专利名称：一种开关电源单级功率因数校正装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种高性能价格比开关电源单级功率因数校正装置，特别是适用开关变换器磁元件信号波形不对称开关电源情况。
通常有源功率因数校正技术采用AC-DC功率因数校正前级加DC-DC变换器调整后级，虽然可以取得接近于1的功率因数，但是体积大，成本高和实际两级转换效率低，尤其不适应小功率级别的开关电源。自九十年代开始，单级功率因数校正技术越来越成为研究的焦点，目前国际上开关电源功率因数校正技术是朝着低成本，高性能和满足电磁兼容标准的高性能价格比AC-DC功率变换器研究方向发展，欧美许多国家开展研究并提出了一些高性能价格比电路拓扑。这些电路基于稍为修改的标准开关变换器电路(如附加二极管和电感)以满足电磁兼容标准。其中一个重要的思路是从变换器磁元件获得一个附加输出并将其串联接在输入整流二极管和储能电容之间，但总体归纳起来这些电路最典型代表可分为两类(1)全波附加电路电感电流不连续的电路，如[1]M.Qin，G.Moschopoulos，H.Pinheiron and P.Jain“Analysis and design of a single stagepower factor corrected full-bridge converter”，IEEE APEC，1999，pp.119-125。和[2]P.Jain，J.R.Espinoza and N.A.Nasser，“A single stage zero-voltage zero-current-switched DC powersuplíwith extended load range”，IEEE Trans.On IndustrialElectronics，Vol.46，no.2，April 1999，pp.261-270所提出，这个附加电路工作于电感电流不连续工作情况，这样，通过附加二极管和变换器开关器件的峰值电流都较大。同时主变换器的输出也必需工作在不连续导通情况以调节电容电压的变化，这样半导体器件上电流应力都比较大，有时，主变换器的输出必需工作在电流连续情况，这样，在所有变换器半导体器件上电压应力将是非常高。
(2)全波附加电路电感电流连续电路但双延迟绕组磁元件波形信号对称设计，如参考文献[3]J.Sebastian，A.Fernández，P.Villegas，M.M.Hernando and S.Ollero，“A new active inputcurren shaper for converters with symmetrically driventransformer”，IEEE APEC；2000，pp.468-474.Also，IEEETransactions on Industry Applications，March/April 2001提出的，这个附加电路电感工作于电流连续情况，这样一来改进了(1)存在的问题，提高了性能。但该电路应用了两个延迟绕组，使附加电路磁元件从一个增加到三个。同时由于附加电路输出纹波电流较大，这样输出滤波电感便需设计比较大。同时，参考文献[3]只适用磁元件波形信号对称情况。
综上所述，适合小功率开关电源的高性能价格比单级功率因数校正技术还有待进一步发展。
本实用新型的任务是高输出阻抗整流器电路输入端(T1、T2)口，通过不对称绕组(A)与延迟电感(LD)相连，电感(LD)通过组成整流桥式电路的二极管(DA1，DA2，DA3，DA4)与滤波电感(LA)相连，在高输出阻抗整流器电路输出端(T4)连接有开关电源输入整流二极管，附加高输出阻抗整流器电路输入端(T1、T2)口通过原副边绕组隔离连接有标准DC-DC开关变换器(E)磁元件(B)，标准DC-DC开关变换器(E)分别通过储能电容与高输出阻抗整流器电路输出端(T3)、输入整流二极管负极相连，附加高输出阻抗整流器电路输入端(T1、T2)口连接是波形信号不对称磁元件(B)副边附加绕组。
本实用新型具有减少磁元件尺寸大小，提高开关电源效率，满足电磁兼容标准，适用磁元件波形信号不对称开关变换器电路，实现高性能价格比的单级功率因数校正装置等特点。体现在它的低成本，轻量小型，高功率因数，符合电磁兼容标准。它用于滤波电感电流连续工作AC/DC开关变换器电源。与其它开关电源单级功率因数校正装置不同，是借助变换器不对称磁元件波形信号获取附加信号，串接在输入整流二极管和储能电容之间，这个附加信号等效于一个电压源和无损电阻，从而改善输入电流导通角，提高功率因数，满足电磁兼容标准。本电路采用全波附加绕组不对称设计，电路纹波电流很小，从而减少滤波电感尺寸。同时采用全波附加桥式整流电路，进一步减少开关电源磁元件尺寸，从而减少开关电源尺寸，提高效率，实现高性能价格比。
以下将结合实施例附图对本实用新型作进一步描述
图1为本实用新型的结构示意图图2为本实用新型的基于满足电磁兼容标准的功率因数校正AC/DC变换器原理图图3为本实用新型基于满足电磁兼容标准的单级功率因数校正等效电路图图4为本实用新型具体结构电路图图5为本实用新型开关电源电路示意图图6为本实用新型的附加整流器电路参数关键波形图图7为本实用新型的附加整流电路不对称副边绕组设计图图8为本实用新型的不对称绕组设计时附加整流电路的主要波形图图9为本实用新型的软开关半桥不对称变换器的电路的单级功率因数校正电路图图10应用D类电磁兼容标准的开关电源输入电流实验波形图图11实验电流谐波与D类电磁兼容标准比较图图12应用A类电磁兼容标准的开关电源输入电流实验波形图图13实验电流谐波与A类电磁兼容标准比较图图1中A为不对称绕组；B为波形信号不对称磁元件；E为标准DC-DC开关变换器。
图2中，本实用新型的附加高输出阻抗整流器串联接在输入整流二极管和储能电容之间，这个附加的高输出阻抗整流器只由二极管和电感组成(图4具体说明)，从而实现从交流输入整流到标准DC/DC变换器集成的单级功率因数校正目的。
本实用新型重要的思路是从变换器不对称波形信号磁元件获得一个附加输出并将其串联接在输入整流二极管和储能电容之间，其原理如图2所示。这个附加输出电路是高输出阻抗整流器电路。
这个高输出阻抗整流器可以等效为一个电压源VS和一个无损耗的电阻RLF(下面具体分析)，如图3所示。正是这样的等效电路，改善AC/DC电路的输入电流导通角QC，提高电路功率因数和满足电磁兼容标准。
图4给出本实用新型的具体电路结构图。在开关变换器如正激，反激，SEPIC，CUK，ZETA和不对称桥式变换器的开关电源电路中，从不对称信号波形的磁元件根据原副边绕组隔离按照一定匝数比设计获取附加输出到本专利的附加高输出阻抗整流器电路输入端T1，T2口，T1，T2端是全波附加副边绕组，原副边绕组同名端相同(见打黑点·)，副边绕组匝数Nsd1 Nsd2采用不同的匝数比(不对称设计)，其匝数比设计在于减少滤波电感的纹波电流。延迟电感LD串接附加副边绕组和滤波电感LA之间，以实现滤波电感LA电流连续工作模式。延迟电感LD设计为一个开关周期内双向电流，即是全波整流器电路，这个可以通过二极管DA1，DA2，DA3，DA4组成整流桥式电路而实现。高输出阻抗整流器电路输出端是T3，T4口，其串接在开关电源输入整流二极管和储能电容之间。T3接在储能电容正端，而T4接在输入整流二极管一端如图1电路所示。
图5给出了本实用新型专利的设计开关电源电路，它使用了一个延迟绕组，实现电路滤波电感电流连续工作优点，但延迟绕组尺寸只需原来的1/2(下面具体分析)。图中磁元件波形信号是不对称，这种情况包括了正激，反激，SEPIC，CUK，ZETA和不对称桥式电路(半桥，全桥)等变换器。再者，由于本专利采用不对称附加绕组设计，附加电路滤波电感可以设计比较小(下面具体分析)，降低成本，提高效率。
由图6，根据法拉第定律，在开关导通与关断其间在延迟绕组上的延迟时间td1和td2可以算出。根据本实用新型设计，在开关周期时间内通过延迟绕组的电流变化率是两倍滤波电感电流iLtd1＝LD*2*iL/Vd1td2＝LD*2*iL/Vd2设开关占空比为D，实际有效开关占空比d1′＝D-td1*fsd2′＝1-D-td2*fs附加整流电路输出电压VOA＝Vd1*d1+Vd2*d2′由不对称绕组设计(下面具体分析)Vd1＝Vd2td1＝td2附加高输出阻抗整流电路输出为VOA＝Vd1(D-td1*fs+1-D-td1*fs)将上式改写如下VOA＝Vd1-2*LD*2*iL*fs＝Vd1-4*LD*fs*iL＝VS-RLF*iL附加高输出阻抗整流器电路输出等效为电压源VS和无损耗电阻RLF，如图3所示。
其中Vs＝Vd1RLF＝4*LD*fsVd1＝D*Vdc/(Np/Ns2)这样一来，延迟绕组只有一个，且尺寸大小是原来的二分之一。
分析图7附加整流电路全波副边绕组不对称设计，设开关占空比为D，当磁元件的驱动信号为正信号(通常开关接通)，图7电路中F点出现的电压是(1-D)Vdc/(Np/Nsd1)；当开关关断(磁元件负驱动信号)，F点电压是DVdc(Np/Nsd2)；因此，如果设计副边绕组匝数分别是Nsd1/Nsd2＝D/(1-D)，那么在开关接通与开断其间，图7电路中的F点电压将是相同的。其关键波形分析可以参见图8。换句话说，如果满足这样的条件，那么几乎可以获得零电流纹波输出。相应的，实际电路输出滤波电感的尺寸便可设计比较小。最终目的就是有助于减少开关电源尺寸和提高效率。通常，为了减少附加电路输出纹波的影响，输出滤波电感取值比较大，由参考文献[3]，输出电感通常设计选择为延迟电感值的2到4倍。而根据本专利设计，附加电路滤波电感大小便可以选择为原来的二分之一到四分之一。
本实用新型通过在输出功率为100瓦输出直流电压为12伏的软开关不对称半桥变换器开关电源样机实验而得以验证。图9为该开关电源样机的电路拓扑。
图10应用D类电磁兼容标准的开关电源输入电流实验波形图样机电路参数输入电压230伏，输出功率100瓦，直流输出电压为12伏，滤波电感360微亨，延迟电感180微亨图11实验电流谐波与D类电磁兼容标准比较图，其中黑色为实验电流谐波，白色为D类电磁兼容标准。
图12应用A类电磁兼容标准的开关电源输入电流实验波形图样机电路参数输入电压230伏，输出功率100瓦，滤波电感60微亨，延迟电感30微亨，直流输出电压为12伏图13实验电流谐波与A类电磁兼容标准比较图，其中黑色为实验电流谐波，白色为A类电磁兼容标准。
在图9不对称半桥开关变换器的电路中，从半桥开关变换器磁元件不对称信号中获取附加输出到附加高输出阻抗整流器电路输入端T1、T2口，附加高输出阻抗整流器电路输入端T1、T2端是全波附加副边绕组，原副边绕组同名端相同(见打黑点·)，副边绕组匝数Nsd1、Nsd2采用不同的匝数比(不对称设计)，其匝数比设计在于减少滤波电感LA的纹波电流。图9延迟电感LD实现滤波电感LA电流连续工作模式。延迟电感LD设计一个开关周期内双向电流，即是全波整流器电路，这个可以通过二极管DA1、DA2、DA3、DA4组成整流桥式电路而实现。高输出阻抗整流器电路输出端是T3、T4口，其串接在开关电源输入整流二极管和储能电容之间。高输出阻抗整流器电路输出端是T3接在储能电容正端，而高输出阻抗整流器电路输出端是T4接在输入整流二极管一端如电路图9所示。
权利要求1.一种开关电源单级功率因数校正装置，其特征是高输出阻抗整流器电路输入端(T1、T2)口，通过不对称绕组(A)与延迟电感(LD)相连，电感(LD)通过组成整流桥式电路的二极管(DA1，DA2，DA3，DA4)与滤波电感(LA)相连，在高输出阻抗整流器电路输出端(T4)连接有开关电源输入整流二极管，附加高输出阻抗整流器电路输入端(T1、T2)口通过原副边绕组隔离连接有标准DC-DC开关变换器(E)磁元件(B)，标准DC-DC开关变换器(E)分别通过储能电容与高输出阻抗整流器电路输出端(T3)、输入整流二极管负极相连，附加高输出阻抗整流器电路输入端(T1、T2)口连接是波形信号不对称磁元件(B)副边附加绕组。
专利摘要本实用新型公开一种开关电源单级功率因数校正装置，它是一种基于满足电磁兼容标准的高性能价格比的校正装置，用于滤波电感电流连续工作AC/DC开关变换器电源。高输出阻抗整流器电路输入端口，通过不对称绕组与延迟电感相连，电感通过组成整流桥式电路的二极管与滤波电感相连，附加高输出阻抗整流器电路输入端口通过原副边绕组隔离连接有标准DC－DC开关变换器磁元件，开关变换器分别通过储能电容与高输出阻抗整流器电路输出端、输入整流二极管负极相连，附加高输出阻抗整流器电路输入端口连接是波形信号不对称磁元件副边附加绕组。本实用新型是借助变换器不对称磁元件波形信号获取附加信号，串接在输入整流二极管和储能电容之间。
文档编号H02M1/12GK2523105SQ0220708
公开日2002年11月27日 申请日期2002年2月5日 优先权日2002年2月5日
发明者林维明 申请人:福州大学