一种单相交错并联三电平谐振式的高频隔离型AC-DC变换器制造技术

本发明专利技术公开了一种单相交错并联三电平谐振式的高频隔离型AC‑DC变换器，包括单相单级式交错并联三电平的PFC电路，用于将交流输入电压整流为直流电压；三电平的LLC谐振电路，其原边电路的功率器件实现零电压软开通(ZVS)，副边电路用于将交流电压整流为直流输出电压；所述PFC电路与所述LLC谐振电路共用交错并联的两个开关管桥臂。该高频隔离型AC‑DC变换器将功率因数矫正技术和谐振技术结合，使变换器输入电流很好地跟随输入电压变化，实现功率因数矫正功能；该变换器通过控制输出电压，实现稳定的直流电压输出；同时，该变换器具有高频变压器，可以实现电气隔离的功能。

【技术实现步骤摘要】
一种单相交错并联三电平谐振式的高频隔离型AC-DC变换器
本专利技术属于电力电子领域，具体涉及一种单相交错并联三电平谐振式的高频隔离型AC-DC变换器。
技术介绍
随着通讯技术、电动汽车和电力系统等的发展，对通讯用开关电源、电动汽车充电器和电力操作电源的性能、重量、体积、效率和可靠性提出了更高的要求，这些领域的电源通常从交流电网取电输出直流电能，并且从对电网电能质量的影响和安全角度考虑，要求变换器同时具备功率因数矫正和电气隔离的功能。传统的桥式功率因数矫正电路(俗称为BoostPFC)由于在同一时刻电流流过的功率半导体器件较多，电路的效率提升受到限制；随着功率半导体器件的发展，尤其是宽禁带半导体器件的应用，无桥式PFC电路由于在同一时刻电流只流过两个功率半导体器件，可以提升变换器的效率，受到了越来越多的重视。其中，交错并联PFC电路由于共模干扰小等原因，得到了越来越多专家和学者的研究。交错并联式功率因数矫正电路中每个功率因数矫正电路并联运行在交错状态，每个模块的开关管依次错开1/N个开关周期导通，可以有效减小输入电流纹波、降低EMI。后级电路通常采用隔离型的DC-DC变换器。考虑到变换器的体积、效率等因素，后级隔离型的DC-DC变换器通常需要实现软开关。通常采用的DC-DC变换器有移相全桥式DC-DC变换器和谐振式DC-DC变换器。但是两级式电路功率变换器需经过PFC电路和DC-DC两级电路，采用的器件较多，成本较高，体积较大。SerkanDusmez等人在标题为AFullyIntegratedThree-LevelIsolatedSingle-StagePFCConverter中提出一种新型的单级式三电平PFC变换器，该变换器通过单级功率变换器即可以实现功率因数矫正和高频隔离。但是，该变换器只能运行在DCM模式下，电流纹波较大。HonggangSheng在他的博士论文AHighPowerDensityThree-LevelParallelResonantConverterforCapacitorCharging中对比了三电平谐振变换器的两种控制方式，分别为移相模式(Phaseshiftmodulation)和非移相模式(Nonphaseshiftmodulation)。通过对比实验分析可知，在功率损耗，器件应力和寄生参数的影响等方面，非移相模式优于移相模式。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种单相交错并联三电平谐振式的高频隔离型AC-DC变换器。该高频隔离型AC-DC变换器将功率因数矫正技术和谐振技术结合，使变换器输入电流很好地跟随输入电压变化，实现功率因数矫正功能；该变换器通过控制输出电压，实现稳定的直流电压输出；同时，该变换器具有高频变压器，可以实现电气隔离的功能。本专利技术的技术方案为：一种单相交错并联三电平谐振式的高频隔离型AC-DC变换器，包括：单相单级式交错并联三电平的PFC电路，用于将交流输入电压整流为直流电压；三电平的LLC谐振电路，其原边电路的功率器件实现零电压软开通(ZVS)，副边电路用于将交流电压整流为直流输出电压；所述PFC电路与所述LLC谐振电路共用交错并联的两个开关管桥臂。其中，所述单相单级式交错并联三电平的PFC电路包括：交流电源；并联的两个开关管桥臂，第一开关管桥臂包括串联的第一开关管、第二开关管、第三开关管以及第四开关管，第二开关管桥臂包括串联的第五开关管、第六开关管、第七开关管以及第八开关管；第一开关管的漏极和第三开关管的漏极之间连接着串联的第一功率二极管和第一功率二极管；第五开关管的漏极和第七开关管的漏极之间连接着串联的第三功率二极管和第四功率二极管；第三桥臂，其与所述第一开关管桥臂并联，包括串联的第五功率二极管和第六功率二极管，其中第五功率二极管的阳极和第六功率二极管的阴极接地；第四桥臂，其与所述第一开关管桥臂并联，包括串联的第一滤波电容和第二滤波电容；所述第一功率二极管阳极、第三功率二极管的阳极、第一电容和第二滤波电容的连接处电位相同；第一输入升压电感，其一端与交流电源相连，另一端连接到第二开关管的漏极；第二输入升压电感，其一端与交流电源相连，另一端连接到第六开关管的漏极。所述三电平的LLC谐振电路包括：谐振电容；谐振电感；第七功率二级管，第八功率二极管；变压器，其原边绕组的同名端依次经谐振电感、谐振电容连接到第二开关管的漏极，其原边绕组的异名端连接到第六开关管的漏极；变压器的第一副边绕组的同名端与第七功率二级管的阳极相连，其第二副边绕组的异名端与第八功率二级管的阳极相连，第八功率二级管的阴极与第七功率二级管的阴极相连接后作为正极输出端，变压器的第一副边绕组的异名端与第二副边绕组的同名端相连接后作为负极输出端。本专利技术中，PFC电路和LLC谐振电路共用第一开关管桥臂和第二开关管桥臂，串联在第一开关管的漏极和第三开关管的漏极之间的第一功率二极管和第一功率二极管以及串联在第五开关管的漏极和第七开关管的漏极之间的第三功率二极管和第四功率二极管，这样将两级式电路变成一级式电路，节省了开关管的数据，进而降低了开关管的电能消耗和成本。优选地，所述单相单级式交错并联三电平的PFC电路还包括：第三滤波电容，其一端连接第一开关管的漏极，另一端连接第三开关管的漏极。第四滤波电容，其一端连接第一开关管的漏极，另一端连接第三开关管的漏极。所述三电平的LLC谐振电路还包括：输出端并联有第五滤波电容。上述第三滤波电容、第四滤波电容以及第五滤波电容均起到滤波稳压的作用。其中，所述第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管、第七开关管以及第八开关管均为功率金属-氧化物半导体场效应晶体管。本专利技术具有的有益效果为：(1)本专利技术变换器采用三电平结构，每个开关管的器件电压应力为直流母线的一半，可以采用性能更好的低压器件。(2)本专利技术变换器的前级采用交错并联结构，可以减小器件的电流应力，减小输入电流纹波，获得更好的EMI性能。(3)本专利技术的变换器中所有的功率器件都可以实现软开关，变压器原边的开关管可以实现零电压软开通，副边的二极管可以零电流软关断。软开关技术可以避免由硬开关带来的各种电磁干扰问题，易于实现电路的高频化，同时有利于电路效率的提升。(4)本专利技术的变换器能够将一个交流电压转换为希望得到的直流电压，同时可实现电气隔离，这个功能应用范围非常广泛。比如：通讯用开关电源、电动汽车充电、LED驱动等。附图说明图1为实施例提供的基于交错并联三电平谐振式的高频隔离型AC-DC变换器的示意图；图2为图1所示的AC-DC变换器处于工作于模态1时的换流分析图。图3为图1所示的AC-DC变换器处于工作于模态2时(D<0.5)的换流分析图。图4为图1所示的AC-DC变换器处于工作于模态2时(D>0.5)的换流分析图。图5为图1所示的AC-DC变换器处于工作于模态3时环流分析图。图6为图1所示的AC-DC变换器在输入电压为正半周期时的工作波形图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本专利技术进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本专利技术，并不限定本专利技术的保护范围。如图1所示，本实施例提供的单相交错并联三电平本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种单相交错并联三电平谐振式的高频隔离型AC‑DC变换器，其特征在于，包括：单相单级式交错并联三电平的PFC电路，用于将交流输入电压整流为直流电压；三电平的LLC谐振电路，其原边电路的功率器件实现零电压软开通，副边电路用于将交流电压整流为直流输出电压；所述PFC电路与所述LLC谐振电路共用交错并联的两个开关管桥臂。

【技术特征摘要】
1.一种单相交错并联三电平谐振式的高频隔离型AC-DC变换器，其特征在于，包括：单相单级式交错并联三电平的PFC电路，用于将交流输入电压整流为直流电压；三电平的LLC谐振电路，其原边电路的功率器件实现零电压软开通，副边电路用于将交流电压整流为直流输出电压；所述PFC电路与所述LLC谐振电路共用交错并联的两个开关管桥臂。2.如权利要求1所述的单相交错并联三电平谐振式的高频隔离型AC-DC变换器，其特征在于，所述单相单级式交错并联三电平的PFC电路包括：交流电源；并联的两个开关管桥臂，第一开关管桥臂包括串联的第一开关管、第二开关管、第三开关管以及第四开关管，第二开关管桥臂包括串联的第五开关管、第六开关管、第七开关管以及第八开关管；第一开关管的漏极和第三开关管的漏极之间连接着串联的第一功率二极管和第二功率二极管；第五开关管的漏极和第七开关管的漏极之间连接着串联的第三功率二极管和第四功率二极管；第三桥臂，其与所述第一开关管桥臂并联，包括串联的第五功率二极管和第六功率二极管，其中第五功率二极管的阳极和第六功率二极管的阴极接地；第四桥臂，其与所述第一开关管桥臂并联，包括串联的第一滤波电容和第二滤波电容；所述第一功率二极管的阳极、第三功率二极管的阳极、第一电容和第二滤波电容的连接处电位相同；第一输入升压电感，其一端与交流电源相连，另一端连接到第二开关管的漏极；第二输入升压电感，其一端与交流电源相连，另一端连接到第六开关管的漏极。3.如权利要求2所述的单相交错并联三电平谐振式的...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓焰，李广地，屈金鹏，王昆，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33