一種磁耦合型單相高增益無(wú)橋功率因數(shù)校正電路的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種磁耦合型單相高增益無(wú)橋功率因數(shù)校正電路，包括交流輸入電源，第一電感，第一二極管，第二二極管，第一開關(guān)管及其反并聯(lián)二極管，第二開關(guān)管及其反并聯(lián)二極管，第一電容，第三二極管，變壓器，第二電容，第四二極管，輸出電容；交流輸入電源分別接第一電感、第一開關(guān)管、第二開關(guān)管；第一電感分別接第一二極管和第二二極管；第一二極管分別接第一開關(guān)管、第一電容、第三二極管；第二二極管分別接第二開關(guān)管、變壓器原邊、第二電容、輸出電容、負(fù)載；第一電容接變壓器原邊；變壓器副邊分別接第三二極管和第二電容；變壓器副邊接第四二極管；第四二極管分別接輸出電容和負(fù)載。本實(shí)用新型有較高的工作效率，輸出電壓調(diào)節(jié)范圍廣。
【專利說(shuō)明】一種磁耦合型單相高增益無(wú)橋功率因數(shù)校正電路
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及單相功率因數(shù)校正的【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其是指一種磁耦合型單相高增益無(wú)橋功率因數(shù)校正電路。
【背景技術(shù)】
[0002]業(yè)內(nèi)習(xí)知，為了減少對(duì)電網(wǎng)的諧波污染，要求功率大于75W的電力電子裝置需具備功率因數(shù)校正功能。目前應(yīng)用廣泛的單相功率因數(shù)校正電路均由二極管整流橋加Boost、Flyback等DC/DC變換器構(gòu)成，由于二極管整流橋普遍存在導(dǎo)通壓降，降低了整機(jī)的效率。此外，傳統(tǒng)的單相Boost功率因數(shù)校正電路的升壓比受占空比所限，而單相Flyback功率因數(shù)校正電路一般工作在電流斷續(xù)模式，開關(guān)管損耗大，且漏感會(huì)造成開關(guān)管的電壓應(yīng)力增大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本實(shí)用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種結(jié)構(gòu)合理可靠、性能優(yōu)越、輸出電壓的調(diào)節(jié)范圍更廣、高效的磁耦合型單相高增益無(wú)橋功率因數(shù)校正電路。
[0004]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型所提供的技術(shù)方案為:一種磁耦合型單相高增益無(wú)橋功率因數(shù)校正電路，包括有交流輸入電源，第一電感，第一二極管，第二二極管，第一開關(guān)管及其反并聯(lián)二極管，第二開關(guān)管及其反并聯(lián)二極管，第一電容，第三二極管，變壓器，第二電容，第四二極管，輸出電容；其中，所述交流輸入電源的一端與第一電感的一端連接，其另一端分別與第一開關(guān)管的源極和第二開關(guān)管的漏極連接；所述第一電感的另一端分別與第一二極管的陽(yáng)極和第二二極管的陰極連接；所述第一二極管的陰極分別與第一開關(guān)管的漏極、第一電容的一端、第三二極管的陽(yáng)極連接；所述第二二極管的陽(yáng)極分別與第二開關(guān)管的源極、變壓器原邊的異名端、第二電容的一端、輸出電容的一端、負(fù)載的一端連接；所述第一電容的另一端與變壓器原邊的同名端連接；所述變壓器副邊的異名端分別與第三二極管的陰極和第二電容的另一端連接；所述變壓器副邊的同名端與第四二極管的陽(yáng)極連接；所述第四二極管的陰極分別與輸出電容的另一端和負(fù)載的另一端連接；所述輸出電容和負(fù)載并聯(lián)。
[0005]所述第一開關(guān)管和第二開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)一致。
[0006]所述第一開關(guān)管和第二開關(guān)管為具有逆導(dǎo)特性的功率開關(guān)管。
[0007]所述第一開關(guān)管和第二開關(guān)管為帶反并聯(lián)二極管的功率開關(guān)管。
[0008]所述變壓器原副邊的匝比為l:n。
[0009]本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)與有益效果:
[0010]1、穩(wěn)態(tài)增益為1+nD/1-D，可以通過(guò)提高變壓器匝比，輸出較高的直流電壓；
[0011]2、利用開關(guān)管代替原有整流橋中的兩個(gè)二極管，減少了器件的導(dǎo)通壓降，提高了整機(jī)效率；[0012]3、開關(guān)管承受的電壓小于輸出電壓，電壓應(yīng)力低，不僅降低了電路成本，而且尤其適用于高電壓輸出的場(chǎng)合。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0013]圖1為本實(shí)用新型的電路原理圖。
[0014]圖2為交流輸入電壓正半周時(shí)一個(gè)開關(guān)周期主要元件的電壓電流波形圖。
[0015]圖3a為交流輸入電壓正半周時(shí)一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)電路模態(tài)圖之一。
[0016]圖3b為交流輸入電壓正半周時(shí)一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)電路模態(tài)圖之二。
[0017]圖3c為交流輸入電壓正半周時(shí)一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)電路模態(tài)圖之三。
[0018]圖4為交流輸入電壓負(fù)半周時(shí)一個(gè)開關(guān)周期主要元件的電壓電流波形圖。
[0019]圖5a為交流輸入電壓負(fù)半周時(shí)一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)電路模態(tài)圖之一。
[0020]圖5b為交流輸入電壓負(fù)半周時(shí)一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)電路模態(tài)圖之二。
[0021]圖5c為交流輸入電壓負(fù)半周時(shí)一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)電路模態(tài)圖之三。
[0022]圖6為本實(shí)用新型電路和單相Flyback功率因數(shù)校正變換器的穩(wěn)態(tài)增益對(duì)比圖。
[0023]圖7為第一電感 L1的電流Iu的仿真波形圖。
[0024]圖8為輸出電壓V。和第一開關(guān)管S1的漏源極電壓Vsi大小對(duì)比仿真波形圖。
[0025]圖9為第一電感L1的電流Iu和輸入電壓Vin的仿真波形圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026]下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0027]參見(jiàn)圖1所示，本實(shí)施例所述的磁耦合型單相高增益無(wú)橋功率因數(shù)校正電路，包括有交流輸入電源AC,第一電感L1,第一二極管D1,第二二極管D2,第一開關(guān)管S1及其反并聯(lián)二極管Dsi，第二開關(guān)管S2及其反并聯(lián)二極管Ds2，第一電容C1，第三二極管D3,原副邊匝比為l:n的變壓器T，第二電容(:2，第四二極管D4，輸出電容Cwt ;其中，所述交流輸入電源AC的一端與第一電感1^的一端連接，其另一端分別與第一開關(guān)管S1的源極和第二開關(guān)管S2的漏極連接；所述第一電感L1的另一端分別與第一二極管D1的陽(yáng)極和第二二極管D2的陰極連接；所述第一二極管D1的陰極分別與第一開關(guān)管S1的漏極、第一電容C1的一端、第三二極管D3的陽(yáng)極連接；所述第二二極管D2的陽(yáng)極分別與第二開關(guān)管S2的源極、變壓器T原邊的異名端、第二電容C2的一端、輸出電容Crat的一端、負(fù)載的一端連接；所述第一電容C1的另一端與變壓器T原邊的同名端連接；所述變壓器T副邊的異名端分別與第三二極管D3的陰極和第二電容C2的另一端連接；所述變壓器T副邊的同名端與第四二極管D4的陽(yáng)極連接；所述第四二極管D4的陰極分別與輸出電容Crat的另一端和負(fù)載的另一端連接；所述輸出電容Ctjut和負(fù)載并聯(lián)。所述第一開關(guān)管S1和第二開關(guān)管S2的驅(qū)動(dòng)信號(hào)一致，該第一開關(guān)管S1和第二開關(guān)管S2可以是具有逆導(dǎo)特性的功率開關(guān)管，或帶反并聯(lián)二極管的功率開關(guān)管。
[0028]在本實(shí)施例中，本實(shí)用新型所述的磁耦合型單相高增益無(wú)橋功率因數(shù)校正電路的具體情況如下:
[0029]I)交流輸入電源的正半周，即交流輸入電壓Vin左正右負(fù)
[0030]在此階段，第一二極管D1承受正向電壓，一直處于導(dǎo)通狀態(tài)，第二二極管D2承受反向電壓，一直處于關(guān)斷狀態(tài)；此階段的一個(gè)開關(guān)周期中第一電感L1的電流Iu、變壓器T原邊電感Lp2的電流Iuj2、第三二極管D3的電流Id3、輸出電壓V。、第一開關(guān)管S1的漏源極電壓Vs1、第二開關(guān)管S2的漏源極電壓Vs2、第一電容C1的電壓Va、第二電容C2的電壓Vc2和第三二極管03的反向電壓Vd3波形圖具體如圖2所示。
[0031]a、在階段h~I1，此階段的模態(tài)圖如圖3a所示，在h時(shí)刻，驅(qū)動(dòng)信號(hào)' ?從低電
平變?yōu)楦唠娖?，第一開關(guān)管S1和第二開關(guān)管S2導(dǎo)通，第一開關(guān)管S1的寄生二極管Dsi和第二開關(guān)管S2的寄生二極管Ds2承受反向電壓，處于關(guān)斷狀態(tài)；交流輸入電壓Vin通過(guò)第一開關(guān)管S1和第一二極管D1給第一電感L1充電；第一電容C1通過(guò)第一開關(guān)管S1和第二開關(guān)管S2給變壓器T的原邊電感Lp2充電；第四二極管D4承受反向電壓，處于關(guān)斷狀態(tài)；由于第二電容C2無(wú)放電通路，所以其電壓Vc2維持不變；第三二極管D3反向電壓為正，處于關(guān)斷狀態(tài)；輸出電容Crat給負(fù)載供電,維持輸出電壓V。恒定。
[0032]b、在階段^~t2，此階段的模態(tài)圖如圖3b所示，在h時(shí)刻，驅(qū)動(dòng)信號(hào)匕,g2從高電平變?yōu)榈碗娖剑谝婚_關(guān)管S1和第二開關(guān)管S2關(guān)斷，第一開關(guān)管S1的寄生二極管Dsi承受反向電壓為正，依然處于關(guān)斷狀態(tài)；第二開關(guān)管S2的寄生二極管Ds2承受反向電壓為負(fù)，處于導(dǎo)通狀態(tài)；交流輸入電壓Vin通過(guò)第一電感L1給第一電容C1和變壓器T的原邊電感Lp2充電，此時(shí)第一電容C1充電電流是第一電感L1的電流Iu ;第四二極管D4承受正向電壓,處于導(dǎo)通狀態(tài)；變壓器T的副邊電感Ls2和第二電容C2通過(guò)第四二極管D4給輸出電容Cwt充電和負(fù)載供電；由于第二電容C2的電壓大于交流輸入電壓Vin和第一電感L1的電壓，所以第三二極管D3的反向電壓為正,處于關(guān)斷狀態(tài)；輸出電容Ctjut給負(fù)載供電,維持輸出電壓V。恒定。
[0033]C、在階段t2~t3，此階段的模態(tài)圖如圖3c所示，驅(qū)動(dòng)信號(hào)匕&依然為低電平，第
一開關(guān)管S1和第二開關(guān)管S2關(guān)斷，第一開關(guān)管S1的寄生二極管Dsi承受正向電壓，處于導(dǎo)通狀態(tài)；第二開關(guān)管S2的寄生二極管Ds2承受反向電壓，處于關(guān)斷狀態(tài)；交流輸入電壓Vin通過(guò)第一電感L1給第一電容C1和變壓器T的原邊電感Lp2充電,此時(shí)第一電容C1充電電流小于第一電感L1的電流Iu ;第四二極管D4承受正向電壓，處于導(dǎo)通狀態(tài)；變壓器T的副邊電感Ls2通過(guò)第四二極管D4給輸出電容Ctjut充電和負(fù)載供電；由于第二電容C2的電壓小于交流輸入電壓Vin和第一電感L1的電壓，所以第三二極管D3導(dǎo)通；交流輸入電壓Vin通過(guò)第一電感L1和第三二極管D3給第二電容C2充電。
[0034]2)交流輸入電源的負(fù)半周，即交流輸入電壓Vin左負(fù)右正
[0035]在此階段，第一二極管D1承受反向電壓，一直處于關(guān)斷狀態(tài)，第二二極管D2承受正向電壓，一直處于導(dǎo)通狀態(tài)；此階段的一個(gè)開關(guān)周期中第一電感L1的電流Iu、變壓器T原邊電感Lp2的電流Iuj2、第三二極管D3的電流Id3、輸出電壓V。、第一開關(guān)管S1的漏源極電壓Vs1、第二開關(guān)管S2的漏源極電壓Vs2、第一電容C1的電壓Va、第二電容C2的電壓Vc2和第三二極管03的反向電壓Vd3波形圖具體如圖4所示。
[0036]a、在階段h~h，此階段的模態(tài)圖如圖5a所示，在h時(shí)刻，驅(qū)動(dòng)信號(hào)P 從低電 平變?yōu)楦唠娖?，第一開關(guān)管S1和第二開關(guān)管S2導(dǎo)通，第一開關(guān)管S1的寄生二極管Dsi和第二開關(guān)管S2的寄生二極管Ds2承受反向電壓，處于關(guān)斷狀態(tài)；交流輸入電壓Vin通過(guò)第二開關(guān)管S2和第二二極管D2給第一電感L1充電；第一電容C1通過(guò)第一開關(guān)管S1和第二開關(guān)管S2給變壓器T的原邊電感Lp2充電；第四二極管D4承受反向電壓，處于關(guān)斷狀態(tài)；由于第二電容C2無(wú)放電通路，所以其電壓Vc2維持不變；第三二極管D3反向電壓為正，處于關(guān)斷狀態(tài)；輸出電容Crat給負(fù)載供電,維持輸出電壓V。恒定。
[0037]b、在階段&~t2，此階段的模態(tài)圖如圖5b所示，在&時(shí)刻，驅(qū)動(dòng)信號(hào)&從高電
平變?yōu)榈碗娖?，第一開關(guān)管S1和第二開關(guān)管S2關(guān)斷，第一開關(guān)管S1的寄生二極管Dsi承受反向電壓為正，依然處于關(guān)斷狀態(tài)；第二開關(guān)管S2的寄生二極管Ds2承受反向電壓為負(fù)，處于導(dǎo)通狀態(tài)；交流輸入電壓Vin通過(guò)第一電感L1給第一電容C1和變壓器T的原邊電感Lp2充電，此時(shí)第一電容仏的充電電流是第一電感L1的電流Iu ;第四二極管D4承受正向電壓，處于導(dǎo)通狀態(tài)；變壓器T的副邊電感Ls2和第二電容C2通過(guò)第四二極管D4給輸出電容Crat充電和負(fù)載供電；由于第二電容C2的電壓大于交流輸入電壓Vin和第一電感L1的電壓，所以第三二極管D3反向電壓為正，處于關(guān)斷狀態(tài)。
[0038]C、在階段t2~t3，此階段的模態(tài)圖如圖5c所示，驅(qū)動(dòng)信號(hào)依然為低電平，第
一開關(guān)管S1和第二開關(guān)管S2關(guān)斷，第一開關(guān)管S1的寄生二極管Dsi承受反向電壓為正，依然處于關(guān)斷狀態(tài)；第二開關(guān)管S2的寄生二極管Ds2承受反向電壓，處于導(dǎo)通狀態(tài)；交流輸入電壓Vin通過(guò)第一電感L1給第一電容C1和變壓器T的原邊電感Lp2充電,此時(shí)第一電容C1的充電電流小于第一電感L1的電流Iu ;第四二極管D4承受正向電壓，處于導(dǎo)通狀態(tài)；變壓器T的副邊電感Ls2通過(guò)第四二極管D4給輸出電容Crat充電和負(fù)載供電；由于第二電容C2的電壓小于交流輸入電壓Vin和第一電感L1的電壓,所以第三二極管D3導(dǎo)通；交流輸入電壓Vin通過(guò)第一電感L1和第三二極管D3給第二電容C2充電。
[0039]3)穩(wěn)態(tài)增益
[0040]以交流輸入電 壓的正半周為例分析一種高增益無(wú)橋變換器的穩(wěn)態(tài)增益。第一電感L1的電壓一個(gè)開關(guān)周期平均值為零，因此可得到如下式(1)，由下式(I)可得到輸入電壓
Vin(t)與第二電容C2的電壓。^的關(guān)系式如下式(2)。
[0041]VinD = (Vc2-Vin) (1-D)(I)
[0042]VmD= (V -K--^Xl-D)(2)

η
V.1
[0043]—^ =--C3)
V 1-D

in
[0044]變壓器T的原邊電感Lp2的一個(gè)開關(guān)周期平均值為零，因此可得到如下式(4)，由上式(2)、(3)和下式(5)可得到輸入電壓Vin(t)與輸出電壓V。的關(guān)系式如下式(6)。
[0045]FnD = ^(1-D)(4)

η
Kn nD(c-s
[0046]— =--(5)
V.1-D

in
V0 V01 Vco I + nD,.[0047]— = —+ ^ =--(6)
L J V.V.V.1-D
minin[0048]已知單相Flyback功率因數(shù)校正變換器的穩(wěn)態(tài)增益為Nd/1-D設(shè)變壓器匝比n=3
時(shí)，本實(shí)用新型電路和單相Flyback功率因數(shù)校正變換器的電壓增益V</Vin隨占空比D變化的波形圖如圖6所示。從圖6中可知，在相同的占空比、匝比和輸入電壓的條件下，本實(shí)用新型電路的輸出電壓比單相Flyback功率因數(shù)校正變換器高。
[0049]現(xiàn)在對(duì)本實(shí)用新型實(shí)施進(jìn)行仿真驗(yàn)證，其仿真結(jié)果具體如圖7、圖8和圖9所示。輸入電流，即第一電感L1的電流Iu的仿真波形如圖7所示，其諧波含量THD值為1.9% ;輸出電壓V。和第一開關(guān)管S1的漏源極電壓Vsi對(duì)比圖如圖8所示，由圖中可見(jiàn)第一開關(guān)管S1的漏源極電壓Vsi小于輸出電壓V。，說(shuō)明開關(guān)管的電壓應(yīng)力較低，本實(shí)用新型電路尤其適合于輸出高電壓的場(chǎng)合；輸入電流，即第一電感L1的電流Iu和輸入電壓Vin仿真波形圖如圖9所示，輸入電流與輸入電壓的功率因數(shù)PF為0.9994，接近于I。
[0050]以上所述之實(shí)施例子只為本實(shí)用新型之較佳實(shí)施例，并非以此限制本實(shí)用新型的實(shí)施范圍，故凡依本實(shí)用新型之形狀、原理所作的變化，均應(yīng)涵蓋在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種磁耦合型單相高增益無(wú)橋功率因數(shù)校正電路，其特征在于:包括有交流輸入電源(AC)，第一電感(1^)，第一二極管(D1),第二二極管(D2)，第一開關(guān)管(S1)及其反并聯(lián)二極管(DS1)，第二開關(guān)管(S2)及其反并聯(lián)二極管(DS2)，第一電容(C1),第三二極管(D3)，變壓器(T)，第二電容(C2),第四二極管(D4)，輸出電容(Crat);其中，所述交流輸入電源(AC)的一端與第一電感(L1)的一端連接，其另一端分別與第一開關(guān)管(S1)的源極和第二開關(guān)管(S2)的漏極連接；所述第一電感(L1)的另一端分別與第一二極管(D1)的陽(yáng)極和第二二極管(D2)的陰極連接；所述第一二極管(D1)的陰極分別與第一開關(guān)管(S1)的漏極、第一電容(C1)的一端、第三二極管(D3)的陽(yáng)極連接；所述第二二極管(D2)的陽(yáng)極分別與第二開關(guān)管(S2)的源極、變壓器(T)原邊的異名端、第二電容(C2)的一端、輸出電容(Ctjut)的一端、負(fù)載的一端連接；所述第一電容(C1)的另一端與變壓器(T)原邊的同名端連接；所述變壓器(T)副邊的異名端分別與第三二極管(D3)的陰極和第二電容(C2)的另一端連接；所述變壓器(T)副邊的同名端與第四二極管(D4)的陽(yáng)極連接；所述第四二極管(D4)的陰極分別與輸出電容(Cout)的另一端和負(fù)載的另一端連接；所述輸出電容(Cwt)和負(fù)載并聯(lián)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種磁耦合型單相高增益無(wú)橋功率因數(shù)校正電路，其特征在于:所述第一開關(guān)管(S1)和第二開關(guān)管(S2)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)一致。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種磁耦合型單相高增益無(wú)橋功率因數(shù)校正電路，其特征在于:所述第一開關(guān)管(S1)和第二開關(guān)管(S2)為具有逆導(dǎo)特性的功率開關(guān)管。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種磁耦合型單相高增益無(wú)橋功率因數(shù)校正電路，其特征在于:所述第一開關(guān)管(S1)和第二開關(guān)管(S2)為帶反并聯(lián)二極管的功率開關(guān)管。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種磁耦合型單相高增益無(wú)橋功率因數(shù)校正電路，其特征在于:所述變壓器(T)原副 邊的匝比為l:n。
【文檔編號(hào)】H02M1/42GK203691228SQ201420011309
【公開日】2014年7月2日 申請(qǐng)日期:2014年1月8日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月8日
【發(fā)明者】丘東元, 周麗萍, 張波, 肖文勛, 黃子田 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué)