專利名稱：基于llc串聯(lián)諧振的低電壓應力單級ac-dc變換器的制作方法
技術(shù)領域：
本實用新型涉及單級AC-DC變換器技術(shù)領域，具體涉及基于LLC串聯(lián)諧振的低電壓 應力單級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行反饋，對輸出電壓進行初調(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行細調(diào)，并且所有開關管均實現(xiàn) 軟開關。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)，減少了開關器件，簡化.
了電路的復雜性。 一般的單級AC-DC變換器通過調(diào)節(jié)一個開關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，但是開關管要承受比較高的電壓應力，不適用于寬輸入交 流電壓范圍的LCD電源。
實用新型內(nèi)容
本實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 低電壓應力單級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。本實用新型通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)
基于LLC串聯(lián)諧振的低電壓應力單級AC-DC變換器，其包括輸入濾波電路E，整流 橋G，電感Z，第一電容C，第二電容Cr，第三電容Co，第一開關管&，第二開關管&， 第一二扱管Am，第二二極管A)2和第三二極管D;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、第一開關管&、第三二極管Z)和第一電容C構(gòu)成升降壓電路；第
一二板管Am、第二二極管Do2和第三電容Co構(gòu)成輸出整流濾波電路；電感丄的一端與第 三二極管Z)的陰極、整流橋g的共陰極連接；電感Z的另一端與電容C的一端、第一開關管&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，再與第二開關管 &的源極連接；第一開關管&的源極與整流橋2的共陽極連接，然后再與第二開關管& 的漏極連接。
上述的基于LLC串聯(lián)諧振的低電壓應力單級AC-DC變換器，所述第一開關管&和第 二開關管&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)諧振的低電壓應力單級AC-DC變換器，所述第一開關管&、第 二開關管&、第一電容C、第二電容C。變壓器T以及漏感Z,和勵磁電感i^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管&。
上述的基于LLC串聯(lián)諧振的低電壓應力單級AC-DC變換器，第一開關管&的漏極、 電感丄的一端與第一電容C的一端連接；第一開關管&的源極、第二開關管&的漏極與 第二電容G的一端連接，然后再與整流橋0的共陽極連接；第二開關管&的源極、第一 電容C的另一端與漏感Z,的一端連接，然后再與第三二極管D的陽極連接；第二電容G 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管&的占空比使得電感Z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管的電壓應力 在安全工作范圍。該電路通過控制第一開關管&和第二開關管&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。本實用新型實現(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，可以降低開關管的電壓 應力，實現(xiàn)所有功率器件的軟開關，提高轉(zhuǎn)換效率。
與現(xiàn)有技術(shù)相比本實用新型具有如下優(yōu)點和效果本實用新型的基于LLC串聯(lián)諧振 的低電壓應力單級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、第一開關管&、第三二極管Z)和第一電容C構(gòu)成升降壓電路，當該電 路工作于降壓模式時第一電容C的端電壓低于輸入電壓J^的幅值，從而可以降低第一電 容C、第一開關管&和第二開關管&的電壓應力。第一開關管&和第二開關管&、第一 電容C和第二電容C,、變壓器T以及T集成的漏感"和勵磁電感Z^構(gòu)成LLC串聯(lián)諧振 逆變電路，實現(xiàn)所有開關管的軟開關。升降壓電路與LLC串聯(lián)諧振逆變電路共用開關管 &。本實用新型實現(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；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是本實用新型的基于LLC串聯(lián)諧振的低電壓應力單級AC-DC變換器實例圖； 圖4a 圖4i是實施方式中一個開關周期內(nèi)不同階段的工作過程圖5是本實用新型在一個開關周期內(nèi)的工作波形； 圖6是本實用新型在工頻模式下的主要波形；
具體實施方式
以下結(jié)合附圖對本實用新型的實施方式作進一步描述。
基于LLC串聯(lián)諧振的低電壓應力單級AC-DC變換器，包含
輸入濾波電路E，整流橋g，電感Z，電容C和Co，兩個開關管&和&， 二極管D、 /)01和/)02， Z^和d分別是開關管&集成的體二極管和體電容，D2和C2分別是開關管S2 集成的體二極管和體電容，i^和i^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、開關管&、 二極管"和電容C構(gòu)成升降壓電路；
開關管&和&、電容C和G、變壓器T以及T集成的漏感^和勵磁電感^構(gòu)成LLC 串聯(lián)諧振逆變電路；
二板管Am、 A32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、開關管&、 二極管D和電容C構(gòu)成升降壓電路。開關管&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 Am、 A)2和電容Co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、開關管&的漏極連接。電容C的另一端、二極管D的陽極、開關 管&的源極與漏感丄,的一端連接。開關管&的源極、&的漏極、電容G的一端與整流橋 2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，然后與輸出端負極連接。M同名端與二極管D01的陽極
連接。iV2異名端與二極管Do2的陽極連接。DcM的陰極與Do2的陰極連接，然后與輸出端
正極連接。i)i和d分別是開關管&集成的體二極管和體電容，/)2和C2分別是開關管& 集成的體二極管和體電容，￡,和i^分別是變壓器T集成的漏感和勵磁電感。
圖4a 圖4i給出了本實用新型的電路工作過程，圖5給出了本實用新型在一個開關周 期內(nèi)的工作波形，圖6給出本實用新型在工頻模式下的主要波形。(1)在一個開關周期內(nèi)的電路工作過程，圖4a 圖4i分別對應如下各個階段
階段l (to t。， to時刻開關管&和&關斷，電感；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Dm和Do2反偏截止，輸
出電容Co放電并給負載供電。諧振電流^對&的體電容C2充電，同時為&的體電容d
放電。當d放電結(jié)束時，&上的體二極管01導通，階段l工作狀態(tài)結(jié)束。
階段2 (t廣t2): ti時亥ij， &關斷，體二極管Di導通，為&的ZVS導通創(chuàng)造條件。此
時t^-^，電感4的反電動勢P^逐漸上升。12，時刻FZw="F0，此時輸出整流二極管Doj
導通，變壓器一次側(cè)電壓被鉗位在nFo，丄w在此電壓下線性充電，不參與諧振。當諧振電
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t2時刻，諧振電流&由負變正
時，&正向?qū)ǎ姼衂在輸入電壓F^下線性充電，輸出整流二極管Dw導通，變壓器
一次側(cè)電壓被鉗位在"Ko，丄M在此電壓下線性充電，不參與諧振，能量由電容C傳遞到
&。當/^等于諧振電流&時，階段3結(jié)束。
階段4 (t3~t4): t3時亥lj， /^等于諧振電流&， i^參與諧振，輸出整流二極管Do,反偏 截止，輸出電容Co放電并給負載供電。電感丄繼續(xù)在輸入電壓^B下線性充電。
階段5 (t4~t5): t4時亥U， &和&關斷，輸出整流二極管D(M和Do2反偏截止，輸出電 容Co放電并給負載供電，諧振電流^對體電容d充電，同時為體電容C2放電。電感丄
在電壓(^s-Fa)下充電。當C2放電結(jié)束時，&上的體二極管02導通，階段5工作狀態(tài)結(jié) 束。
階段6 (ts te): t5時刻，體二極管D2導通，為&的ZVS導通創(chuàng)造條件。電感丄在電 壓^c下放電并給電容C充電。此時^=^-/^，電感i^的反電動勢F^逐漸上升。V時刻 Rw=-"r0，此時輸出整流二極管Do2導通，變壓器一次側(cè)電壓被鉗位在-"Fo，丄附在此電壓 下反向線性充電，不參與諧振。當諧振電流^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t6時刻，諧振電流&由正變負
時，&正向?qū)?，輸出整流二極管Do2導通，變壓器一次側(cè)電壓被鉗位在-wFo，丄附在此電
壓下反向線性充電，不參與諧振，諧振電流流經(jīng)丄m和變壓器一次側(cè)，傳遞能量至Fo。電
感丄在電壓Fc下繼續(xù)放電并給儲能電容C/充電，當電感電流/i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Z'i下降到零時，D反偏截止，諧振電流繼續(xù)流經(jīng)丄M 和變壓器一次側(cè)，傳遞能量至Fo。當^ 等于諧振電流^時，階段8結(jié)束。階段9(ts t9): ts時亥lj， /^等于諧振電流&， Zw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K^下線性充電，電流的增量為-
其中A^是開關管&的導通占空比，r是開關周期。
t4 t5階段電感在輸入電壓(F,Fd)下線性充電，電流的增量為
△L = f —^
(1)
t5 t6階段電感在輸入電壓Fc下線性放電，電流的增量為
(2)
(3)
其中A w是電感丄放電的占空比。
當電路工作于電感電流k斷續(xù)模式時，有""+^2=1""1。由于t4 ts階段時間非常 短，此階段電流&的增量可以忽略，由此可得
F^的幅值等于電源^"的幅值，因此得
<formula>formula see original document page 7</formula>
由式(5)可知當"W",時， "'"；當"^v、"^y時，~、 。通過控制占空比
可以對電容C的端電壓進行初調(diào)，而且減小占空比Apw可以有效的控制電容C的端電壓低 于輸入電壓幅值，從而降低了開關管&和&的電壓應力。 (3)輸入功率因數(shù)校正原理
由于電感電流^斷續(xù)，在MOSFET管&的每個導通階段^電流峰值與這個導通階段 輸入電壓Fc^ (Fc^叫fg)的平均值成比例，又因為每個導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 頻率的基波和開關頻率分量，經(jīng)過Zh、 Gn濾波電路E得正弦輸入電流/^。
權(quán)利要求1、基于LLC串聯(lián)諧振的低電壓應力單級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)，第一開關管(S1)，第二開關管(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，再與第二開關管(S2)的源極連接；第一開關管(S1)的源極與整流橋(Q)的共陽極連接，然后再與第二開關管(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)諧振的低電壓應力單級AC-DC變換器，其特征在于，所述第一開關管(&)和第二開關管(&)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(丄M)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于LLC串聯(lián)諧振的低電壓應力單級AC-DC變換器，其 特征在于，第一開關管(&)、第二開關管(&)、第一電容(C)、第二電容(Cr)、變壓器(T)以及漏感(丄》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)諧振的低電壓應力單級AC-DC變換器，其 特征在于，第一開關管(&)的漏極、電感(丄)的一端與第一電容(C)的一端連接；第 一開關管(&)的源極、第二開關管(&)的漏極與第二電容(Cr)的一端連接，然后再 與整流橋(S)的共陽極連接；第二開關管(&)的源極、第一電容(C)的另一端與漏感ar)的一端連接，然后再與第三二極管(Z))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。
專利摘要本實用新型提供一種基于LLC串聯(lián)諧振的低電壓應力單級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，和由第一開關管(S<sub>1</sub>)、第二開關管(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。本實用新型實現(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，使用較少的開關管，效率高，成本低，可用作LCD電源。
文檔編號H02M7/155GK201345619SQ200920050529
公開日2009年11月11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