[发明专利]一种高效率多功能反激变换器

说明书

背景介绍

发明所属领域

本专利是属于电功率变换领域里的一项发明，更具体地说是一种独特的反激式功率变换器结构及其操作方式。该种变换器可以实现高效率的DC-DC电压转换或单级式功率因数调整加DC-DC电压变换的复合功能等。为电源变换装置提供了一种低成本，高性能的设计概念。

相关领域的描述

随着日益迫切的环境保护的需求人们越来越广泛地要求在各个领域使用绿色能源。这在电能使用领域里势必要求用电设备和电能转换装置进一步提高效率并使用尽量少的材料。另一个势在必行的要求则是对交流用电装置的功率因数的提高，以减少电能的传输损耗。在我们的日常生活中，众多的半导体电子设备都需要有一个把交流电能转换成直流电能的电源变换装置以便于从交流市电网络取得操作所需的直流电能。在这种情形下，如果能设计制造出一个高效率，低成本，低材料消耗并具有功率因数调节的AC-DC电源变换器，其对人们所带来的广泛的环境和经济价值是显而易见的。

目前市场上传统的交流-直流变换器通常采用两种普遍的做法。一种是先用二极管整流桥把交流电压转换成脉动直流，用电容器滤除脉动纹波，然后用直流-直流(简称为DC-DC)变换器把滤波后的直流电压变换成所需要的电压值输出并提供直流输出和交流输入间的安全电气绝缘。这种做法的典型电路结构如图1所示。在图1中整流桥BG1把交流电压转换成脉动直流再由电容器C1滤除脉动纹波。电子功率开关Q1，变压器TX1，次级整流二极管D2及次级滤波电容C2构成一个基本的反激式DC-DC变换电路。R3和C3则是一个典型的吸收电路用以吸收变压器初级漏电感在开关过程中的储能，从而抑制其在电子开关上造成的开关电压尖峰。这里需要指出，除了反激式变换电路以外，还有其它电路结构如正激式，推挽式，半桥电路，全桥电路等均可完成DC-DC变换功能。反激式电路通常使用元件最少，成本也最低。这种电路结构通常用于功率较小的场合且功率因数也比较低。

在用电功率较大时一般都需要在输入端加功率因数调节(缩写简称为PFC)电路以达到较高的功率因数。典型的带功率因数调节电路的交流-直流变换器如图2所示。和图1电路相比，电子开关Q11，电感L11，二极管D11和电容C11组成了功率因数调节电路。功率因数调节电路的功能主要是通过电子开关Q11的开关操作使得电感L11的电流波形的包络线维持全波整流后的正弦波形并且与整流后的脉动正弦电压同相。这样从整流桥BG1交流输入端AC1，AC2所输入的交流电流自然也维持正弦波形并且与输入电压同相，从而可以使功率因数达到接近于1的理想状态。图1和图2中的电子功率开关以MOSFET最为常用。其它类型的开关器件如双极型晶体管或IGBT等也可替代。

图1和图2所示电路工作效率一般都比较低。图中所示的电子功率开关Q1，Q11均工作在硬开关工作状态。特别是当它们从关断转换为导通状态时由于漏极和源极间电位差从高压突变到接近于零，源漏极间寄生电容的高压储能在极短的瞬间通过开关本身强迫放电，其能量全部消耗在开关管内部转化为热能。这样既降低效率，又增加管子发热，同时也产生较强的电磁辐射。另一个损耗因素是变压器的漏电感能量。当Q1导通时电磁能量随着变压器TX1初级绕组PN1电流的增加逐渐建立起来。当Q1关断时储存于耦合电感中的电磁能量通过磁路耦合到次级绕组SN2，并使整流二极管D2导通向输出端供电。储存于漏感中的能量由于无法耦合到次级去而只好通过Q1的源漏极间电容维持流通并通过充电把能量转移到源漏电容上去。在这种情况下Q1的漏极电为可能被推得很高，甚至造成Q1过电压击穿。为了抑制这种电压过冲现象，人们通常不得不采用吸收电路来吸收并消耗这部份漏感能量。图1及图2中的R3，C3网络即是一种吸收电路。在实际应用中还有多种不同的吸收电路设计。这些电路一般为众所周知，故这里不予详述。除此以外，整流二极管D2的损耗也不可忽视。特别是在输出为低压大电流时，D2的导通压降可占到输出电压的5％到10％或甚至更高，从而导至与此成比例的功率损耗。另一方面由于二极管的非理想反向恢复特性，其所引起的开关损耗也相当可观。

本发明的总结