專利名稱：單管一體化ac－dc隔離式開關電源的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種單管APFC與隔離式DC/DC變換一體化的AC-DC開關電源。
目前，開關電源廣泛應用于電子電氣設備之中，其與交流電網(wǎng)的接入端大都采用二極管整流電容濾波電路，輸入電流呈尖峰狀，遠遠偏離正弦波，諧波含量(THD)為95％～140％，功率因數(shù)(λ)只有0.6左右，不但影響電能利用效率，而且對電網(wǎng)產(chǎn)生嚴重干擾。經(jīng)過20年開關電源的應用已經(jīng)得到共識要促進開關電源的進一步發(fā)展，必須設法提高功率因數(shù)。也就是說功率因數(shù)校正成為開關電源發(fā)展的技術依托。功率因數(shù)校正技術分無源式和有源式兩種，無源功率因數(shù)校正的效果不佳，而有源功率因數(shù)校正雖然效果很好，但是帶來一些其他問題①開關器件增加，成本上升；②兩級電路，整機效率不易提高；③控制復雜，可靠性降低。因此，將有源功率因數(shù)校正(APFC)和DC/DC變換合成一級的一體化開關電源，成為開關電源的發(fā)展方向和研究的熱點。
本發(fā)明的目的是，克服上述現(xiàn)有技術的不足，提出一種單管一體化AC-DC隔離式開關電源，它采用單只開關管將有源功率因數(shù)校正(APFC)和隔離式DC/DC變換合成一級，提高了功率因數(shù)和整機效率，并且有效地降低了開關管的電壓應力。
本發(fā)明的實現(xiàn)根據(jù)下述原理。
1、由基本的PWM變換器——Buck-Boost變換器推演，再增加隔離環(huán)節(jié)，則得出一種廣泛應用的變換器——反激變換器(Flyback converter)，如
圖1所示。開關管VQ與快速二極管VD工作相位相反。當VQ導通時VD阻斷，變壓器原邊繞組Np電流增加而儲能；當VQ關斷時VD導通，變壓器儲能經(jīng)副邊繞組Ns輸出。電容C起儲能濾波作用。
2、由Buck(降壓型)變換器與單端隔離變壓器結合，可得出另一種典型的變換器——正激變換器(Forward converter)，如圖2所示。這是一個原邊和副邊同時工作的線路，即VQ與VD1工作相位相同，L和VD2起續(xù)流作用。由于原邊繞組Np通過的是單向脈動電流，一個實用的正激變換器電路，必須采取措施，使變壓器磁芯復位，從而得到一批變形電路(可參見開關電源方面的書籍)。
3、所謂有源功率因數(shù)校正器(APFC)，是在不控整流器與濾波電容器之間接入的一個DC/DC開關變換器。據(jù)此可以實現(xiàn)開關調(diào)制整流，即應用電壓-電流雙環(huán)反饋和脈寬調(diào)制技術(PWM)，使輸入電流波形跟蹤正弦輸入電壓波形。功率因數(shù)可提高到0.99或更高，THD小于5％。從原理上說，任何一種DC/DC變換器拓撲，如Buck、Boost、Flyback、Sepic乃至Zeta、Cuk，都可以用作APFC的主電路，但由于Boost變換器的特殊優(yōu)點，應用于APFC更為廣泛。對于Boost型APFC，電感可以工作于電流連續(xù)模式(CCM)或電流斷續(xù)模式(DCM)，該電路可在輸入電壓85～264VAC下工作，使輸出電壓保持穩(wěn)定。
根據(jù)上述原理，本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的一種單管一體化AC-DC隔離式開關電源，其主電路由整流橋VDH，濾波電容Ci，升壓電感L，開關管VQ，二極管VD、VD1、VD2、VDr，儲能電容C1、C2，隔離變壓器T和次級整流濾波電路構成；如圖4所示。次級整流濾波電路可采用正激式、反激式，還可以是正-反激合并式。既可以一組電壓輸出，又可以多組輸出。圖4所示為反激式一組輸出或正激式一組輸出。
主電路初級(創(chuàng)新部分)的連接關系是整流橋VDH的交流輸入端連接交流電網(wǎng)，VDH的直流輸出端的正極接濾波電容Ci的一端和升壓電感L的一端；L的另一端接二極管VDr的陽極，VDr的陰極接開關管VQ的漏極，VQ的源極接波電容Ci的另一端和VDH的直流輸出端的負極。隔離變壓器T有兩個匝數(shù)相等的初級繞組Np1、Np2，初級繞組Np1的一端接儲能電容C2的正極和二極管VD的陰極，Np1的另一端接二極管VD1的陽極，VD1的陰極接儲能電容C1的正極；另一初級繞組Np2的一端接儲能電容C1的負極和二極管VD的陽極，Np2的另一端接二極管VD2的陰極，VD2的陽極接儲能電容C2的負極。儲能電容C1的正極接開關管VQ的漏極，VQ的源極接儲能電容C2的負極。
該主電路拓撲結構可以工作于反激模式、也可以工作于正激模式，還可以是正-反激合并模式；控制方法可以是PWM控制，也可以是PFM控制，還可以是調(diào)頻調(diào)寬綜合控制；升壓電感L既可以是電流連續(xù)模式(CCM)，也可以是電流斷續(xù)模式(DCM)。最好升壓電感的工作模式與其DC/DC變換器一致，這樣便于PWM控制，DCM時功率因數(shù)較高，但一般只適用于小功率場合。
該開關電源的基本工作原理分析如下若DC/DC變換器工作于反激模式。當開關管VQ導通時，二極管VD關斷，二極管VD1、VD2、VDr導通，濾波電容Ci通過升壓電感L放電，L的電流線性上升而儲能；同時，儲能電容C1、C2分別給變壓器T的兩個初級繞組Np2、Np1供電。當開關管VQ關斷時，二極管VD導通，變壓器T的儲能由次級繞組反激輸出，次級電壓反射到初級的電壓低于儲能電容電壓Vc(Vc＝Vc1＝Vc2，Vc1、Vc2分別為儲能電容C1、C2的電壓)，二極管VD1、VD2關斷，L通過VDr、VD給儲能電容C1、C2充電，開關管VQ的電壓被鉗位于2Vc(2Vc約為500V左右)，從而有效地抑制了其電壓應力。由于升壓電感L起APFC的作用，故輸入電流諧波含量(THD)大大降低，即輸入功率因數(shù)較高(尤其是在DCM模式下)。
若DC/DC變換器工作于正激模式，其工作原理與反激模式基本一致，不同之處在于，VQ導通時，次級繞組輸出能量，VQ關斷時，兩個初級繞組Np1、Np2通過VD1、VD2分別給C1、C2充電，從而使磁芯復位。若DC/DC變換器工作于正-反激合并模式，其工作過程為正激模式和反激模式的結合。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有如下優(yōu)越性①單只開關管即實現(xiàn)了APFC與DC/DC變換的一體化，結構簡單，效率高；②既適用于反激式變換，又適用于正激式或正-反激合并式變換；③提高了功率因數(shù)，減小了諧波污染；④有效地抑制了開關管的電壓應力。
下面結合附圖以最佳實施例詳述本發(fā)明。
圖1為反激變換器電路圖；圖2為正激變換器電路圖；圖3為Boost型功率因數(shù)校正器(APFC)電路原理圖；圖4為單管一體化AC-DC隔離式開關電源的主電路圖；如圖4所示，一種單管一體化AC-DC隔離式開關電源，其主電路由整流橋(VDH)，濾波電容(Ci)，升壓電感(L)，開關管(VQ)，二極管(VD、VD1、VD2、VDr)，儲能電容(C1、C2)，隔離變壓器(T)和次級整流濾波電路構成。次級整流濾波電路為反激式一組輸出。
主電路初級的連接關系是整流橋(VDH)的交流輸入端連接交流電網(wǎng)，(VDH)的直流輸出端的正極接濾波電容(Ci)的一端和升壓電感(L)的一端；(L)的另一端接二極管(VDr)的陽極，(VDr)的陰極接開關管(VQ)的漏極，(VQ)的源極接波電容(Ci)的另一端和(VDH)的直流輸出端的負極。隔離變壓器(T)有兩個匝數(shù)相等的初級繞組(Np1、Np2)，初級繞組(Np1)的一端接儲能電容(C2)的正極和二極管(VD)的陰極，(Np1)的另一端接二極管(VD1)的陽極，(VD1)的陰極接儲能電容(C1)的正極；另一初級繞組(Np2)的一端接儲能電容(C1)的負極和二極管(VD)的陽極，(Np2)的另一端接二極管(VD2)的陰極，(VD2)的陽極接儲能電容(C2)的負極。儲能電容(C1)的正極接開關管(VQ)的漏極，(VQ)的源極接儲能電容(C2)的負極。
升壓電感(L)與其DC/DC變換器均工作于DCM模式。主電路參數(shù)為交流電網(wǎng)電壓有效值Vs＝220V±15％；四組反激式輸出電壓Vo1＝90V，Vo2＝20V，Vo3＝12V，Vo4＝6.3V；總輸出功率Po＝60W；開關頻率fs＝33kHz；額定占空比De＝0.235。升壓電感L＝1.65mH(EI25/7/7磁芯170匝)；變壓器T初級繞組電感Lp1＝Lp2＝0.84mH(EI30/11磁芯55匝)。開關管VQ2SK904。
權利要求
1.一種單管一體化AC-DC隔離式開關電源，其次級輸出整流濾波電路可采用正激式或反激式或正-反激合并式，既可以一組電壓輸出，又可以多組電壓輸出；其特征是主電路初級部分由整流橋(VDH)、濾波電容(Ci)、升壓電感(L)、開關管(VQ)、二極管(VD、VD1、VD2、VDr)、儲能電容(C1、C2)、隔離變壓器(T)構成，隔離變壓器(T)有兩個匝數(shù)相等的初級繞組(Np1、Np2)；其拓撲連接關系為整流橋(VDH)的交流輸入端連接交流電網(wǎng)，整流橋(VDH)的直流輸出端的正極接濾波電容(Ci)的一端和升壓電感(L)的一端；升壓電感(L)的另一端接二極管(VDr)的陽極，二極管(VDr)的陰極接開關管(VQ)的漏極，開關管(VQ)的源極接波電容(Ci)的另一端和整流橋(VDH)的直流輸出端的負極；隔離變壓器(T)的初級繞組(Np1)的一端接儲能電容(C2)的正極和二極管(VD)的陰極，初級繞組(Np1)的另一端接二極管(VD1)的陽極，二極管(VD1)的陰極接儲能電容(C1)的正極；隔離變壓器(T)的另一初級繞組(Np2)的一端接儲能電容(C1)的負極和二極管(VD)的陽極，另一初級繞組(Np2)的另一端接二極管(VD2)的陰極，二極管(VD2)的陽極接儲能電容(C2)的負極；儲能電容(C1)的正極接開關管(VQ)的漏極，開關管(VQ)的源極接儲能電容(C2)的負極。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種單管APFC與隔離式DC/DC變換一體化的AC－DC開關電源，其主電路由整流橋(VD
文檔編號H02M7/5383GK1960154SQ200510119748
公開日2007年5月9日 申請日期2005年11月4日 優(yōu)先權日2005年11月4日
發(fā)明者張焱植 申請人:周春香