电感L1、电容C1谐振阶段，在低压区，由于Uc(t)＜U_B，所以电感L1、电容C1从电网里取能量的时间为半个谐振周期或开关管U1及第二开关管U2共同导通时间；在高压区，因为Uc(t)在不到半个谐振周期内就能达到U_B，所以电感L1、电容C1从电网中汲取能量的时间小于半个周期，而且随着U_inSinωt上升，电感L1、电容C1从电网中汲取能量的时间会减少，实现了PFC电路中SPWM。因此，在任何一个高频周期内，谐振网络向电网吸取的能量总是大于零，故在输入电压的半个周期内，导通角等于180度且输入电流的低频基波分量近似为一个与输入电压同频同相的电量，从而达到了降低谐波电流，提高功率因数的目的。

图1电路中二极管D1的输入端接整流桥的输出；第二二极管D2的负极接开关管U1的漏极；电容C1接在主变压器T1初级的一端与第二二极管D2的正极之间；第二电感L2串接在主变压器初级的另一端和开关管U1的源极之间，构成了具有谐振式单级功率因数校正功能的计算机开关电源电路，从而实现了功率因数校正，使功率因数由原来的0.66提高到0.9以上，而母线电压不超过400伏。

图1中元器件的最佳取值如下：

电容C1为0.33μF，电感L1为56μH，第二电感L2为128μH。

Claims (5)

1、一种单级谐振式高功率因数开关电源，包括：依次相连的桥式整流、主变换开关及主变压器(T1)，与主变换开关一输入端连接的变换控制电路和位于主变换开关与驱动变压器次级线圈之间的驱动电路，所述的主变换开关为双管正激变换器，所述的双管正激变换器包括串接的开关管(U1)和第二开关管(U2)，这两个开关管的栅极(G1，G2)与所述的驱动电路相连；其特征在于该开关电源还包括谐振式功率因数校正电路，所述的谐振式功率因数校正电路由带输出端(B)的串联的贮能电容(C4，C5)和功率因数控制电路组成；所述的贮能电容(C4，C5)与串接的开关管(U1)和第二开关管(U2)并联，它的输出端(B)与所述的变换控制电路相连；所述的功率因数控制电路由依次相连的二极管(D1)、电感(L1)和第二二极管(D2)，以及电容(C1)和第二电感(L2)所组成，其中，二极管(D1)的正极接桥式整流的输出，第二二极管(D2)的负极与开关管(U1)的漏极相连，电容(C1)接在主变压器(T1)初级的一端与第二二极管(D2)的正极之间，且该主变压器(T1)初级的一端与第二开关管(U2)的漏极连接；第二电感(L2)串接在主变压器(T1)初级的另一端与开关管(U1)的源极之间。

2、根据权利要求1所述的单级谐振式高功率因数开关电源，其特征在于所述的开关管(U1)和第二开关管(U2)为IRFP450或IRFP830型开关管。

3、根据权利要求1或2所述的单级谐振式高功率因数开关电源，其特征在于所述的二极管(D1)和第二二极管(D2)是GUR406或HER107型整流二极管。

4、根据权利要求3所述的单级谐振式高功率因数开关电源，其特征在于所述的电感(L1)为45-65μH，第二电感L2为110-150μH。

5、根据权利要求1或2或4所述的单级谐振式高功率因数开关电源，其特征在于所述的电容(C1)为0.3-0.5μF。

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