專利名稱：基于llc串聯(lián)諧振的單級(jí)單相ac-dc變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及AC-DC變換器，尤其涉及一種實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正和軟開關(guān)的 單級(jí)單相AC-DC變換器。
背景技術(shù)：
具有隔離變壓器的單相AC-DC變換器已廣泛應(yīng)用于LCD和LED等電源中。傳 統(tǒng)的單相AC-DC變換器在輸入整流橋后直接接儲(chǔ)能大電容，導(dǎo)致變換器功率因數(shù) 低、輸入電流諧波大，并且對(duì)電網(wǎng)造成污染。為了減小單相AC-DC變換器的輸入 電流諧波，提高輸入功率因數(shù)，減小變換器對(duì)電網(wǎng)的污染， 一般在整流橋后加入一 級(jí)有源功率因數(shù)校正環(huán)節(jié)。當(dāng)單相AC-DC變換器需要隔離時(shí)，還要在有源功率因 數(shù)校正環(huán)節(jié)后加入一級(jí)帶隔離變壓器的DC-DC變換器。因此，傳統(tǒng)的具有隔離變 壓器的單相AC-DC變換器一般由輸入整流橋、有源功率因數(shù)校正環(huán)節(jié)、帶隔離變 壓器的DC-DC變換器組合而成，如圖1所示，整個(gè)單相AC-DC變換器使用的功率 管較多，而且經(jīng)過(guò)多級(jí)變換，造成較大的功率損耗，特別是開關(guān)損耗。
實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種基于LLC串聯(lián) 諧振的單級(jí)單相AC-DC變換器，將輸入整流橋、有源功率因數(shù)校正環(huán)節(jié)和裙隔離 變壓器的DC-DC變換器集成，即將這三個(gè)變換環(huán)節(jié)的二極管和開關(guān)管集成，從而 構(gòu)成新的單級(jí)AC-DC變換器，同時(shí)采用LLC串聯(lián)諧振回路實(shí)現(xiàn)所有功率器件的軟 開關(guān)。本實(shí)用新型通過(guò)如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)
基于LLC串聯(lián)諧振的單級(jí)單相AC-DC變換器，其包括一個(gè)單相PFC環(huán)節(jié)、一 個(gè)LLC串聯(lián)諧振DC-DC變換器環(huán)節(jié)和輸出濾波電容Cc，所述單相PFC環(huán)節(jié)由一 個(gè)輸入電感L、第一二極管Di和第二二極管D2、第一MOS管&和第二MOS管S2 和一個(gè)儲(chǔ)能電容Cd構(gòu)成；所述LLC串聯(lián)諧振DC-DC變換器環(huán)節(jié)由上述兩個(gè)MOS 管&、 &、 一個(gè)諧振電容C" 一個(gè)變壓器T、輸出整流二極管之一D(M、輸出整流 二極管之二 Do2及集成在所述變壓器T中的勵(lì)磁電感Z^和漏電感；構(gòu)成；所述單 相PFC環(huán)節(jié)與LLC串聯(lián)諧振DC-DC變換器環(huán)節(jié)共用第一 MOS管^和第二 MOS 管S2，并通過(guò)該兩個(gè)MOS管的切換工作同時(shí)實(shí)現(xiàn)輸入功率因數(shù)校正和輸出電壓調(diào) 節(jié)。上述基于LLC串聯(lián)諧振的單級(jí)單相AC-DC變換器中，單相PFC變換器的輸入 整流橋由第一二極管Db第二二極管D2、第一MOS管&和第二MOS管&構(gòu)成； 單相交流電源的一端通過(guò)輸入電感L和第一二極管D,的陽(yáng)極、第二二極管D2的陰 極連接；單相交流電源的另一端直接與第一MOS管&的源極、第二MOS管&的 漏極連接，然后再與變壓器T的同名端連接；儲(chǔ)能電容Cd的一端與第一MOS管^ 的漏極、第一二極管Di的陰極連接；儲(chǔ)能電容Cd的另一端與第二MOS管&的源 極、第二二極管D2的陽(yáng)極連接，然后再與諧振電容G的一端連接，諧振電容CV的 另一端與變壓器T的異名端連接。
本實(shí)用新型具有如下優(yōu)點(diǎn)和效果單相PFC變換器與DC-DC變換器共同構(gòu)成 單級(jí)單相AC-DC變換器。單相PFC變換器與DC-DC變換器共用一對(duì)MOS管& 和&，相對(duì)于傳統(tǒng)的Boost PFC + LLC串聯(lián)諧振DC-DC變換器構(gòu)成的單相兩級(jí) AC-DC變換器，該實(shí)用新型涉及的電路省去了兩個(gè)輸入整流二極管、 一個(gè)開關(guān)管和 一個(gè)續(xù)流二極管，降低了電路的成本和體積。本實(shí)用新型采用LLC串聯(lián)諧振技術(shù)實(shí) 現(xiàn)MOS管&和&的零電壓開關(guān)，以及整流二極管D(m和Do2的零電流關(guān)斷，電路 中所有功率器件都實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，從而極大地降低該實(shí)用新型電路的開關(guān)損耗。本實(shí) 用新型適合用作LCD電源。相對(duì)于傳統(tǒng)的帶隔離變壓器的多級(jí)AC-DC變換器，本 實(shí)用新型的電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功率器件較少，控制電路簡(jiǎn)單，效率高。

圖1為傳統(tǒng)的具有隔離變壓器的單相AC-DC變換器電路圖。
圖2是本實(shí)用新型實(shí)施方式中的電路實(shí)例圖，圖中，Dw和C^分別為MOS管
Si的體二極管和體電容，Z)s2和Cs2分別為MOS管&的體二極管和體電容；
圖3是本實(shí)用新型實(shí)施方式中在不同時(shí)間階段(to~t9)的工作原理示意圖； 圖4a 圖4i為實(shí)施方式中分別對(duì)應(yīng)于不同階段的工作模態(tài)(Va>0)示意圖； 圖5a、圖5b為實(shí)施方式中輸入電源Va<0時(shí)的兩種工作模態(tài)示意圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步描述。本實(shí)用新型涉及的電路包含 一個(gè)單相PFC變換器，它由一個(gè)輸入電感L、兩個(gè)二極管Di和D2、兩個(gè)MOS
管&和&、 一個(gè)儲(chǔ)能電容Cd構(gòu)成；
一個(gè)LLC串聯(lián)諧振DC-DC變換器，它由兩個(gè)MOS管&和&、 一個(gè)諧振電容
C" 一個(gè)變壓器T及其集成的勵(lì)磁電感Lm和漏電感Lr、兩個(gè)輸出整流二極管D01和Do2構(gòu)成；
一個(gè)輸出濾波電容c0。
參考圖2，輸入電感L、 二極管Di和D2、 MOS管&和&、儲(chǔ)能電容Ca構(gòu)成 單相PFC變換器；MOS管&和&、諧振電容C,、變壓器T及其集成的勵(lì)磁電感 Lm和漏電感Lr、輸出整流二極管D01和002構(gòu)成LLC串聯(lián)諧振DC-DC變換器； 單相PFC變換器與LLC串聯(lián)諧振DC-DC變換器共用兩個(gè)MOS管&和單相交 流電源F。的一端通過(guò)輸入電感丄和二極管D,的陽(yáng)極、二極管D2的陰極連接；單相 交流電源K的另一端直接與MOS管&的源極、MOS管&的漏極連接，然后再與 變壓器的同名端連接；儲(chǔ)能電容Cd的一端與MOS管&的漏極、二極管D!的陰極 連接；儲(chǔ)能電容Ca的另一端與MOS管&的源極、二極管D2的陽(yáng)極連接，然后再 與諧振電容C,的一端連接；諧振電容C,的另一端與變壓器T的異名端連接。
圖3給出了本實(shí)用新型的工作原理，圖4和5給出了本實(shí)用新型的工作模態(tài)。 電路穩(wěn)態(tài)工作吋，本實(shí)用新型的工作過(guò)程如下
(1)當(dāng)輸入電源VaX)時(shí)，工作原理和工作模態(tài)分別如圖3和4所示。
階段l(to ti)，如圖4a: to時(shí)刻MOS管S!和S2關(guān)斷，電感Lm的電流i^與諧 振電流iu相等，變壓器一次側(cè)電流ip為零，輸出被變壓器隔離，輸出整流二極管 Dm和Do2反偏截止，輸出電容Co放電并給負(fù)載供電。諧振電流iu對(duì)S2的體電容 Cs2充電，同時(shí)為St的體電容Cy放電。tr時(shí)刻，當(dāng)C^的端電壓Vcs"j、于輸入電 壓Va時(shí)，輸入二極管D!開始導(dǎo)通，電感L在電壓(Va-Vcsl)下充電。當(dāng)C^放電 結(jié)束時(shí)，S!上的體二極管Dw導(dǎo)通，階段l工作狀態(tài)結(jié)束。
階段2(t廣t2)，如圖4b: t!時(shí)亥U， S2關(guān)斷，體二極管Dsi導(dǎo)通，為Si的ZVS 導(dǎo)通創(chuàng)造條件。此時(shí)輸出整流二極管D(M導(dǎo)通，變壓器一次側(cè)電壓被鉗位在nV0， Lm在此電壓下線性充電，不參與諧振，ip=iLr-iLm。電感L在輸入電壓Va下線性充 電。當(dāng)諧振電流iLr上升至0時(shí)，階段2工作狀態(tài)結(jié)束。
階段3(t廣t3)，如圖4c: S,在階段1時(shí)已加上門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)，在t2時(shí)刻，諧振 電流i&由負(fù)變正時(shí)，Si正向?qū)ǎ姼蠰繼續(xù)在輸入電壓Va下線性充電，輸出整 流二極管D(M導(dǎo)通，變壓器一次側(cè)電壓被鉗位在nV0， Lm在此電壓下線性充電， 不參與諧振，能量由Vcd傳遞到Vo。當(dāng)iLm等于諧振電流iu時(shí)，階段3結(jié)束。
階段4 (t3~t4)，如圖4d: t3時(shí)亥U， iun等于諧振電流iu， Lm參與諧振，輸出整
流二極管D(M反偏截止，輸出電容Co放電并給負(fù)載供電。電感L繼續(xù)在輸入電壓Va下線性充電。
階段5 (t4~t5)，如圖4e: t4時(shí)亥U， SJ口 S2關(guān)斷，輸出整流二極管D(m和D02 反偏截止，輸出電容Co放電并給負(fù)載供電，諧振電流iu對(duì)體電容C^充電，同時(shí) 為體電容Cs2放電。ts，時(shí)刻，當(dāng)CS1的端電壓Vcsi大于輸入電壓Va時(shí)，電感L在電 壓(Vcsl-Va)下放電。當(dāng)Cs2放電結(jié)束時(shí)，S2上的體二極管Ds2導(dǎo)通，階段5工作 狀態(tài)結(jié)束。
階段6(ts t6),如圖4f: ts時(shí)刻，體二極管Ds2導(dǎo)通，為S2的ZVS導(dǎo)通創(chuàng)造條
件。電感L在電壓Vcd下放電并給儲(chǔ)能電容Cd充電。此時(shí)輸出整流二極管Do2導(dǎo)通， 變壓器一次側(cè)電壓被鉗位在-nVO, Lm在此電壓下線性充電，不參與諧振，ip=iu-iLm。 當(dāng)諧振電流iLr下降至O時(shí)，階段6工作狀態(tài)結(jié)束。
階段7(t6 t7)，如圖4g: S2在階段6時(shí)已加上門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)，在t6時(shí)刻，諧振 電流Lr由正變負(fù)時(shí)，S2正向?qū)?，輸出整流二極管Do2導(dǎo)通，變壓器一次側(cè)電壓被 鉗位在-nVo， Lm在此電壓下線性充電，不參與諧振，諧振電流流經(jīng)Lm和變壓器一
次側(cè)，傳遞能量至Vo。電感L在電壓Vcd下放電并給儲(chǔ)能電容Cd充電，當(dāng)電感電 流L下降到零時(shí)，Di反偏截止，階段7結(jié)束。
階段8(t7 ts)，如圖4h: t7時(shí)亥U，電感電流iL下降到零時(shí)，D!反偏截止，諧振 電流繼續(xù)流經(jīng)Lm和變壓器一次側(cè)，傳遞能量至Vo。當(dāng)iLm等于諧振電流iu時(shí)，階 段8結(jié)束。
階段9 (t8~t9)，如圖4i: ts時(shí)亥U， ii^等于諧振電流iu， Lm參與諧振，輸出整 流二極管Do2反偏截止，輸出電容Co放電并給負(fù)載供電。
(2)當(dāng)輸入電源Va〈0，工作波形如圖5所示。
當(dāng)輸入電源VaO時(shí)，電路工作模態(tài)與輸入電源VaX)時(shí)的工作模態(tài)近似。所 不同的是當(dāng)S!關(guān)斷和S2導(dǎo)通時(shí)，電感L在輸入電壓Va下線性充電，見圖5a;當(dāng) Si導(dǎo)通和S2關(guān)斷時(shí)，電感L在輸入電壓Va下線性放電，見圖5b。
為驗(yàn)證本實(shí)用新型的基于LLC串聯(lián)諧振的單級(jí)單相AC-DC變換器的功率因數(shù) 校正能力和電壓調(diào)節(jié)性能，我們進(jìn)行了有關(guān)實(shí)驗(yàn)，并采用變頻控制技術(shù)對(duì)該電路進(jìn) 行控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，功率因數(shù)和效率分別達(dá)到99%和94%。相對(duì)于傳統(tǒng)的帶隔 離變壓器的多級(jí)AC-DC變換器，本實(shí)用新型的電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功率器件較少，控 制電路簡(jiǎn)單，效率高。
權(quán)利要求1、基于LLC串聯(lián)諧振的單級(jí)單相AC-DC變換器，其特征在于包括一個(gè)單相PFC環(huán)節(jié)、一個(gè)LLC串聯(lián)諧振DC-DC變換器環(huán)節(jié)和輸出濾波電容(CO)，所述單相PFC環(huán)節(jié)由一個(gè)輸入電感(L)、第一二極管(D1)和第二二極管(D2)、第一MOS管(S1)和第 MOS管(S2)和一個(gè)儲(chǔ)能電容(Cd)構(gòu)成；所述LLC串聯(lián)諧振DC-DC變換器環(huán)節(jié)由上述兩個(gè)MOS管(S1、S2)、一個(gè)諧振電容(Cr)、一個(gè)變壓器(T)、輸出整流二極管之一(DO1)和輸出整流二極管之(DO2)構(gòu)成；所述單相PFC環(huán)節(jié)與LLC串聯(lián)諧振DC-DC變換器環(huán)節(jié)共用第一MOS管(S1)和第二MOS管(S2)，并通過(guò)該兩個(gè)MOS管的切換工作同時(shí)實(shí)現(xiàn)輸入功率因數(shù)校正和輸出電壓調(diào)節(jié)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于LLC串聯(lián)諧振的單級(jí)單相AC-DC變換器，其特征在于，單相PFC變換器的輸入整流橋由第一二極管(D!)、第二二極管(D2)第一 MOS管和第二 MOS管(&)構(gòu)成；單相交流電源的一端通過(guò)輸入電感(L)和第一二極管(DD的陽(yáng)極、第二二極管(D2)的陰極連接；單相交流電源的另一端直接與第一MOS管(&)的源極、第二MOS管(&)的漏極連接，然后再與變壓器(T)的同名端連接；儲(chǔ)能電容(Cd)的一端與第一MOS管(&)的漏極、第一二極管(D!)的陰極連接；儲(chǔ)能電容(Cd)的另一端與第二 MOS管(S2)的源極、第二二極管(D2)的陽(yáng)極連接，然后再與諧振電容(C》的一端連接，諧振電容(Cr)的另一端與變壓器(T)的異名端連接。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于LLC串聯(lián)諧振的單級(jí)單相AC-DC變換器，其特征在于所述變壓器(T)集成有勵(lì)磁電感和漏電感(丄》。
專利摘要本實(shí)用新型提供了一種基于LLC串聯(lián)諧振的單級(jí)單相AC-DC變換器，包括一個(gè)單相PFC環(huán)節(jié)、一個(gè)LLC串聯(lián)諧振DC-DC變換器環(huán)節(jié)和輸出濾波電容(C_O)，所述單相PFC環(huán)節(jié)與LLC串聯(lián)諧振DC-DC變換器環(huán)節(jié)共用第一MOS管和第二MOS管，通過(guò)該兩個(gè)MOS管的切換工作同時(shí)實(shí)現(xiàn)輸入功率因數(shù)校正和輸出電壓調(diào)節(jié)，并實(shí)現(xiàn)所有功率器件的軟開關(guān)，具有較高的效率。單相PFC變換器與DC-DC變換器共同構(gòu)成單級(jí)單相AC-DC變換器。單相PFC變換器與DC-DC變換器共用一對(duì)MOS管，該實(shí)用新型涉及的電路省去了兩個(gè)輸入整流二極管、一個(gè)開關(guān)管和一個(gè)續(xù)流二極管，降低了電路的成本和體積，本實(shí)用新型適合用作LCD電源。
文檔編號(hào)H02M1/00GK201365204SQ200920050479
公開日2009年12月16日 申請(qǐng)日期2009年1月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月20日
發(fā)明者波 張, 張桂東, 肖文勛 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué)