专利名称：单管一体化ac－dc隔离式开关电源的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种单管APFC与隔离式DC/DC变换一体化的AC-DC开关电源。
目前，开关电源广泛应用于电子电气设备之中，其与交流电网的接入端大都采用二极管整流电容滤波电路，输入电流呈尖峰状，远远偏离正弦波，谐波含量(THD)为95％～140％，功率因数(λ)只有0.6左右，不但影响电能利用效率，而且对电网产生严重干扰。经过20年开关电源的应用已经得到共识要促进开关电源的进一步发展，必须设法提高功率因数。也就是说功率因数校正成为开关电源发展的技术依托。功率因数校正技术分无源式和有源式两种，无源功率因数校正的效果不佳，而有源功率因数校正虽然效果很好，但是带来一些其他问题①开关器件增加，成本上升；②两级电路，整机效率不易提高；③控制复杂，可靠性降低。因此，将有源功率因数校正(APFC)和DC/DC变换合成一级的一体化开关电源，成为开关电源的发展方向和研究的热点。
本发明的目的是，克服上述现有技术的不足，提出一种单管一体化AC-DC隔离式开关电源，它采用单只开关管将有源功率因数校正(APFC)和隔离式DC/DC变换合成一级，提高了功率因数和整机效率，并且有效地降低了开关管的电压应力。
本发明的实现根据下述原理。
1、由基本的PWM变换器——Buck-Boost变换器推演，再增加隔离环节，则得出一种广泛应用的变换器——反激变换器(Flyback converter)，如
图1所示。开关管VQ与快速二极管VD工作相位相反。当VQ导通时VD阻断，变压器原边绕组Np电流增加而储能；当VQ关断时VD导通，变压器储能经副边绕组Ns输出。电容C起储能滤波作用。
2、由Buck(降压型)变换器与单端隔离变压器结合，可得出另一种典型的变换器——正激变换器(Forward converter)，如图2所示。这是一个原边和副边同时工作的线路，即VQ与VD1工作相位相同，L和VD2起续流作用。由于原边绕组Np通过的是单向脉动电流，一个实用的正激变换器电路，必须采取措施，使变压器磁芯复位，从而得到一批变形电路(可参见开关电源方面的书籍)。
3、所谓有源功率因数校正器(APFC)，是在不控整流器与滤波电容器之间接入的一个DC/DC开关变换器。据此可以实现开关调制整流，即应用电压-电流双环反馈和脉宽调制技术(PWM)，使输入电流波形跟踪正弦输入电压波形。功率因数可提高到0.99或更高，THD小于5％。从原理上说，任何一种DC/DC变换器拓扑，如Buck、Boost、Flyback、Sepic乃至Zeta、Cuk，都可以用作APFC的主电路，但由于Boost变换器的特殊优点，应用于APFC更为广泛。对于Boost型APFC，电感可以工作于电流连续模式(CCM)或电流断续模式(DCM)，该电路可在输入电压85～264VAC下工作，使输出电压保持稳定。
根据上述原理，本发明是这样实现的一种单管一体化AC-DC隔离式开关电源，其主电路由整流桥VDH，滤波电容Ci，升压电感L，开关管VQ，二极管VD、VD1、VD2、VDr，储能电容C1、C2，隔离变压器T和次级整流滤波电路构成；如图4所示。次级整流滤波电路可采用正激式、反激式，还可以是正-反激合并式。既可以一组电压输出，又可以多组输出。图4所示为反激式一组输出或正激式一组输出。
主电路初级(创新部分)的连接关系是整流桥VDH的交流输入端连接交流电网，VDH的直流输出端的正极接滤波电容Ci的一端和升压电感L的一端；L的另一端接二极管VDr的阳极，VDr的阴极接开关管VQ的漏极，VQ的源极接波电容Ci的另一端和VDH的直流输出端的负极。隔离变压器T有两个匝数相等的初级绕组Np1、Np2，初级绕组Np1的一端接储能电容C2的正极和二极管VD的阴极，Np1的另一端接二极管VD1的阳极，VD1的阴极接储能电容C1的正极；另一初级绕组Np2的一端接储能电容C1的负极和二极管VD的阳极，Np2的另一端接二极管VD2的阴极，VD2的阳极接储能电容C2的负极。储能电容C1的正极接开关管VQ的漏极，VQ的源极接储能电容C2的负极。
该主电路拓扑结构可以工作于反激模式、也可以工作于正激模式，还可以是正-反激合并模式；控制方法可以是PWM控制，也可以是PFM控制，还可以是调频调宽综合控制；升压电感L既可以是电流连续模式(CCM)，也可以是电流断续模式(DCM)。最好升压电感的工作模式与其DC/DC变换器一致，这样便于PWM控制，DCM时功率因数较高，但一般只适用于小功率场合。
该开关电源的基本工作原理分析如下若DC/DC变换器工作于反激模式。当开关管VQ导通时，二极管VD关断，二极管VD1、VD2、VDr导通，滤波电容Ci通过升压电感L放电，L的电流线性上升而储能；同时，储能电容C1、C2分别给变压器T的两个初级绕组Np2、Np1供电。当开关管VQ关断时，二极管VD导通，变压器T的储能由次级绕组反激输出，次级电压反射到初级的电压低于储能电容电压Vc(Vc＝Vc1＝Vc2，Vc1、Vc2分别为储能电容C1、C2的电压)，二极管VD1、VD2关断，L通过VDr、VD给储能电容C1、C2充电，开关管VQ的电压被钳位于2Vc(2Vc约为500V左右)，从而有效地抑制了其电压应力。由于升压电感L起APFC的作用，故输入电流谐波含量(THD)大大降低，即输入功率因数较高(尤其是在DCM模式下)。
若DC/DC变换器工作于正激模式，其工作原理与反激模式基本一致，不同之处在于，VQ导通时，次级绕组输出能量，VQ关断时，两个初级绕组Np1、Np2通过VD1、VD2分别给C1、C2充电，从而使磁芯复位。若DC/DC变换器工作于正-反激合并模式，其工作过程为正激模式和反激模式的结合。
本发明与现有技术相比具有如下优越性①单只开关管即实现了APFC与DC/DC变换的一体化，结构简单，效率高；②既适用于反激式变换，又适用于正激式或正-反激合并式变换；③提高了功率因数，减小了谐波污染；④有效地抑制了开关管的电压应力。
下面结合附图以最佳实施例详述本发明。
图1为反激变换器电路图；图2为正激变换器电路图；图3为Boost型功率因数校正器(APFC)电路原理图；图4为单管一体化AC-DC隔离式开关电源的主电路图；如图4所示，一种单管一体化AC-DC隔离式开关电源，其主电路由整流桥(VDH)，滤波电容(Ci)，升压电感(L)，开关管(VQ)，二极管(VD、VD1、VD2、VDr)，储能电容(C1、C2)，隔离变压器(T)和次级整流滤波电路构成。次级整流滤波电路为反激式一组输出。
主电路初级的连接关系是整流桥(VDH)的交流输入端连接交流电网，(VDH)的直流输出端的正极接滤波电容(Ci)的一端和升压电感(L)的一端；(L)的另一端接二极管(VDr)的阳极，(VDr)的阴极接开关管(VQ)的漏极，(VQ)的源极接波电容(Ci)的另一端和(VDH)的直流输出端的负极。隔离变压器(T)有两个匝数相等的初级绕组(Np1、Np2)，初级绕组(Np1)的一端接储能电容(C2)的正极和二极管(VD)的阴极，(Np1)的另一端接二极管(VD1)的阳极，(VD1)的阴极接储能电容(C1)的正极；另一初级绕组(Np2)的一端接储能电容(C1)的负极和二极管(VD)的阳极，(Np2)的另一端接二极管(VD2)的阴极，(VD2)的阳极接储能电容(C2)的负极。储能电容(C1)的正极接开关管(VQ)的漏极，(VQ)的源极接储能电容(C2)的负极。
升压电感(L)与其DC/DC变换器均工作于DCM模式。主电路参数为交流电网电压有效值Vs＝220V±15％；四组反激式输出电压Vo1＝90V，Vo2＝20V，Vo3＝12V，Vo4＝6.3V；总输出功率Po＝60W；开关频率fs＝33kHz；额定占空比De＝0.235。升压电感L＝1.65mH(EI25/7/7磁芯170匝)；变压器T初级绕组电感Lp1＝Lp2＝0.84mH(EI30/11磁芯55匝)。开关管VQ2SK904。
权利要求
1.一种单管一体化AC-DC隔离式开关电源，其次级输出整流滤波电路可采用正激式或反激式或正-反激合并式，既可以一组电压输出，又可以多组电压输出；其特征是主电路初级部分由整流桥(VDH)、滤波电容(Ci)、升压电感(L)、开关管(VQ)、二极管(VD、VD1、VD2、VDr)、储能电容(C1、C2)、隔离变压器(T)构成，隔离变压器(T)有两个匝数相等的初级绕组(Np1、Np2)；其拓扑连接关系为整流桥(VDH)的交流输入端连接交流电网，整流桥(VDH)的直流输出端的正极接滤波电容(Ci)的一端和升压电感(L)的一端；升压电感(L)的另一端接二极管(VDr)的阳极，二极管(VDr)的阴极接开关管(VQ)的漏极，开关管(VQ)的源极接波电容(Ci)的另一端和整流桥(VDH)的直流输出端的负极；隔离变压器(T)的初级绕组(Np1)的一端接储能电容(C2)的正极和二极管(VD)的阴极，初级绕组(Np1)的另一端接二极管(VD1)的阳极，二极管(VD1)的阴极接储能电容(C1)的正极；隔离变压器(T)的另一初级绕组(Np2)的一端接储能电容(C1)的负极和二极管(VD)的阳极，另一初级绕组(Np2)的另一端接二极管(VD2)的阴极，二极管(VD2)的阳极接储能电容(C2)的负极；储能电容(C1)的正极接开关管(VQ)的漏极，开关管(VQ)的源极接储能电容(C2)的负极。
全文摘要
本发明涉及一种单管APFC与隔离式DC/DC变换一体化的AC－DC开关电源，其主电路由整流桥(VD
文档编号H02M7/5383GK1960154SQ200510119748
公开日2007年5月9日 申请日期2005年11月4日 优先权日2005年11月4日
发明者张焱植 申请人:周春香