专利名称：基于llc串联谐振的单级单相ac-dc变换器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及AC-DC变换器，尤其涉及一种实现功率因数校正和软开关的 单级单相AC-DC变换器。
背景技术：
具有隔离变压器的单相AC-DC变换器已广泛应用于LCD和LED等电源中。传 统的单相AC-DC变换器在输入整流桥后直接接储能大电容，导致变换器功率因数 低、输入电流谐波大，并且对电网造成污染。为了减小单相AC-DC变换器的输入 电流谐波，提高输入功率因数，减小变换器对电网的污染， 一般在整流桥后加入一 级有源功率因数校正环节。当单相AC-DC变换器需要隔离时，还要在有源功率因 数校正环节后加入一级带隔离变压器的DC-DC变换器。因此，传统的具有隔离变 压器的单相AC-DC变换器一般由输入整流桥、有源功率因数校正环节、带隔离变 压器的DC-DC变换器组合而成，如图1所示，整个单相AC-DC变换器使用的功率 管较多，而且经过多级变换，造成较大的功率损耗，特别是开关损耗。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服现有技术存在的上述不足，提供一种基于LLC串联 谐振的单级单相AC-DC变换器，将输入整流桥、有源功率因数校正环节和裙隔离 变压器的DC-DC变换器集成，即将这三个变换环节的二极管和开关管集成，从而 构成新的单级AC-DC变换器，同时采用LLC串联谐振回路实现所有功率器件的软 开关。本实用新型通过如下技术方案实现
基于LLC串联谐振的单级单相AC-DC变换器，其包括一个单相PFC环节、一 个LLC串联谐振DC-DC变换器环节和输出滤波电容Cc，所述单相PFC环节由一 个输入电感L、第一二极管Di和第二二极管D2、第一MOS管&和第二MOS管S2 和一个储能电容Cd构成；所述LLC串联谐振DC-DC变换器环节由上述两个MOS 管&、 &、 一个谐振电容C" 一个变压器T、输出整流二极管之一D(M、输出整流 二极管之二 Do2及集成在所述变压器T中的励磁电感Z^和漏电感；构成；所述单 相PFC环节与LLC串联谐振DC-DC变换器环节共用第一 MOS管^和第二 MOS 管S2，并通过该两个MOS管的切换工作同时实现输入功率因数校正和输出电压调 节。上述基于LLC串联谐振的单级单相AC-DC变换器中，单相PFC变换器的输入 整流桥由第一二极管Db第二二极管D2、第一MOS管&和第二MOS管&构成； 单相交流电源的一端通过输入电感L和第一二极管D,的阳极、第二二极管D2的阴 极连接；单相交流电源的另一端直接与第一MOS管&的源极、第二MOS管&的 漏极连接，然后再与变压器T的同名端连接；储能电容Cd的一端与第一MOS管^ 的漏极、第一二极管Di的阴极连接；储能电容Cd的另一端与第二MOS管&的源 极、第二二极管D2的阳极连接，然后再与谐振电容G的一端连接，谐振电容CV的 另一端与变压器T的异名端连接。
本实用新型具有如下优点和效果单相PFC变换器与DC-DC变换器共同构成 单级单相AC-DC变换器。单相PFC变换器与DC-DC变换器共用一对MOS管& 和&，相对于传统的Boost PFC + LLC串联谐振DC-DC变换器构成的单相两级 AC-DC变换器，该实用新型涉及的电路省去了两个输入整流二极管、 一个开关管和 一个续流二极管，降低了电路的成本和体积。本实用新型采用LLC串联谐振技术实 现MOS管&和&的零电压开关，以及整流二极管D(m和Do2的零电流关断，电路 中所有功率器件都实现软开关，从而极大地降低该实用新型电路的开关损耗。本实 用新型适合用作LCD电源。相对于传统的带隔离变压器的多级AC-DC变换器，本 实用新型的电路结构简单，功率器件较少，控制电路简单，效率高。
图1为传统的具有隔离变压器的单相AC-DC变换器电路图。
图2是本实用新型实施方式中的电路实例图，图中，Dw和C^分别为MOS管
Si的体二极管和体电容，Z)s2和Cs2分别为MOS管&的体二极管和体电容；
图3是本实用新型实施方式中在不同时间阶段(to~t9)的工作原理示意图； 图4a 图4i为实施方式中分别对应于不同阶段的工作模态(Va>0)示意图； 图5a、图5b为实施方式中输入电源Va<0时的两种工作模态示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型作进一步描述。本实用新型涉及的电路包含 一个单相PFC变换器，它由一个输入电感L、两个二极管Di和D2、两个MOS
管&和&、 一个储能电容Cd构成；
一个LLC串联谐振DC-DC变换器，它由两个MOS管&和&、 一个谐振电容
C" 一个变压器T及其集成的励磁电感Lm和漏电感Lr、两个输出整流二极管D01和Do2构成；
一个输出滤波电容c0。
参考图2，输入电感L、 二极管Di和D2、 MOS管&和&、储能电容Ca构成 单相PFC变换器；MOS管&和&、谐振电容C,、变压器T及其集成的励磁电感 Lm和漏电感Lr、输出整流二极管D01和002构成LLC串联谐振DC-DC变换器； 单相PFC变换器与LLC串联谐振DC-DC变换器共用两个MOS管&和单相交 流电源F。的一端通过输入电感丄和二极管D,的阳极、二极管D2的阴极连接；单相 交流电源K的另一端直接与MOS管&的源极、MOS管&的漏极连接，然后再与 变压器的同名端连接；储能电容Cd的一端与MOS管&的漏极、二极管D!的阴极 连接；储能电容Ca的另一端与MOS管&的源极、二极管D2的阳极连接，然后再 与谐振电容C,的一端连接；谐振电容C,的另一端与变压器T的异名端连接。
图3给出了本实用新型的工作原理，图4和5给出了本实用新型的工作模态。 电路稳态工作吋，本实用新型的工作过程如下
(1)当输入电源VaX)时，工作原理和工作模态分别如图3和4所示。
阶段l(to ti)，如图4a: to时刻MOS管S!和S2关断，电感Lm的电流i^与谐 振电流iu相等，变压器一次侧电流ip为零，输出被变压器隔离，输出整流二极管 Dm和Do2反偏截止，输出电容Co放电并给负载供电。谐振电流iu对S2的体电容 Cs2充电，同时为St的体电容Cy放电。tr时刻，当C^的端电压Vcs"j、于输入电 压Va时，输入二极管D!开始导通，电感L在电压(Va-Vcsl)下充电。当C^放电 结束时，S!上的体二极管Dw导通，阶段l工作状态结束。
阶段2(t广t2)，如图4b: t!时亥U， S2关断，体二极管Dsi导通，为Si的ZVS 导通创造条件。此时输出整流二极管D(M导通，变压器一次侧电压被钳位在nV0， Lm在此电压下线性充电，不参与谐振，ip=iLr-iLm。电感L在输入电压Va下线性充 电。当谐振电流iLr上升至0时，阶段2工作状态结束。
阶段3(t广t3)，如图4c: S,在阶段1时已加上门极驱动信号，在t2时刻，谐振 电流i&由负变正时，Si正向导通，电感L继续在输入电压Va下线性充电，输出整 流二极管D(M导通，变压器一次侧电压被钳位在nV0， Lm在此电压下线性充电， 不参与谐振，能量由Vcd传递到Vo。当iLm等于谐振电流iu时，阶段3结束。
阶段4 (t3~t4)，如图4d: t3时亥U， iun等于谐振电流iu， Lm参与谐振，输出整
流二极管D(M反偏截止，输出电容Co放电并给负载供电。电感L继续在输入电压Va下线性充电。
阶段5 (t4~t5)，如图4e: t4时亥U， SJ口 S2关断，输出整流二极管D(m和D02 反偏截止，输出电容Co放电并给负载供电，谐振电流iu对体电容C^充电，同时 为体电容Cs2放电。ts，时刻，当CS1的端电压Vcsi大于输入电压Va时，电感L在电 压(Vcsl-Va)下放电。当Cs2放电结束时，S2上的体二极管Ds2导通，阶段5工作 状态结束。
阶段6(ts t6),如图4f: ts时刻，体二极管Ds2导通，为S2的ZVS导通创造条
件。电感L在电压Vcd下放电并给储能电容Cd充电。此时输出整流二极管Do2导通， 变压器一次侧电压被钳位在-nVO, Lm在此电压下线性充电，不参与谐振，ip=iu-iLm。 当谐振电流iLr下降至O时，阶段6工作状态结束。
阶段7(t6 t7)，如图4g: S2在阶段6时已加上门极驱动信号，在t6时刻，谐振 电流Lr由正变负时，S2正向导通，输出整流二极管Do2导通，变压器一次侧电压被 钳位在-nVo， Lm在此电压下线性充电，不参与谐振，谐振电流流经Lm和变压器一
次侧，传递能量至Vo。电感L在电压Vcd下放电并给储能电容Cd充电，当电感电 流L下降到零时，Di反偏截止，阶段7结束。
阶段8(t7 ts)，如图4h: t7时亥U，电感电流iL下降到零时，D!反偏截止，谐振 电流继续流经Lm和变压器一次侧，传递能量至Vo。当iLm等于谐振电流iu时，阶 段8结束。
阶段9 (t8~t9)，如图4i: ts时亥U， ii^等于谐振电流iu， Lm参与谐振，输出整 流二极管Do2反偏截止，输出电容Co放电并给负载供电。
(2)当输入电源Va〈0，工作波形如图5所示。
当输入电源VaO时，电路工作模态与输入电源VaX)时的工作模态近似。所 不同的是当S!关断和S2导通时，电感L在输入电压Va下线性充电，见图5a;当 Si导通和S2关断时，电感L在输入电压Va下线性放电，见图5b。
为验证本实用新型的基于LLC串联谐振的单级单相AC-DC变换器的功率因数 校正能力和电压调节性能，我们进行了有关实验，并采用变频控制技术对该电路进 行控制。实验结果表明，功率因数和效率分别达到99%和94%。相对于传统的带隔 离变压器的多级AC-DC变换器，本实用新型的电路结构简单，功率器件较少，控 制电路简单，效率高。
权利要求1、基于LLC串联谐振的单级单相AC-DC变换器，其特征在于包括一个单相PFC环节、一个LLC串联谐振DC-DC变换器环节和输出滤波电容(CO)，所述单相PFC环节由一个输入电感(L)、第一二极管(D1)和第二二极管(D2)、第一MOS管(S1)和第 MOS管(S2)和一个储能电容(Cd)构成；所述LLC串联谐振DC-DC变换器环节由上述两个MOS管(S1、S2)、一个谐振电容(Cr)、一个变压器(T)、输出整流二极管之一(DO1)和输出整流二极管之(DO2)构成；所述单相PFC环节与LLC串联谐振DC-DC变换器环节共用第一MOS管(S1)和第二MOS管(S2)，并通过该两个MOS管的切换工作同时实现输入功率因数校正和输出电压调节。
2、 根据权利要求1所述的基于LLC串联谐振的单级单相AC-DC变换器，其特征在于，单相PFC变换器的输入整流桥由第一二极管(D!)、第二二极管(D2)第一 MOS管和第二 MOS管(&)构成；单相交流电源的一端通过输入电感(L)和第一二极管(DD的阳极、第二二极管(D2)的阴极连接；单相交流电源的另一端直接与第一MOS管(&)的源极、第二MOS管(&)的漏极连接，然后再与变压器(T)的同名端连接；储能电容(Cd)的一端与第一MOS管(&)的漏极、第一二极管(D!)的阴极连接；储能电容(Cd)的另一端与第二 MOS管(S2)的源极、第二二极管(D2)的阳极连接，然后再与谐振电容(C》的一端连接，谐振电容(Cr)的另一端与变压器(T)的异名端连接。
3、 根据权利要求1所述的基于LLC串联谐振的单级单相AC-DC变换器，其特征在于所述变压器(T)集成有励磁电感和漏电感(丄》。
专利摘要本实用新型提供了一种基于LLC串联谐振的单级单相AC-DC变换器，包括一个单相PFC环节、一个LLC串联谐振DC-DC变换器环节和输出滤波电容(C<sub>O</sub>)，所述单相PFC环节与LLC串联谐振DC-DC变换器环节共用第一MOS管和第二MOS管，通过该两个MOS管的切换工作同时实现输入功率因数校正和输出电压调节，并实现所有功率器件的软开关，具有较高的效率。单相PFC变换器与DC-DC变换器共同构成单级单相AC-DC变换器。单相PFC变换器与DC-DC变换器共用一对MOS管，该实用新型涉及的电路省去了两个输入整流二极管、一个开关管和一个续流二极管，降低了电路的成本和体积，本实用新型适合用作LCD电源。
文档编号H02M1/00GK201365204SQ200920050479
公开日2009年12月16日 申请日期2009年1月20日 优先权日2009年1月20日
发明者波 张, 张桂东, 肖文勋 申请人:华南理工大学