[發明專利]一種AC/DC諧振變換器

在審

• 申請號: 202110662362.7
• 申請日: 2021-06-15
• 公開（公告）號: CN113595415A
• 公開（公告）日: 2021-11-02
• 發明（設計）人: 袁源蘭
• 申請（專利權）人: 袁源蘭
• 主分類號: H02M7/217
• 分類號: H02M7/217;H02M3/335;H02M1/42;H02M1/32
• 代理公司: 廣州市越秀區哲力專利商標事務所(普通合伙) 44288
• 代理人: 葛燕婷

本發明提供一種AC/DC諧振變換器，功率變換電路由基本開關單元與諧振槽構成，控制器根據不同交流輸入電壓、或不同直流輸出電壓自適應控制功率變換電路，將其切換為一個或多個基本開關單元串并聯堆疊工作，交流輸入低壓或直流輸出高壓時工作于高頻全壓控制方式，反之交流輸入高壓或直流輸出低壓時工作于低頻分壓控制方式，這兩種兩電平控制方式共用同一套諧振器件以簡化諧振槽設計，并且控制器內部具有乘法器功能單元，交流輸入電流實時跟蹤輸入電壓的頻率與相位以實現功率因數校正功能。諧振變換器將交流輸入瞬時電壓直接變換為直流輸出電壓，可以節省常規PFC變換器及其直流母線電容，提高轉換效率、降低元器件成本。

技術領域

本發明涉及開關電源技術領域，尤其涉及一種AC/DC諧振變換器。

背景技術

開關電源利用功率開關管高頻工作實現交直流(AC/DC)功率變換，具有體積小、重量輕、效率高等特點，廣泛應用于工業與民用電子設備領域，如充電器、電源適配器、LED驅動器、工業與控制電源等，相關標準規定一定輸出功率以上開關電源需要具備功率因數校正(PFC)功能。AC/DC功率變換器中單級變換結構簡單、成本較低，但無法兼顧高功率因數(PF)和低紋波要求，同時功率管存在電壓或電流應力過高風險，因此行業上廣泛使用兩級變換結構：前級PFC變換器，用于調節功率因數并實現輸入與輸出能量平衡；后級DC/DC變換器，用于調整輸出電壓并降低輸出紋波電壓或電流。AC/DC變換器典型組成結構如圖1所示，其中，Cb為直流母線電容，以平衡輸入與輸出功率或能量差值并用作濾波；Co為輸出濾波電容；RL為直流輸出負載。

兩級AC/DC變換器電路拓撲如圖2所示，交流輸入部分包括輸入EMI濾波器和整流電路，EMI濾波器中濾波電感為Lf、濾波電容為Cf，輸入整流電路二極管為D1～D4，高頻濾波電容為Ci。前級PFC變換器使用升壓變換器(Boost)，由升壓電感Lpfc、升壓二極管Dpfc、功率開關管Qpfc及其體二極管D_Qpfc構成。旁路二極管Db在冷機啟動時給直流母線電容Cb預充電，同時輸入端有雷擊時給Cb提供一個電流通路來吸收，以避免瞬態大電流沖擊影響Boost變換器正常工作。后級DC/DC變換器使用LLC半橋諧振變換器，主要由第一串聯諧振電感Lr、并聯諧振電感Lp、主變壓器T1、副邊整流二極管D5、D6、功率開關管Q1、Q2及其體二極管D_Q1、D_Q2構成。兩個控制器分別控制升壓PFC和LLC半橋諧振變換器工作，一般采用PWM、變頻或混合型芯片。

兩級AC/DC變換器能達到高功率因數，并可降低輸出紋波，但功率變換電路與控制器中元器件數量較多，導致材料成本較高。同時，交流輸入經過兩級功率變換后才能得到總輸出，不可避免地產生更多功率損耗，其轉換效率為PFC與DC/DC兩部分轉換效率的乘積，從而整體轉換效率較低。升壓PFC變換器工作于較低交流輸入電壓時，輸入電流增大導致其導通損耗升高，因而寬輸入電壓范圍85～276Vac低壓段轉換效率變得更低。LLC半橋諧振變換器雖然開通損耗低，但工作于較寬輸出電壓范圍時，即使直流母線電壓保持恒定，開關頻率也會變化較大從而偏離其諧振頻率點，導致關斷和導通損耗升高，因此也不適用于寬輸出電壓場合，另外，兩級變換器中需要兩套獨立控制器，控制方式復雜并且存在不穩定風險。因此，行業上需要新型AC/DC變換器，既要實現更簡單變換結構，又要降低元器件成本，并且實現高功率因數，同時可以適應較寬輸入和輸出電壓范圍工作。

發明內容

為了克服現有技術的不足，本發明的目的在于提供一種AC/DC諧振變換器，將交流輸入瞬時電壓直接變換為直流輸出電壓，可以節省常規PFC變換器及其直流母線電容，提高轉換效率、降低元器件成本；不同工作條件下功率管均為軟開關工作能夠降低關斷損耗，同時低頻分壓控制方式具有更低等效開關頻率，從而較大降低其開關損耗、進一步提高轉換效率，另外高集成度控制器設計能夠進一步減小開關電源體積。