[发明专利]一种基于无桥PFC和LLC谐振的隔离型集成式AC-DC变换器

说明书

技术领域

本发明属于电力电子领域，具体涉及一种基于无桥PFC和LLC谐振的隔离型集成式AC-DC变换器。

背景技术

随着通讯技术、电动汽车、LED的发展，对通讯用开关电源、电动汽车充电器、LED驱动的性能、重量、体积、效率等方面提出了更高的要求。这些领域的电源通常采用从交流电网取电输出直流，并且要求变换器同时具备功率因数矫正和电气隔离的功能。

常见的功率因数矫正电路(PFC)为桥式Boost PFC电路，但是桥式Boost PFC电路同一时刻电流流过三个功率器件，导通损耗较大；随着半导体功率器件的发展，尤其是宽禁带器件的发展，无桥式PFC电路受到越来越多的重视，无桥式PFC电路同一时刻电流流过两个功率器件，可以减小导通损耗。LLC谐振式DC-DC变换器，结构简单，桥臂开关管可以实现软开关，损耗小，广泛应用在要求具有电气隔离功能的场合。传统的两级式电路前级为PFC电路，后级电路为LLC谐振式DC-DC电路被广泛应用在通讯用开关电源、电动汽车充电器等应用场合；传统的两级式电路采用器件较多，成本较高。

Y.Wang和N.Qi等人在标题为A Single-Stage LED Driver Based on SEPIC and LLC Circuits(IEEE Transactions on Industrial Electronics,2017,64(7),pp.5766-5776)中提出一种基于SEPIC和LLC的单级式变换器，该变换器同时具有功率因数矫正的功能和电气隔离的功能，可以实现功率器件的软开关；但是，该电路前级仍然采用桥式整流结构，增加了导通损耗；同时，该电路的输入电流为断续模式，电流的纹波较大。

发明内容

针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明提出一种基于无桥PFC和LLC谐振的隔离型集成式AC-DC变换器。该变换器将PFC技术和谐振技术结合，使变换器输入电流很好地跟随输入电压变化，实现功率因数矫正功能；同时该变换器通过控制输出电压，实现稳定的直流输出电压。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案为：

一种基于无桥PFC和LLC谐振的隔离型集成式AC-DC变换器，包括：

前级无桥图腾柱PFC电路，用于将交流输入电压转化为直流电压；

与所述前级无桥图腾柱PFC电路级联的后级半桥LLC谐振电路；

所述后级半桥LLC谐振电路的原边为半桥电路结构，用于实现零电压软开通，副边为全桥整流结构或全波整流结构，用于将交流电压整流为直流输出电压。

所述无桥图腾柱PFC电路包括：

带反并二极管的第一功率开关管、带反并二极管的第二功率开关管以及直流母线电容，所述直流母线电容的两端分别与所述第一功率开关管的漏极、所述第二功率开关管的源极相连，所述第一功率开关管的源极、所述第二功率开关管的漏极均与输入升压电感相连。

在无桥图腾柱式PFC电路中，其输入升压电感起到一个滤除电流纹波以及储能作用，同时输入升压电感应该足够大以满足输入电感电流处于电流连续模式(CCM)。它的桥臂也是由两个功率开关管串联组成，为了简化分析，在实际分析及应用中，不考虑它的反并联二极管和寄生电容，PFC电路中在输入电压正半周期时其中一个开关管处于关断状态；由对称性可知，负半周期时同一桥臂的另外一个开关管处于关断状态。

所述半桥电路结构包括：

带反并二极管的第三功率开关管、带反并二极管的第四功率开关管、谐振电容、谐振电感以及隔离变压器的原边绕组，所述原边绕组的同名端依次经所述谐振电感、所述谐振电容与所述第三功率开关管的源极相连，所述原边绕组的异名端与所述第四功率开关管的源极相连，所述第三功率开关管的源极、第四功率开关管的漏极均与电源一端相连。

所述全桥整流结构包括：

负载、与所述负载并联的第一桥臂、第二桥臂、滤波电容，所述第一桥臂包括串联连接的第一功率二极管和第三功率二极管、隔离变压器的副边绕组，所述第二桥臂包括串联连接的第二功率二极管和第四功率二极管，所述副边绕组的同名端与所述第一功率二极管的阳极相连，所述副边绕组的异名端与所述第二功率二极管的阴极相连。

作为优选，所述第一功率开关管、第二功率开关管、第三功率开关管以及第四功率开关管均为功率金属-氧化物半导体场效应晶体管。

本发明变换器相对于现有技术具有以下优点：