專利名稱：低噪聲的無橋單極隔離變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于降低無橋單級隔離變換器EMI (電磁干擾)噪聲
的方法。無橋單級變換器的意義是無輸入整流橋，完成現(xiàn)有技術(shù)的整流
功能，同時完成PFC (功率因數(shù)校正)和隔離變換電壓的功能。
背景技術(shù)：
近年來，出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)較簡單、成本低、功率密度高的無橋單極功率因
數(shù)校正(PFC)隔離變換器，它可同時實(shí)現(xiàn)對輸入電流波形的校正和對輸 出電壓的調(diào)整。這種變換器中無橋PFC電路具有簡單的電路結(jié)構(gòu)以及較高 的效率，但是電路卻有嚴(yán)重的EMI噪聲。目前這一噪聲問題還無法解決， 使無橋單極PFC隔離變換器只是停留在研究階段，還無法工業(yè)化。再加上 隔離變換器產(chǎn)生的EMI噪聲，使整個方案無法實(shí)用。
更傳統(tǒng)的帶有功率因數(shù)校正的隔離變換器多是兩級方案， 一般使用兩 個控制器， 一個用來控制儲能電容上的電壓和輸入電流，使之成正弦波， 另一個用來控制隔離變換器的輸出電壓，使之保持恒定。這種變換器具有 很高的功率因數(shù)和很好的輸出特性，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，并且，功率經(jīng) 過兩次處理，功率密度低。
現(xiàn)有技術(shù)1為中國專利200510134317.5公開的一種降低無橋PFC的 EMI噪聲的方法，參見圖1。這種方法以高頻旁路的方式工作，能夠減少 一部分進(jìn)入AC電源的干擾。但并未從根源上面處理EMI問題，即沒有處 理快速的電壓及電流變化?，F(xiàn)有技術(shù)2是一種簡潔的變換方式，參見圖2。但是電路沒有應(yīng)對快 速的電壓和電流變化的策略，使電路具有較大的EMI噪聲，還未達(dá)到實(shí)用 水平。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是，降低無橋單極隔離變換器的EMI噪聲，同時實(shí)現(xiàn) PFC功會g。解決EMI噪聲問題最根本的方法是降低電壓變化和電流變化的 速度。用于本發(fā)明的EMI降噪電路使用了額外的諧振電容，同時利用隔離 變換器的諧振狀態(tài)，去降低無橋PFC的干擾，使整體電路做到低EMI噪聲。 同時減少了開關(guān)的損耗，簡化了設(shè)計(jì)，降低成本。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明包括儲能電感(Lla、 Llb)、續(xù)流二極 管(Dl、 D2)、用于降低噪聲的電容(Cl、 C2)、儲能電容(C5)、功率開 關(guān)(Ml、 M2)構(gòu)成無橋PFC (功率因數(shù)校正)。
其特點(diǎn)是電容Cl和續(xù)流二極管Dl并聯(lián)，電容C2和續(xù)流二極管D2 并聯(lián)，Cl、 C2降低了D1、 D2的電壓變化率，從而降低EMI噪聲。
復(fù)用的功率開關(guān)(Ml、 M2)，諧振電容(C6)、隔離變壓器(Tl)、及 輸出的整流濾波器件，構(gòu)成隔離諧振變換器。
其特點(diǎn)是令隔離變換器工作在諧振狀態(tài)下，工作電流近似正弦波， 此正弦電流使M1、 M2零電壓開通，降低了M1、 M2的電壓變化率和電流 變化率，從而降低EMI噪聲。
上述兩個特點(diǎn)均從根本上解決EMI噪聲問題，使本發(fā)明實(shí)用化。

圖1:現(xiàn)有技術(shù)l
圖2:現(xiàn)有技術(shù)2
圖3:本發(fā)明第一實(shí)施例電路圖
圖4:工作狀態(tài)l
圖5:工作狀態(tài)2
圖6:工作狀態(tài)3
圖7:工作狀態(tài)4
圖8:無C1、 C2，非諧振隔離變換器多點(diǎn)波形
圖9: Cl、 C2為ln時，諧振的隔離變換器多點(diǎn)波形 圖10: Cl、 C2為20n時，諧振的隔離變換器多點(diǎn)波形 圖lh本發(fā)明第二實(shí)施例電路圖
具體實(shí)施方式
圖3本發(fā)明第一實(shí)施例，左虛線框?yàn)闊o橋PFC部分，右虛線框?yàn)楦綦x 諧振變換器部分。2點(diǎn)和d點(diǎn)為電壓波形V (D2: 2)和V (M2: d)的測 試點(diǎn)。Lla、 Llb可以是同一電感器的兩個繞組，也可以是兩個獨(dú)立的電感 器。Tla、 Tlb是同一變壓器的兩個繞組。D7、 D8可以是外接的二極管， 也可以是M1、 M2的體二極管。Ml、 M2可以是Mos (場效應(yīng)管)，也可 以是其它類型的功率器件，例如三極管等。CO提供各個工作過程的高頻通 路。AC為輸入交流電源。
無橋PFC部分的連接方法為Lla、 Lib的一端連接輸入的交流電AC。 電容Cl與二極管Dl并聯(lián)，電容C2與二極管D2并聯(lián)，二極管Dl、 D2串聯(lián)，中點(diǎn)連接電感Lla的另一端。開關(guān)管M1、 M2串聯(lián)，中點(diǎn)連接電感 Lib的另一端。Dl的陰極與M1的漏極相連，再連接C5的正極；D2的陽 極與M2的源極相連，再連接C5的負(fù)極。
隔離諧振變換器的連接方法為諧振電容C6與諧振電感Lr串聯(lián)，再 與變壓器Tl串聯(lián)，最后聯(lián)接到C5的兩端。變壓器Tl的副邊繞組Tlb聯(lián) 接整流二極管，經(jīng)過濾波電容后聯(lián)接負(fù)載。如果負(fù)載不需整流或?yàn)V波，也 可省略此過程。
圖3至圖6指出了關(guān)鍵的工作過程，下面是具體分析
AC正半周時
工作狀態(tài)l，圖4:此狀態(tài)中M1導(dǎo)通，M2關(guān)斷，AC通過電感Lla， Llb中的電流上升，完成電感儲能。Ml導(dǎo)通時，電容C5通過Lla， Lib 向C2充電；同時C1通過D2對C5放電。充電和放電的周期為
2n V (Lla+Llb) X (Cl+C2)。 因?yàn)镃l同Dl并聯(lián)，C2同D2并 聯(lián)，即D1、 D2的電壓按C1、 C2的放電和充電的周期變化。因(Cl+C2) 的存在，使得Dl、 D2的電壓變化率大大降低，由其引起的EMI噪聲被大 大降低。
工作狀態(tài)2，圖5:此狀態(tài)中M1、 M2均關(guān)斷。電感Lla， Lib的儲能 通過D1、 D7向C5釋放。
工作狀態(tài)3，圖6:此狀態(tài)中M1關(guān)斷，M2導(dǎo)通，電感Lla， Lib的儲 能通過D1、 M2向C5釋放。電容C5在M2導(dǎo)通時，通過Lla， Lib向Cl 充電；同時C2通過D1對C5放電。充電和放電的周期為
2n V (Lla+Llb) X (Cl+C2)。 因?yàn)镃l同Dl并聯(lián)，C2同D2并聯(lián)， 即Dl、 D2的電壓按Cl、 C2的放電和充電的周期變化。結(jié)果是Dl、 D2的電壓變化率降低。由其引起的EMI噪聲被大大降低。
工作狀態(tài)4，圖7:此狀態(tài)中M1、 M2均關(guān)斷。如果電感Lla， Lib的 儲能沒有完全釋放，則繼續(xù)通過D1、 D7向C5釋放。
可以看出，在工作狀態(tài)1到工作狀態(tài)4中，Cl、 C2存儲的電能是在電 路中循環(huán)，理論上沒有損耗。
AC負(fù)半周時，工作過程與此類似。
獨(dú)立的諧振變換器的原理在許多文章里面均有論述。這里我們引用其 結(jié)論電路的工作電流接近正弦波，Ml、 M2工作在零電壓導(dǎo)通模式。這 樣的特點(diǎn)利用于PFC時，恰好解決了現(xiàn)有無橋PFC的技術(shù)難點(diǎn)，即降低了 Ml、 M2引起的EMI噪聲。降低EMI噪聲的原理為
專業(yè)人員均了解，高的電壓變化率和高的電流變化率會產(chǎn)生強(qiáng)EMI噪 聲，低的電壓變化率和低的電流變化率產(chǎn)生弱EMI噪聲。
諧振變換器的電流接近正弦形狀，參見圖91(Tla)和圖10的I(Tla)， 不僅本身的干擾小，而且在M1， M2的驅(qū)動信號到來之前，此電流已經(jīng)流 過M1或M2，使之工作于零電壓導(dǎo)通模式，降低了M1、 M2在導(dǎo)通時的 電壓變化率和電流變化率，降低了M1、 M2引起的EMI噪聲。即諧振變換 器可以降低無橋PFC的EMI噪聲。作為比較，圖8 I (Tla)給出非諧振 狀態(tài)的Tla電流。此時的電流無法使M1、 M2工作在零電壓導(dǎo)通狀態(tài)。圖 91 (Tla)和圖10的I (Tla)是諧振狀態(tài)的電流波形，近似正弦波，其負(fù) 電流可使M1、 M2工作在零電壓導(dǎo)通狀態(tài)，從而降低EMI噪聲。如果需要 進(jìn)一步降低M1、 M2的干擾，可以在M1、 M2的漏極和源級各并聯(lián)電容器 C3、 C4，此電容器可改變M1、 M2的電壓變化率和電流變化率，進(jìn)一步降 低EMI噪聲。參見圖ll，本發(fā)明第二實(shí)施例。另一方面，由于C1、 C2的加入，使D1、 D2的上升沿、下降沿按照 (Lla+Llb)與(Cl+C2)的諧振頻率轉(zhuǎn)化，諧振周期為 2n V (Lla+Llb) X (Cl+C2)。并且(Lla+Llb)與(Cl+C2)之間進(jìn)行 的是無損失的能量交換，所以C1、C2的取值范圍寬松。首先參看圖8的V (D2: 2)，這是電路中沒有C1、 C2的電壓波形?？梢钥闯鲭娐分袥]有 Cl、 C2時，Dl、 D2的電壓變化率很高。當(dāng)加入了較小的電容C1、 C2時 二極管Dl、 D2在導(dǎo)通和關(guān)斷時刻的電壓變化率變低了 ，參見圖9 V (D2: 2);當(dāng)加入了較大的C1、 C2時使D1、 D2的電壓變化降低到了 AC的 頻率，參見圖10 V (D2: 2)。圖9 V (D2: 2)和圖10 V (D2: 2) 兩種情況均可降低EMI噪聲，后者效果更好。由此可見，Cl、 C2與D1、 D2并聯(lián)從根源上解決二極管引起的EMI噪聲問題。
圖8是無C1、 C2且非諧振的隔離變換器的多點(diǎn)波形，簡述如下 V (D2: 2)是下側(cè)續(xù)流二極管的電壓波形，其上升沿、下降沿陡峭， 并有較多毛刺；
I (Tla)是變壓器原邊電流，呈現(xiàn)三角波形狀，有較大毛剌，電流峰 值較高；
Id (Ml)是上側(cè)開關(guān)管的電流波形，開通瞬間的毛刺很明顯； Id (M2)是下側(cè)開關(guān)管的電流波形，開通瞬間的毛剌很明顯，并且峰 值電流較大；
Vd (M2: d)是下側(cè)開關(guān)管的電壓波形，為比較整齊的矩形波； I (VI)是AC的輸入電流，呈現(xiàn)三角波形狀。 可以看出上述多處存在快速的電壓轉(zhuǎn)換，會引起較大的EMI噪聲。 圖9是C1、 C2為ln時，諧振的隔離變換器多點(diǎn)波形，簡述如下V (D2: 2)是下側(cè)續(xù)流二極管的電壓波形，其上升沿、下降沿按照
2n V (Lla+Llb) X (Cl+C2)的時間轉(zhuǎn)化，變?yōu)榫徛男螒B(tài)。波形干凈， 無毛刺，減少了發(fā)生高速電壓變化的次數(shù)，這將減小EMI噪聲；
I (Tla)是變壓器原邊電流，呈現(xiàn)近似正弦波的形狀，無毛刺，電流 峰值適中；
Id (Ml)是上側(cè)開關(guān)管的電流波形，電流變化有緩慢的趨勢；
Id (M2)是下側(cè)開關(guān)管的電流波形，電流變化有緩慢的趨勢；
Vd (M2: d)是下側(cè)開關(guān)管的電壓波形，為比較整齊的矩形波；
I (VI)是AC的輸入電流，為圓頂三角波形狀。
圖10是C1、 C2為20n時，諧振的隔離變換器多點(diǎn)波形，簡述如下
V (D2: 2)是下側(cè)續(xù)流二極管的電壓波形，由于C1、 C2足夠大，諧 振的周期2nV (Lla+Llb) X (Cl+C2)變得更長，使D1、 D2的電壓跟 隨了輸入交流點(diǎn)的變化，EMI噪聲將更低；
I (Tla)是變壓器原邊電流，呈現(xiàn)近似正弦波的形狀，無毛刺，電流 峰值適中；
Id (Ml)是上側(cè)開關(guān)管的電流波形，電流的變化率有減小的趨勢。有 一點(diǎn)負(fù)電流，這樣可保證M1的零電壓開通，降低電壓變化率，降低了EMI 噪聲；
Id (M2)是下側(cè)開關(guān)管的電流波形，電流的變化率有減小的趨勢。有 一點(diǎn)負(fù)電流，這樣可保證M2的零電壓開通，降低電壓變化率，降低了 EMI 噪聲；
Vd (M2: d)是下側(cè)開關(guān)管的電壓波形，為比較整齊的矩形波； I (VI)是AC的輸入電流，為三角波形狀?？梢钥闯觯瑘D9和圖10中，毛刺明顯減少，電壓的快速變化減少，由 其引起的EMI噪聲必然減小。
圖11是本發(fā)明的第二實(shí)施例，左虛線框?yàn)闊o橋PFC部分，右虛線框 為隔離諧振變換器部分。Tla、 Tlb、 Tlc是同一變壓器的不同繞組。D7、 D8可以是外接的二極管，也可以是M1、 M2的體二極管。Ml、 M2可以 是Mos (場效應(yīng)管)，也可以是其它類型的功率器件，例如三極管等。并聯(lián) 與M1、 M2的C3、 C4可進(jìn)一步降低EMI噪聲。
通過以上分析可得出結(jié)論Cl、 C2降低了D1、 D2的電壓變化率，諧 振變換器降低了M1、 M2的電壓變化率和電流變化率，從而使整個電路做 到低EMI噪聲。本發(fā)明具有電路簡潔，成本低，EMI噪聲小，效率高等優(yōu) 勢，具有廣闊的應(yīng)用前景。
以上僅是對某個特定實(shí)施例具體介紹，并非對本發(fā)明做任何形式的限 制，任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員，均可利用上述方法及內(nèi)容做出多種更改、 變換，仍屬本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種低噪聲無橋單級隔離變換器，其特征是儲能電感L1a、L1b、續(xù)流二極管D1、D2、用于降低噪聲的電容C1、C2、儲能電容C5、功率開關(guān)M1、M2構(gòu)成無橋PFC功率因數(shù)校正，復(fù)用的功率開關(guān)M1、M2、諧振電容C6、隔離變壓器T1、及輸出的整流濾波器件構(gòu)成隔離諧振變換器。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的低噪聲無橋單級隔離變換器，其特征 是降低噪聲的電容Cl和續(xù)流二極管Dl并聯(lián)，降低噪聲的電容C2和 續(xù)流二極管D2并聯(lián)，Cl、 C2降低了D1、 D2的電壓變化率，從而降 低EMI噪聲。
專利摘要本實(shí)用新型是一種低噪聲的無橋單極隔離變換器，這種隔離變換器包括儲能電感(L1a、L1b)、續(xù)流二極管(D1、D2)、用于降低噪聲的電容(C1、C2)、功率開關(guān)(M1、M2)、諧振電容(C6)、儲能電容(C5)、隔離變壓器(T1)、及輸出的整流濾波器件。其特點(diǎn)是電容C1和續(xù)流二極管D1并聯(lián)，電容C2和續(xù)流二極管D2并聯(lián)，C1、C2降低了D1、D2的電壓變化率，從而降低噪聲；隔離變換器工作在諧振狀態(tài)下，恰好彌補(bǔ)了無橋PFC的不足，即諧振電流降低了M1、M2的電壓變化率和電流變化率，降低了M1、M2的開關(guān)噪聲，從而使整體電路做到低噪聲。上述兩個特點(diǎn)均從根源上降低了EMI，使本實(shí)用新型實(shí)用化。
文檔編號H02M1/12GK201146458SQ20072017632
公開日2008年11月5日 申請日期2007年9月7日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月7日
發(fā)明者馬麗娟 申請人:馬麗娟