專利名稱:基于llc串聯(lián)諧振的低電壓應(yīng)力單級ac-dc變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及單級AC-DC變換器技術(shù)領(lǐng)域,具體涉及基于LLC串聯(lián)諧振的低電壓應(yīng)力 單級AC-DC變換器。
背景技術(shù):
目前LCD電源廣泛采用基于LLC串聯(lián)諧振的兩級AC-DC變換器,如圖1所示。在 這種方案中,變換器分為兩個獨(dú)立的功率傳輸級。第一級是功率因數(shù)校正級,通過特定的 控制策略使得輸入電流跟隨輸入電壓波形,使得輸入電流正弦化,提高功率因數(shù),減少諧 波含量。同時控制電路還對輸出電壓進(jìn)行反饋,對輸出電壓進(jìn)行初調(diào)。第二級是基于LLC 串聯(lián)諧振的DC-DC變換級,第二級對第一級輸出電壓進(jìn)行細(xì)調(diào),并且所有開關(guān)管均實現(xiàn) 軟開關(guān)。兩級AC-DC變換器可以獲得良好的電氣性能,如高功率因數(shù)、良好的電壓調(diào)節(jié) 性能等。但是電路的元件數(shù)多,增加了成本和電路復(fù)雜性。
為降低兩級AC-DC變換器的成本,近年來提出了多種單級AC-DC變換器。單級AC-DC 變換器將功率因數(shù)校正級和DC-DC變換級結(jié)合成一級,共用開關(guān)管,如圖2所示的基于 LLC串聯(lián)諧振的單級AC-DC變換器。單級型AC-DC變換器在實現(xiàn)功率因數(shù)校正的同時, 不用增加功率開關(guān)器件數(shù)和控制電路就能實現(xiàn)輸出電壓快速調(diào)節(jié),減少了開關(guān)器件,簡化 了電路的復(fù)雜性。 一般的單級AC-DC變換器通過調(diào)節(jié)一個開關(guān)變量就可以同時實現(xiàn)功率 因數(shù)校正和輸出電壓調(diào)節(jié)功能,但是開關(guān)管要承受比較高的電壓應(yīng)力,不適用于寬輸入交 流電壓范圍的LCD電源。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足,提供一種基于LLC串聯(lián)諧振的低電 壓應(yīng)力單級AC-DC變換器,其由升降壓變換級和基于LLC串聯(lián)諧振的DC-DC變換級結(jié) 合而得。本發(fā)明通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)
基于LLC串聯(lián)諧振的低電壓應(yīng)力單級AC-DC變換器,其包括輸入濾波電路E,整流 橋g,電感丄,第一電容C,第二電容Cr,第三電容Co,第一開關(guān)管&,第二開關(guān)管&, 第一二扱管Am,第二二極管A)2和第三二極管A輸入濾波電路E與整流橋g構(gòu)成輸入 整流濾波電路;電感L、第一開關(guān)管&、第三二極管Z)和第一電容C構(gòu)成升降壓電路;第
一二極管A)"第二二極管A)2和第三電容Co構(gòu)成輸出整流濾波電路;電感Z的一端與第 三二極管D的陰極、整流橋Q的共陰極連接;電感丄的另一端與電容C的一端、第一開
3關(guān)管&的漏極連接;第一電容C的另一端與第三二極管"的陽極連接,再與第二開關(guān)管 &的源極連接;第一開關(guān)管&的源極與整流橋2的共陽極連接,然后再與第二開關(guān)管& 的漏極連接。
上述的基于LLC串聯(lián)諧振的低電壓應(yīng)力單級AC-DC變換器,所述第一開關(guān)管&和第 二開關(guān)管&均集成有體二極管和體電容;變壓器T集成有漏感^和勵磁電感Zw。
上述的基于LLC串聯(lián)諧振的低電壓應(yīng)力單級AC-DC變換器,所述第一開關(guān)管&、第 二開關(guān)管&、第一電容C、第二電容Cr、變壓器T以及漏感^和勵磁電感丄n,構(gòu)成LLC串 聯(lián)諧振逆變電路;升降壓電路與LLC串聯(lián)諧振逆變電路共用第一開關(guān)管&。
上述的基于LLC串聯(lián)諧振的低電壓應(yīng)力單級AC-DC變換器,第一開關(guān)管&的漏極、 電感丄的一端與第一電容C的一端連接;第一開關(guān)管&的源極、第二開關(guān)管&的漏極與 第二電容Cr的一端連接,然后再與整流橋0的共陽極連接;第二開關(guān)管&的源極、第一 電容C的另一端與漏感"的一端連接,然后再與第三二極管"的陽極連接;第二電容Cr 的另 一端與變壓器T的同名端連接。
該電路通過控制第一開關(guān)管&的占空比使得電感£的電流不連續(xù)工作從而實現(xiàn)自動功 率因數(shù)校正的功能,同時實現(xiàn)第一電容C的端電壓升壓或降壓從而限制開關(guān)管的電壓應(yīng)力 在安全工作范圍。該電路通過控制第一開關(guān)管&和第二開關(guān)管&的切換頻率來調(diào)節(jié)輸出電 壓。該電路采用LLC串聯(lián)諧振技術(shù)實現(xiàn)所有功率器件的軟開關(guān)。本發(fā)明實現(xiàn)輸入功率因數(shù) 校正,提高輸出電壓的調(diào)節(jié)范圍以及輸入交流電壓適用范圍,可以降低開關(guān)管的電壓應(yīng)力, 實現(xiàn)所有功率器件的軟開關(guān),提高轉(zhuǎn)換效率。
與現(xiàn)有技術(shù)相比本發(fā)明具有如下優(yōu)點和效果本發(fā)明的基于LLC串聯(lián)諧振的低電壓 應(yīng)力單級AC-DC變換器以電感丄的電流不連續(xù)工作模式實現(xiàn)自動功率因數(shù)校正的功能。 以電感L、第一開關(guān)管&、第三二極管D和第一電容C構(gòu)成升降壓電路,當(dāng)該電路工作于 降壓模式時第一電容C的端電壓低于輸入電壓^的幅值,從而可以降低第一電容C、第 一開關(guān)管&和第二開關(guān)管&的電壓應(yīng)力。第一開關(guān)管&和第二開關(guān)管&、第一電容C和 第二電容G、變壓器T以及T集成的漏感i^和勵磁電感i^構(gòu)成LLC串聯(lián)諧振逆變電路, 實現(xiàn)所有開關(guān)管的軟開關(guān)。升降壓電路與LLC串聯(lián)諧振逆變電路共用開關(guān)管&。本發(fā)明實 現(xiàn)輸入功率因數(shù)校正,并實現(xiàn)升壓和降壓功能,具有寬輸出電壓調(diào)節(jié)范圍,使用較少的開 關(guān)管,效率高,成本低,可用作LCD電源。
圖1是現(xiàn)有的基于LLC串聯(lián)諧振的兩級AC-DC變換器;
4圖2是現(xiàn)有的基于LLC串聯(lián)諧振的單級AC-DC變換器; 圖3是本發(fā)明的基于LLC串聯(lián)諧振的低電壓應(yīng)力單級AC-DC變換器實例圖; 圖4a 圖4i是實施方式中一個開關(guān)周期內(nèi)不同階段的工作過程圖; 圖5是本發(fā)明在一個開關(guān)周期內(nèi)的工作波形; 圖6是本發(fā)明在工頻模式下的主要波形;
具體實施例方式
以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施方式作進(jìn)一步描述。
基于LLC串聯(lián)諧振的低電壓應(yīng)力單級AC-DC變換器,包含
輸入濾波電路E,整流橋g,電感丄,電容C和Co,兩個開關(guān)管&和&, 二極管Z)、 Am和"02, A和d分別是開關(guān)管&集成的體二極管和體電容,D2和C2分別是開關(guān)管& 集成的體二極管和體電容,"和£ 分別是變壓器T集成的漏感和勵磁電感;
輸入濾波電路E與整流橋g構(gòu)成輸入整流濾波電路;
電感L、開關(guān)管&、 二極管Z)和電容C構(gòu)成升降壓電路;
開關(guān)管&和&、電容C和C,、變壓器T以及T集成的漏感"和勵磁電感i^構(gòu)成LLC 串聯(lián)諧振逆變電路;
二極管A^、 A)2和電容Co構(gòu)成輸出整流濾波電路。
參考圖3,輸入交流電源通過濾波電路E和整流橋Q給AB端供電,AB端電壓為正 弦半波。電感L、開關(guān)管&、 二極管Z)和電容C構(gòu)成升降壓電路。開關(guān)管&和&、電容C 和G、變壓器T以及T集成的漏感"和勵磁電感4構(gòu)成LLC串聯(lián)諧振逆變電路。二極管 D01、 Z)o2和電容Q)構(gòu)成輸出整流濾波電路。升降壓電路與LLC串聯(lián)諧振逆變電路共用開 關(guān)管&。電感丄的一端與二極管D的陰極、整流橋2的共陰極連接(A端)。電感£的另 一端與電容C的一端、開關(guān)管&的漏極連接。電容C的另一端、二極管D的陽極、開關(guān) 管&的源極與漏感^的一端連接。開關(guān)管&的源極、&的漏極、電容G的一端與整流橋 g的共陽極(B端)連接。電容G的另一端與變壓器T的同名端連接。變壓器T的二次側(cè)
繞組M異名端與iV2同名端連接,然后與輸出端負(fù)極連接。M同名端與二極管DcM的陽極 連接。iV2異名端與二極管Do2的陽極連接。D(m的陰極與Do2的陰極連接,然后與輸出端
正極連接。A和Q分別是開關(guān)管&集成的體二極管和體電容,£>2和<:2分別是開關(guān)管& 集成的體二極管和體電容,i^和丄M分別是變壓器T集成的漏感和勵磁電感。
圖4a 圖4i給出了本發(fā)明的電路工作過程,圖5給出了本發(fā)明在一個開關(guān)周期內(nèi)的工 作波形,圖6給出本發(fā)明在工頻模式下的主要波形。(1)在一個開關(guān)周期內(nèi)的電路工作過程,圖4a 圖4i分別對應(yīng)如下各個階段
階段l (to h), to時刻開關(guān)管&和&關(guān)斷,電感L的電流^與諧振電流&相等,
變壓器一次側(cè)電流^為零,輸出被變壓器隔離,輸出整流二極管D^和Do2反偏截止,輸 出電容C0放電并給負(fù)載供電。諧振電流&對&的體電容C2充電,同時為&的體電容d 放電。當(dāng)d放電結(jié)束時,&上的體二極管01導(dǎo)通,階段l工作狀態(tài)結(jié)束。
階段2 (t廣t2): t!時亥U, &關(guān)斷,體二極管D!導(dǎo)通,為&的ZVS導(dǎo)通創(chuàng)造條件。此
時^H,電感4的反電動勢F^逐漸上升。t2,時刻FiW=wr0,此時輸出整流二極管Doj
導(dǎo)通,變壓器一次側(cè)電壓被鉗位在"&, i^在此電壓下線性充電,不參與諧振。當(dāng)諧振電
流&上升至0時,階段2工作狀態(tài)結(jié)束。
階段3 (t2~t3): &在階段2時已加上門極驅(qū)動信號,在12時刻,諧振電流^由負(fù)變正
時,&正向?qū)ǎ姼衼A在輸入電壓^S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"Fo, An在此電壓下線性充電,不參與諧振,能量由電容C傳遞到
Fo。當(dāng)/ta等于諧振電流&時,階段3結(jié)束。
階段4 (t3~t4): t3時亥lj, Z^等于諧振電流&, i^參與諧振,輸出整流二極管Dw反偏
截止,輸出電容Co放電并給負(fù)載供電。電感丄繼續(xù)在輸入電壓^s下線性充電。
階段5 (t4~t5): U時刻,&和&關(guān)斷,輸出整流二極管D(M和Do2反偏截止,輸出電
容Co放電并給負(fù)載供電,諧振電流&對體電容G充電,同時為體電容C2放電。電感i:
在電壓(^S-^:i)下充電。當(dāng)Qt放電結(jié)束時,S2上的體二極管D2導(dǎo)通,階段5工作狀態(tài)結(jié)束。
階段6 (t5~t6): t5時刻,體二極管D2導(dǎo)通,為&的ZVS導(dǎo)通創(chuàng)造條件。電感丄在電
壓Fc下放電并給電容C充電。此時^=&"^,電感丄M的反電動勢Fto逐漸上升。V時刻 FL^-n&,此時輸出整流二極管Do2導(dǎo)通,變壓器一次側(cè)電壓被鉗位在-nFo, i^在此電壓 下反向線性充電,不參與諧振。當(dāng)諧振電流&下降至0時,階段6工作狀態(tài)結(jié)束。
階段7(t6 t7): &在階段6時已加上門極驅(qū)動信號,在te時刻,諧振電流&由正變負(fù)
時,&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-"Fo,丄m在此電 壓下反向線性充電,不參與諧振,諧振電流流經(jīng)4和變壓器一次側(cè),傳遞能量至Fo。電 感丄在電壓rc下繼續(xù)放電并給儲能電容C/充電,當(dāng)電感電流&下降到零時,D反偏截止, 階段7結(jié)束。
階段8 (t7~t8): t7時刻,電感電流/i下降到零時,D反偏截止,諧振電流繼續(xù)流經(jīng)Zw
和變壓器一次側(cè),傳遞能量至Fo。當(dāng)i^等于諧振電流z;時,階段8結(jié)束。階段9(ts t9): ts時亥U, ^等于諧振電流&,丄附參與諧振,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)升降壓變換級的工作原理 t2 t4階段電感在輸入電壓F^下線性充電,電流的增量為
其中/),是開關(guān)管&的導(dǎo)通占空比,r是開關(guān)周期。
t4 t5階段電感在輸入電壓(^s-ra)下線性充電,電流的增量為:
△〔2 = f ^_FC"
(1)
t5 t6階段電感在輸入電壓Fc下線性放電,電流的增量為
「c &
(2)
(3)
其中Do^是電感丄放電的占空比。
當(dāng)電路工作于電感電流^斷續(xù)模式時,有""+A^-l""l。由于t4~t5階段時間非常
短,此階段電流/i的增量可以忽略,由此可得
^s的幅值等于電源K"的幅值,因此得
r朋 "OfF
(4)
KD, (5)
由式(5)可知當(dāng)Aw〉D,時,當(dāng)A^〈Z^^時,&<^。通過控制占空比
可以對電容C的端電壓進(jìn)行初調(diào),而且減小占空比Z)ow可以有效的控制電容C的端電壓低 于輸入電壓幅值,從而降低了開關(guān)管&和&的電壓應(yīng)力。 (3)輸入功率因數(shù)校正原理
由于電感電流/i斷續(xù),在MOSFET管&的每個導(dǎo)通階段&電流峰值與這個導(dǎo)通階段 輸入電壓Fc^ (Fc^叫F,"l)的平均值成比例,又因為每個導(dǎo)通階段的電壓平均值是正弦變 化的,所以輸入電流的峰值也是正弦變化的。而且電感電流脈沖總是從零開始,所以它們 的平均值也是正弦變化的,如圖6所示。所有交流電流脈沖組成了波形包含了 50或60Hz 頻率的基波和開關(guān)頻率分量,經(jīng)過丄in、 Cin濾波電路E得正弦輸入電流/丄, 。
權(quán)利要求
1、基于LLC串聯(lián)諧振的低電壓應(yīng)力單級AC-DC變換器,其特征在于包括輸入濾波電路(E),整流橋(Q),電感(L),第一電容(C),第二電容(Cr),第三電容(CO),第一開關(guān)管(S1),第二開關(guān)管(S2),第一二極管(DO1),第二二極管(DO2)和第三二極管(D);輸入濾波電路(E)與整流橋(Q)構(gòu)成輸入整流濾波電路;電感(L)、第一開關(guān)管(S1)、第三二極管(D)和第一電容(C)構(gòu)成升降壓電路;第一二極管(DO1)、第二二極管(DO2)和第三電容(CO)構(gòu)成輸出整流濾波電路;電感(L)的一端與第三二極管(D)的陰極、整流橋(Q)的共陰極連接;電感(L)的另一端與電容(C)的一端、第一開關(guān)管(S1)的漏極連接;第一電容(C)的另一端與第三二極管(D)的陽極連接,再與第二開關(guān)管(S2)的源極連接;第一開關(guān)管(S1)的源極與整流橋(Q)的共陽極連接,然后再與第二開關(guān)管(S2)的漏極連接。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于LLC串聯(lián)諧振的低電壓應(yīng)力單級AC-DC變換器,其 特征在于,所述第一開關(guān)管(&)和第二開關(guān)管(&)均集成有體二極管和體電容;變壓器(T)集成有漏感(丄,)和勵磁電感ara)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于LLC串聯(lián)諧振的低電壓應(yīng)力單級AC-DC變換器,其 特征在于,第一開關(guān)管(&)、第二開關(guān)管(&)、第一電容(C)、第二電容(Cr)、變壓器(T)以及漏感(£》和勵磁電感aw)構(gòu)成LLC串聯(lián)諧振逆變電路;升降壓電路與LLC 串聯(lián)諧振逆變電路共用第一開關(guān)管(&)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于LLC串聯(lián)諧振的低電壓應(yīng)力單級AC-DC變換器,其 特征在于,第一開關(guān)管(&)的漏極、電感")的一端與第一電容(C)的一端連接;第 一開關(guān)管(&)的源極、第二開關(guān)管(&)的漏極與第二電容(Cr)的一端連接,然后再 與整流橋(2)的共陽極連接;第二開關(guān)管(&)的源極、第一電容(C)的另一端與漏感a》的一端連接,然后再與第三二極管(D)的陽極連接;第二電容(Cr)的另一端與變壓器(T)的同名端連接。
全文摘要
本發(fā)明提供一種基于LLC串聯(lián)諧振的低電壓應(yīng)力單級AC-DC變換器,包括由輸入濾波電路(E)與整流橋(Q)構(gòu)成的輸入整流濾波電路,由電感(L)、第一開關(guān)管(S<sub>1</sub>)、第三二極管(D)和第一電容(C)構(gòu)成的升降壓電路,由第一二極管(D<sub>O1</sub>)、第二二極管(D<sub>O2</sub>)和第三電容(C<sub>O</sub>)構(gòu)成的輸出整流濾波電路,和由第一開關(guān)管(S<sub>1</sub>)、第二開關(guān)管(S<sub>2</sub>)、第一電容(C)、第二電容(C<sub>r</sub>)、變壓器(T)以及漏感(L<sub>r</sub>)和勵磁電感(L<sub>m</sub>)構(gòu)成的LLC串聯(lián)諧振逆變電路。本發(fā)明實現(xiàn)輸入功率因數(shù)校正,并實現(xiàn)升壓和降壓功能,具有寬輸出電壓調(diào)節(jié)范圍,使用較少的開關(guān)管,效率高,成本低,可用作LCD電源。
文檔編號H02M7/21GK101505107SQ20091003683
公開日2009年8月12日 申請日期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 申請人:華南理工大學(xué)