專利名稱：?jiǎn)渭?jí)諧振式高功率因數(shù)開(kāi)關(guān)電源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種單級(jí)諧振式高功率因數(shù)開(kāi)關(guān)電源，具體為具有單級(jí)PFC+DC/DC變換器的高功率因數(shù)開(kāi)關(guān)電源，屬于電能變換與控制技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前有兩種典型的單級(jí)開(kāi)關(guān)電源變換器技術(shù)其一是美國(guó)國(guó)家電力電子系統(tǒng)研究中心提出的帶有直流母線電壓反饋的單開(kāi)關(guān)—單級(jí)—反激式PFC+DC/DC變換器。這種變換器的問(wèn)題是當(dāng)輕載和高輸入電壓時(shí)，輸入整流器的導(dǎo)通角變小，導(dǎo)致了輸入電流的波形變壞，高次諧波增加和功率因數(shù)下降。(參考文獻(xiàn)為VPEC’97 Seminar，1997，pp207-213)其二是香港大學(xué)提出的采用調(diào)頻和PWM技術(shù)相結(jié)合的控制技術(shù)。這個(gè)技術(shù)的主要問(wèn)題是由于采用了調(diào)頻方法且頻率大范圍變化，所以DC/DC變換器中的變壓器、濾波器設(shè)計(jì)很難優(yōu)化。(參考文獻(xiàn)為98’S IEEE Power Electronics Specialists Conference，pp1422-1428)故上述兩個(gè)電路和技術(shù)均沒(méi)有得到廣泛的應(yīng)用。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于提供一種開(kāi)關(guān)電源，其具有單級(jí)諧振式高功率因數(shù)變換器，可減少元器件數(shù)量，節(jié)約成本，有效控制直流母線電壓，使輸入端電流滿足IEC61000-2-3類標(biāo)準(zhǔn)，且功率等級(jí)為300W。
本實(shí)用新型的單級(jí)諧振式高功率因數(shù)開(kāi)關(guān)電源，包括依次相連的橋式整流、主變換開(kāi)關(guān)及主變壓器，與主變換開(kāi)關(guān)一輸入端連接的變換控制電路和位于主變換開(kāi)關(guān)與驅(qū)動(dòng)變壓器次級(jí)線圈之間的驅(qū)動(dòng)電路，所述的主變換開(kāi)關(guān)為雙管正激變換器，所述的雙管正激變換器包括串接的開(kāi)關(guān)管和第二開(kāi)關(guān)管，這兩個(gè)開(kāi)關(guān)管的柵極與所述的驅(qū)動(dòng)電路相連；該開(kāi)關(guān)電源還包括諧振式功率因數(shù)校正電路，所述的諧振式功率因數(shù)校正電路由帶輸出端的串聯(lián)的貯能電容和功率因數(shù)控制電路組成；所述的貯能電容與串接的開(kāi)關(guān)管和第二開(kāi)關(guān)管并聯(lián)，它的輸出端與所述的變換控制電路相連；所述的功率因數(shù)控制電路由依次相連的二極管、電感和第二二極管，以及電容和第二電感所組成，其中，二極管的正極接橋式整流的輸出，第二二極管的負(fù)極與開(kāi)關(guān)管的漏極相連，電容接在主變壓器初級(jí)的一端與第二二極管的正極之間，且該主變壓器初級(jí)的一端與第二開(kāi)關(guān)管的漏極連接；第二電感串接在主變壓器初級(jí)的另一端與開(kāi)關(guān)管的源極之間。
本實(shí)用新型的單級(jí)諧振式高功率因數(shù)開(kāi)關(guān)電源，所述的開(kāi)關(guān)管和第二開(kāi)關(guān)管為IRFP450或IRFP830型開(kāi)關(guān)管。
本實(shí)用新型的單級(jí)諧振式高功率因數(shù)開(kāi)關(guān)電源，所述的二極管和第二二極管是GUR406或HER107型整流二極管。
本實(shí)用新型的單級(jí)諧振式高功率因數(shù)開(kāi)關(guān)電源，所述的電感為45-65μH，第二電感為110-150μH。
本實(shí)用新型的單級(jí)諧振式高功率因數(shù)開(kāi)關(guān)電源，所述的電容為0.3-0.5μF。
本實(shí)用新型與已有技術(shù)比較如下表所示

從上表可見(jiàn)本實(shí)用新型的單級(jí)諧振式高功率因數(shù)開(kāi)關(guān)電源的優(yōu)點(diǎn)在于功率因數(shù)高，≥0.9，總諧波含量低，輸出功率高，有效控制直流母線電壓；另外，本實(shí)用新型的單級(jí)開(kāi)關(guān)電源所用元器件較少。


圖1為諧振式功率因數(shù)校正電路圖；圖2是橋式整流輸出電壓Uin和SPWM對(duì)照波形圖；圖3是該單級(jí)開(kāi)關(guān)電源在計(jì)算機(jī)電源中的實(shí)際應(yīng)用框圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合實(shí)施例，對(duì)本實(shí)用新型的單級(jí)諧振式高功率因數(shù)開(kāi)關(guān)電源做進(jìn)一步說(shuō)明，本實(shí)施例為該單級(jí)開(kāi)關(guān)電源在計(jì)算機(jī)電源中的實(shí)際應(yīng)用。
參見(jiàn)圖3。圖3為該單級(jí)開(kāi)關(guān)電源在計(jì)算機(jī)電源中的實(shí)際應(yīng)用框圖，包括依次相連的橋式整流、主變換開(kāi)關(guān)及主變壓器T1，與主變換開(kāi)關(guān)一輸入端連接的變換控制電路和位于主變換開(kāi)關(guān)與驅(qū)動(dòng)變壓器次級(jí)線圈之間的驅(qū)動(dòng)電路，所述的主變換開(kāi)關(guān)為雙管正激變換器，所述的雙管正激變換器包括串接的開(kāi)關(guān)管U1和第二開(kāi)關(guān)管U2，這兩個(gè)開(kāi)關(guān)管的柵極G1和G2與所述的驅(qū)動(dòng)電路相連；由于本實(shí)用新型的輸出功率等級(jí)為300W，故主變換開(kāi)關(guān)電路采用雙管正激變換器；該開(kāi)關(guān)電源還包括諧振式功率因數(shù)校正電路，所述的諧振式功率因數(shù)校正電路由帶輸出端的串聯(lián)的貯能電容和功率因數(shù)控制電路組成。
本實(shí)施例的諧振式功率因數(shù)校正電路如圖1所示所述的諧振式功率因數(shù)校正電路由帶輸出端B的串聯(lián)的貯能電容C4與C5和功率因數(shù)控制電路組成；貯能電容C4和C5與串接的開(kāi)關(guān)管U1和第二開(kāi)關(guān)管U2并聯(lián)，貯能電容C4和C5的輸出端B與所述的變換控制電路相連；在包括開(kāi)關(guān)管U1和第二開(kāi)關(guān)管U2的雙管正激變換器上增加二極管D1，電感L1，電容C1，第二二極管D2和第二電感L2等五個(gè)元件實(shí)現(xiàn)了功率因數(shù)校正功能，不需另加功率因數(shù)校正(PFCPower Factor Corrector)級(jí)；所述的功率因數(shù)控制電路由依次相連的二極管D1、電感L1和第二二極管D2，以及電容C1和第二電感L2所組成，其中，二極管D1的正極接整流橋的輸出，第二二極管D2的負(fù)極與開(kāi)關(guān)管U1的漏極相連，電容C1接在主變壓器T1初級(jí)的一端與第二二極管D2正極之間，且該主變壓器T1初級(jí)的一端與第二開(kāi)關(guān)管U2的漏極連接；第二電感L2串接在主變壓器T1初級(jí)的另一端與開(kāi)關(guān)管U1的源極之間；第二電感L2用于存貯和記憶負(fù)載電流的大小，當(dāng)負(fù)載電流變大時(shí)，第二電感L2存貯的能量增加，當(dāng)空載或輕載時(shí)，第二電感L2上的貯能為零或變??；電感L1和電容C1組成第一次諧振電路，用于從電網(wǎng)中吸收能量；電容C1、主變壓器T1的磁化電感Lm和電感L2組成了第二次諧振電路，用于把電容C1上的能量轉(zhuǎn)移到直流的貯能電容C4和C5上，貯能電容C4和C5上的電壓用UB表示，UB為母線電壓；當(dāng)負(fù)載電流增加時(shí)，第二電感L2上的能量增加，在第二次諧振結(jié)束后，電容C1上的剩余能量減小，在下一個(gè)高頻周期開(kāi)始時(shí)，電感L1、電容C1進(jìn)入第一次諧振，且電容C1從電網(wǎng)中吸收更多的能量；貯能電容C4和C5起到貯能、濾波兩方面的作用。
在圖2中，UB為母線電壓，當(dāng)t＝t1或t＝t2時(shí)，2UinSinωt＝UB，t∈〔t0，t1〕和t∈〔t2，T〕區(qū)間定義為低壓區(qū)；t∈(t1，t2)定義為高壓區(qū)；Ton是電感Ll從電網(wǎng)中吸取能量時(shí)間，Uo是PWM(Pulse Width Modulation)比較器的輸出電壓，橋式整流的輸出電壓Ui＝UinSinωt；在低壓區(qū)，電感L1、電容C1向電網(wǎng)取能量的時(shí)間為開(kāi)關(guān)管U1和第二開(kāi)關(guān)管U2導(dǎo)通時(shí)間，為PWM控制；在高壓區(qū)，電感L1、電容C1產(chǎn)生一次諧振的持續(xù)時(shí)間隨輸入電壓升高而減少，即為準(zhǔn)脈沖寬度調(diào)制SPWM(Similar Pulse Width Modulation)控制。
在圖1中電感L1、電容C1是諧振支路，用這支路實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正(PFC)。當(dāng)開(kāi)關(guān)管U1、第二開(kāi)關(guān)管U2同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，C4、C5→U1→T1→U2組成了直流/直流(DC/DC)變換電路；L1→C1→U2具體實(shí)現(xiàn)了功率因數(shù)校正；在給L1和電容C1充電過(guò)程中，當(dāng)電容C1兩端的電壓Uc(t)＞UB時(shí)，D2導(dǎo)通，雖然開(kāi)關(guān)管U2導(dǎo)通，但因第二二極管D2導(dǎo)通，電感L1上的電流開(kāi)始下降，此時(shí)，電感L1上的磁能轉(zhuǎn)換為貯能電容C4和C5上的電能，貯能電容C4和C5串聯(lián)，一般為電解電容；第二電感L2上存貯的能量與負(fù)載電流成正比。當(dāng)開(kāi)關(guān)管U1、第二開(kāi)關(guān)管U2同時(shí)關(guān)斷期間，退磁回路為D4→L2→Lm→C1→D2→C4、C5，發(fā)生第二次諧振。假定主變壓器T1的磁化電感Lm和第二電感L2上的磁能不足以使電容C1由UB變?yōu)榱悖瑒t在退磁結(jié)束時(shí)，Uc上尚存一定的正電壓，使得開(kāi)關(guān)管U1、第二開(kāi)關(guān)管U2再次導(dǎo)通時(shí)，加在電感L1、電容C1串聯(lián)諧振電路的等效電壓值小于UinSinωt，實(shí)現(xiàn)了負(fù)載電流的自動(dòng)反饋。
在電感L1、電容C1諧振階段，在低壓區(qū)，由于Uc(t)＜UB，所以電感L1、電容C1從電網(wǎng)里取能量的時(shí)間為半個(gè)諧振周期或開(kāi)關(guān)管U1及第二開(kāi)關(guān)管U2共同導(dǎo)通時(shí)間；在高壓區(qū)，因?yàn)閁c(t)在不到半個(gè)諧振周期內(nèi)就能達(dá)到UB，所以電感L1、電容C1從電網(wǎng)中汲取能量的時(shí)間小于半個(gè)周期，而且隨著UinSinωt上升，電感L1、電容C1從電網(wǎng)中汲取能量的時(shí)間會(huì)減少，實(shí)現(xiàn)了PFC電路中SPWM。因此，在任何一個(gè)高頻周期內(nèi)，諧振網(wǎng)絡(luò)向電網(wǎng)吸取的能量總是大于零，故在輸入電壓的半個(gè)周期內(nèi)，導(dǎo)通角等于180度且輸入電流的低頻基波分量近似為一個(gè)與輸入電壓同頻同相的電量，從而達(dá)到了降低諧波電流，提高功率因數(shù)的目的。
圖1電路中二極管D1的輸入端接整流橋的輸出；第二二極管D2的負(fù)極接開(kāi)關(guān)管U1的漏極；電容C1接在主變壓器T1初級(jí)的一端與第二二極管D2的正極之間；第二電感L2串接在主變壓器初級(jí)的另一端和開(kāi)關(guān)管U1的源極之間，構(gòu)成了具有諧振式單級(jí)功率因數(shù)校正功能的計(jì)算機(jī)開(kāi)關(guān)電源電路，從而實(shí)現(xiàn)了功率因數(shù)校正，使功率因數(shù)由原來(lái)的0.66提高到0.9以上，而母線電壓不超過(guò)400伏。
圖1中元器件的最佳取值如下電容C1為0.33μF，電感L1為56μH，第二電感L2為128μH。
權(quán)利要求1.一種單級(jí)諧振式高功率因數(shù)開(kāi)關(guān)電源，包括依次相連的橋式整流、主變換開(kāi)關(guān)及主變壓器(T1)，與主變換開(kāi)關(guān)一輸入端連接的變換控制電路和位于主變換開(kāi)關(guān)與驅(qū)動(dòng)變壓器次級(jí)線圈之間的驅(qū)動(dòng)電路，所述的主變換開(kāi)關(guān)為雙管正激變換器，所述的雙管正激變換器包括串接的開(kāi)關(guān)管(U1)和第二開(kāi)關(guān)管(U2)，這兩個(gè)開(kāi)關(guān)管的柵極(G1，G2)與所述的驅(qū)動(dòng)電路相連；其特征在于該開(kāi)關(guān)電源還包括諧振式功率因數(shù)校正電路，所述的諧振式功率因數(shù)校正電路由帶輸出端(B)的串聯(lián)的貯能電容(C4，C5)和功率因數(shù)控制電路組成；所述的貯能電容(C4，C5)與串接的開(kāi)關(guān)管(U1)和第二開(kāi)關(guān)管(U2)并聯(lián)，它的輸出端(B)與所述的變換控制電路相連；所述的功率因數(shù)控制電路由依次相連的二極管(D1)、電感(L1)和第二二極管(D2)，以及電容(C1)和第二電感(L2)所組成，其中，二極管(D1)的正極接橋式整流的輸出，第二二極管(D2)的負(fù)極與開(kāi)關(guān)管(U1)的漏極相連，電容(C1)接在主變壓器(T1)初級(jí)的一端與第二二極管(D2)的正極之間，且該主變壓器(T1)初級(jí)的一端與第二開(kāi)關(guān)管(U2)的漏極連接；第二電感(L2)串接在主變壓器(T1)初級(jí)的另一端與開(kāi)關(guān)管(U1)的源極之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單級(jí)諧振式高功率因數(shù)開(kāi)關(guān)電源，其特征在于所述的開(kāi)關(guān)管(U1)和第二開(kāi)關(guān)管(U2)為IRFP450或IRFP830型開(kāi)關(guān)管。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的單級(jí)諧振式高功率因數(shù)開(kāi)關(guān)電源，其特征在于所述的二極管(D1)和第二二極管(D2)是GUR406或HER107型整流二極管。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的單級(jí)諧振式高功率因數(shù)開(kāi)關(guān)電源，其特征在于所述的電感(L1)為45-65μH，第二電感L2為110-150μH。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2或4所述的單級(jí)諧振式高功率因數(shù)開(kāi)關(guān)電源，其特征在于所述的電容(C1)為0.3-0.5μF。
專利摘要一種單級(jí)諧振式高功率因數(shù)開(kāi)關(guān)電源,包括依次相連的橋式整流、雙管正激變換器的主變換開(kāi)關(guān)及主變壓器,變換控制電路和驅(qū)動(dòng)電路,雙管正激變換器包括串接的開(kāi)關(guān)管和第二開(kāi)關(guān)管,其柵極與所述驅(qū)動(dòng)電路相連;該開(kāi)關(guān)電源還包括貯能電容和功率因數(shù)控制電路;貯能電容輸出端與變換控制電路連接;功率因數(shù)控制電路由依次相連的二極管、電感和第二二極管,電容和第二電感所組成,二極管的正極接橋式整流的輸出,第二二極管的負(fù)極與開(kāi)關(guān)管的漏極相連,電容接在主變壓器初級(jí)的一端與第二二極管的正極之間,該主變壓器初級(jí)的一端與第二開(kāi)關(guān)管的漏極連接;第二電感串接在主變壓器初級(jí)的另一端與開(kāi)關(guān)管的源極之間;該電源功率因數(shù)為0.9以上,且元器件數(shù)量少。
文檔編號(hào)H02M7/162GK2504822SQ0126050
公開(kāi)日2002年8月7日 申請(qǐng)日期2001年9月19日 優(yōu)先權(quán)日2001年9月19日
發(fā)明者張衛(wèi)平, 張東彥, 趙徐森, 薛中和, 李鋒毅, 馮樹(shù)林 申請(qǐng)人:太原剛玉衛(wèi)華儀器有限公司, 北方工業(yè)大學(xué)