高功率因数开关变换器制造技术

本发明专利技术是一种具有较高功率因数的开关变换器，这种变换器的特点是：电压转换的同时，亦完成了功率因数的校正，并且解决了储能电容电压升高的问题，功率开关Ｍ１、Ｍ２可以工作在零电压（ＺＶＳ）和零电流（ＺＣＳ）状态，Ｍ１、Ｍ２同时驱动变压器Ｔ和电感器Ｌｐｆｃ，变压器Ｔ、漏感Ｌｒ、电感Ｌｐｆｃ与电容一起，可以并联也可以串联，形成串并联网络，Ｌｐｆｃ与Ｌｒ或变压器Ｔ串联时，Ｌｐｆｃ的功能可由漏感Ｌｒ或变压器Ｔ完成，这样可以省略一只较贵的电感，更加节约成本，这些特点使本发明专利技术成为非常实用的电路架构。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术是一种具有较高功率因数的开关变换器，属于电力电子领域。技术背景目前典型的开关变换器采用全桥整流加电容的方式把输入交流电转变为直流电。这种 方式的功率因数约为0.6，具有较高的谐波分量，给电网带来很大污染。因此越来越多的地 区和国家要求变换器中加入功率因数校正功能，以降低开关变换器对电网的污染。传统的带 有功率因数校正的变换器多是两级方案，使用两个控制器， 一个用来控制储能电容上的电压 和输入电流，使输入电流跟随输入电压的变化，成正弦波；另一个用来控制变换器的输出电 压，使之保持恒定。这种变换器具有很高的功率因数和很好的输出特性，但结构复杂，成本 高，并且，功率经过两次处理，功率密度低。参见附图l:现有技术l 。近年来出现了结构较简单、成本低、功率密度高的单级功率因数校正(PFC)变换器， 它可同时实现对输入电流波形的校正和对输出电压的调整。这种变换器中，只有一个控制器 ，共用功率开关器件，所以具有较为简单的电路结构以及较低的成本。参见附图2:现有技 术2。但是这种电路的主要问题是1、 储能电容的电压受负载的影响，当电压超出电容的承受能力时，会发生元器件损毁 事故。2、 功率开关器件的电压应力大，开关损耗大，发热严重。
技术实现思路
本专利技术提出了一种简洁的电路架构，能够实现功率因数校正(PFC)功能，同时完成电 压变换的功能，并且储能电容的电压不超高，约等于传统的全桥整流滤波的输出电压，功率 开关器件可以工作在零电压(ZVS)和零电流(ZCS)开关状态，ZVS、 ZCS可使功率开关器件 的损耗减轻，发热减少，电磁干扰(EMI)下降，这些特点使本专利技术成为非常实用的电路架 构。为了实现上述目的，本专利技术包括二极管D1、 D2、 D9、 DIO，储能电容C5，电容C1、 C2 、C9、 C10与二极管D1、 D2、 D9、 D10并联，功率开关M1的源极与M2的漏极串联后连接于储能 电容C5两端，电容C8与电感Lpfc串联，再与变压器T串联，在这个串联支路中，电感Lpfc可 以由变压器T的漏感Lr代替，变压器T的输出绕组连接整流滤波器件或平衡网络，为负载提供适当的电压或电流，参见图3:本专利技术的第一实施例，Tal、 Tbl、 Tb2是变压器T的不同绕组 ，上述的电感Lpfc与变压器T、电容C8、 C6等元器件有多种连接方式，例如Lpfc与T并联后再 与C8串联；Lpfc只与C8串联，另外增加C6与变压器T串联；Lpfc与T并联后，再与C8、 C6串联 等等，参见本专利技术第二实施例、第三实施例、第四实施例、第五实施例、第六实施例、第七 实施例。熟悉本专业的人员在此思路的基础上还可做出多种电路变形，仍属于本专利技术的范畴 。这些变换器可以是单路输出，也可以是多路输出；可以提供直流输出，也可提供交流输出 ，也可两者并存。本专利技术的特点是上述的电容C8、 C6、电感Lpfc、变压器T形成的串并联网络，总有一 端与交流端(AC)相联。二极管D1、 D2、 D9、 D10直接参与电容C8、电容C6、变压器T、漏感 Lr、电感Lpfc的储能与放能过程，并非仅从直流端即储能电容C5，吸收能量。存储在电容 C8、 C6、漏感Lr、电感Lpfc的能量和变压器T的励磁能量， 一部分是在电容C8、 C6、 Lr、 Lpfc、 T之间循环， 一部分通过变压器T传递给负载，只有一小部分转存在电容C5里面，并且 电容C5在功率开关M1或M2导通时释放能量，因此C5的电压不变高。Dl、 D2、 D9、 D10工作于 开关状态，这样可以达到提高功率因数的效果。当C8、 C6、 Lpfc、变压器T构成的串并联网 络的参数适合时，Ml、 M2就可以工作在零电压(ZVS)和零电流(ZCS)开关状态。附图说明图l:现有技术l图2:现有技术2图3:本专利技术第一实施例电路图图4-l:工作状态l图4-2:工作状态2图4-3:工作状态3图4-4:工作状态4图5:本专利技术第一实施例关键点的电压、电流波形图6:本专利技术第二实施例电路图图7:本专利技术第三实施例电路图图8:本专利技术第四实施例电路图图9:本专利技术第五实施例电路图图10:本专利技术第六实施例电路图图ll:本专利技术第七实施例电路图图12:本专利技术第八实施例电路图 图13:本专利技术第九实施例电路图 图14:本专利技术第十实施例电路图 图15:本专利技术第十一实施例电路图 具体实施例方式图3本专利技术第一实施例。Tal、 Tbl、 Tb2是隔离变压器T不同绕组。Lr是这个变压器的漏 感，Lr寄生在变压器内部，也可使用外部独立电感。D7、 D8可以是外接的二极管，也可以是 Ml、 M2的体二极管。Ml、 M2可以是场效应管(Mos)，也可以是其它类型的功率器件，例如 三极管等。CO提供各个工作过程的高频通路。AC为输入交流电源。连接方法为二极管D1、 D2、 D9、 D10连接在交流输入端，电容C5用于存储能量。电容 Cl、 C2、 C9、 C10与二极管D1、 D2、 D9、 D10并联。Cl、 C2、 C9、 C10可减缓二极管D1、 D2、 D9、 D10的开关速度，降低了EMI噪声。功率开关M1的源极与M2的漏极串联后连接于储能电容 C5两端。电容C8与电感Lpfc串联，再与变压器T串联。在本例中，电感Lpfc的功能由漏感Lr 完成，节约一只PFC电感(Lpfc)。变压器T的输出绕组Tbl、 Tb2连接整流滤波器件或平衡网 络，为负载提供适当的电压或电流。Ml、 M2是Mos管，也可以是三极管等其它类型的开关器 件。整流二极管也可以采用同步整流的方式。变压器T的输出可以有多个绕组，输出不同电 压，满足不同负载的要求。为方便分析，本文中仅以单路输出举例。图4-l、图4-2、图4-3、图4-4指出了关键的工作过程，下面是具体分析AC正半周时工作状态l，图4-l:此状态中M2导通，Ml关断，AC侧电能通过电容C8、变压器的原边绕 组Tal及漏感Lr，经过功率开关M2、 二极管D2，完成储能和励磁过程。工作状态2，图4-2:此状态中M1、 M2均关断，绕组Tal和漏感Lr的能量通过D8、 D10转移 至C5，D8导通意味着M1可以零电压(ZVS)开通。工作状态3，图4-3:此状态中M2关断，Ml导通，Tal和Lr的储能通过Ml、 D10向C5转移 ，Lr的能量释放完毕后，电容C8通过D9、 Ml给Tal、 Lr反向励磁，同时储能电容C5通过M1 ，给 Tal、 Lr再次励磁。工作状态4，图4-4:此状态中M1、 M2均关断，绕组Tal和漏感Lr的储能通过C8、 D9、 D7转 移至C5， D7导通意味着M2可以零电压开通。 AC负半周时的工作过程与正半周时相似。 图5是本专利技术第一实施例关键点的电压、电流波形。1第一行I (AC)是输入电流的高频波形，忽略过零点附近的毛刺，可以看出其包络 线近似为正弦波形状，相位与输入电压一致。2第二行V (AC)和V (C5)是AC输入电压与储能电容C5电压的对比，可以看出储能 电容C5的电压近似等于输入电压的峰值电压，不存在超高电压现象。3第三行是功率开关M1、 M2的驱动波形，用不同的幅度表示，以便区分。4第四行I (D9)是整流桥中一只二极管的电流波形，可以看出流过整流桥的电流是 高频电流。5本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有较高功率因数的开关变换器，其特征是，二极管Ｄ１、Ｄ２、Ｄ９、Ｄ１０构成整流及续流电路；储能电容Ｃ５联接于上述整流及续流电路的输出端；电容Ｃ１、Ｃ２、Ｃ９、Ｃ１０与二极管Ｄ１、Ｄ２、Ｄ９、Ｄ１０并联；功率开关Ｍ１的源极与Ｍ２的漏极串联后连接于储能电容Ｃ５两端；电容Ｃ８、Ｃ６与电感Ｌｐｆｃ、变压器Ｔ构成ＬＣ网络，在这个电路中，电感Ｌｐｆｃ的功能可以由漏感Ｌｒ或变压器Ｔ完成，变压器Ｔ的输出绕组连接整流滤波器件或平衡网络，为负载提供适当的电压或电流。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：马丽娟，
申请(专利权)人：马丽娟，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]