一种单级双极性增益隔离型变换器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种单级双极性增益隔离型变换器，其特征是采用双向开关管，在变压器次级采用带中心抽头的全波整流方式，实现了变换器的双极性输入，即在正向和负向电压输入时均能得到正的输出电压。本发明在AC/DC中应用时可消除前端二极管整流桥，且单级结构使得其在转换效率方面更具优势。
【专利说明】
一种单级双极性増益隔离型变换器
技术领域
[0001]本发明涉及AC/DC和DC/DC开关变换器，更具体地说是涉及一种单级双极性增益隔离型变换器。
【背景技术】
[0002]变换器的效率是衡量其性能的重要指标之一，通过改变电路的拓扑结构、采用软开关技术、采用新型材料工艺等可以进一步提高变换器的效率。传统的DC/DC变换器输出电压与输入电压同极性或者反极性，无法直接与交流供电电源连接，需在变换器前端增加二极管整流桥装置，整流桥的存在，会降低系统效率。
[0003]常用的AC/DC变换器应同时具有功率因数校正和电压变换的功能，主要有单级结构和两级结构，其中单级结构兼有功率因数校正和输出电压控制的功能，两级结构主要由功率因数校正级和DC/DC变换器组成，至少需要两个功率开关管和两组控制电路，元器件多、电路复杂、成本高。AC/DC变换器一般采用二极管整流桥将交流电变换成脉动的直流电，然后级联DC/DC变换器的方案，因此，输入交流电流越大，消耗在二极管整流桥的损耗就越大，阻碍了变换器整机效率的提高。目前，多种无桥AC/DC变换器拓扑被相继提出，如无桥boost变换器、无桥sepic变换器、无桥zeta变换器等，但是存在元器件多、共模电流大、电磁干扰强和实现隔离困难的缺陷。
【发明内容】
[0004]本发明是为避免上述现有技术所存在的不足，提供一种电路拓扑结构简单、器件少、成本低、隔离、转换效率高、功率因数高的单级双极性增益隔离型变换器，可应用于AC/DC场合，实现AC/DC变换器的无桥化，也可应用于DC/DC场合。
[0005]本发明为解决技术问题采用如下技术方案:
[0006]本发明单级双极性增益隔离型变换器的结构特点是采用双向开关管，在变压器次级采用带中心抽头的全波整流方式，实现变换器的双极性输入，在正向和负向电压输入时均能得到正的输出电压，可实现AC/DC变换器的无桥化。
[0007]本发明单级双极性增益隔离型变换器的结构特点也在于:变换器中主电路拓扑由输入电源、电感L1、可双向导通的开关管S、电容Cl、二极管D1、二极管D2、电容Co、负载R以及变压器Tl组成，变压器Tl具有初级绕组Np、次级绕组Nsl和次级绕组Ns2;
[0008]电感LI的第一端与所述开关管S的第一端以及电容Cl的第一端共同连接，电感LI的第二端连接在输入电源的第一端，电容Cl的第二端与初级绕组Np的第一端相连接，开关管S的第二端与输入电源的第二端以及初级绕组Np的第二端共同连接，并作为输入电源的接地端；
[0009]次级绕组Nsl的第一端连接二极管Dl的阳极端，次级绕组Nsl的第二端与次级绕组Ns2的第一端相连接，次级绕组Ns2的第二端连接二极管D2的阳极端，二极管Dl的阴极端与二极管D2的阴极端相连接，二极管Dl的阴极端还与电容Co的第一端以及负载R的第一端共同连接，次级绕组Nsl的第二端还与电容Co的第二端以及负载R的第二端共同连接，并作为输出负载的接地端;输出电压Vo为负载R的两端电压。
[0010]本发明单级双极性增益隔离型变换器的结构特点也在于:所述可双向导通的开关管S是指针对交流电压输入、正向直流电压输入，以及负向直流电压输入，开关管S均可控导通和关断，次级绕组Nsl和次级绕组Ns2是在变压器Tl的次级绕组中设置中心抽头，利用中心轴头将变压器的次级绕组分成两个对称的绕组，两个对称的绕组一一对应为次级绕组他1和次级绕组叱2。
[0011]本发明单级双极性增益隔离型变换器的结构特点也在于:
[0012]当所述变换器应用于DC/DC的场合中，开关管S的控制电路可以采用电压型控制方式或电流型控制方式，根据输入电压正负极性，所述开关管S可以采用单向开关管。
[0013]当所述变换器应用于AC/DC的场合时，若变换器工作于电感电流断续导电模式，开关管S的控制电路可以采用电压型控制方式;若变换器工作于电感电流连续导电模式时，开关管S的控制电路采用为电流型控制方式。
[0014]与已有技术相比，本发明有益效果体现在:
[0015]1、本发明采用双向开关管，在变压器次级采用带中心抽头的全波整流方式，实现了变换器的双极性输入，即在正向和负向电压输入时均能得到正的输出电压，可实现AC/DC变换器的无桥化。
[0016]2、本发明电路拓扑结构简单、器件少、成本低、隔离、转换效率高、功率因数高。
[0017]3、本发明应用于AC/DC或DC/DC场合时，均可采用电压型控制，且仅需对输出电压采样，控制电路结构简单。
【附图说明】
[0018]图1a和图1b为本发明单级双极性增益隔离型变换器结构图及其两种控制方式。
[0019]图2a和图2b为本发明输出电压与η倍第一电容两端电压的两种关系，η为变压器次级绕组与初级绕组匝数比。
[0020]图3a、图3b、图3c和图3d为本发明在输出电压始终大于η倍第一电容两端电压时的工作过程示意图。
[0021]图4a、图4b和图4c为本发明存在输出电压小于η倍第一电容两端电压峰值时的工作过程示意图。
【具体实施方式】
[0022]本实施例中的单级双极性增益隔离型变换器采用双向开关管，在变压器次级采用带中心抽头的全波整流方式，实现变换器的双极性输入，即在正向和负向电压输入时均能得到正的输出电压，可实现AC/DC变换器的无桥化。
[0023]参见图1a和图1b，变换器中主电路拓扑由输入电源、电感L1、可双向导通的开关管S、电容Cl、二极管D1、二极管D2、电容Co、负载R以及变压器Tl组成，变压器Tl具有初级绕组Np、次级绕组Ns I和次级绕组Ns2。
[0024]图1a和图1b所示，电感LI的第一端与开关管S的第一端以及电容Cl的第一端共同连接，电感LI的第二端连接在输入电源的第一端，电容CI的第二端与初级绕组Np的第一端相连接，开关管S的第二端与输入电源的第二端以及初级绕组Np的第二端共同连接，并作为输入电源的接地端;次级绕组Nsl的第一端连接二极管Dl的阳极端，次级绕组Nsl的第二端与次级绕组Ns2的第一端相连接，次级绕组Ns2的第二端连接二极管D2的阳极端，二极管Dl的阴极端与二极管D2的阴极端相连接，二极管Dl的阴极端还与电容Co的第一端以及负载R的第一端共同连接，次级绕组Nsl的第二端还与电容Co的第二端以及负载R的第二端共同连接，并作为输出负载的接地端;输出电压Vo为负载R的两端电压。
[0025]可双向导通的开关管S在交流电压输入、正向直流电压输入，以及负向直流电压输入时，开关管S均可控导通和关断，次级绕组Nsl和次级绕组Ns2是在变压器Tl的次级绕组中设置中心抽头，利用中心轴头将变压器的次级绕组分成两个对称的绕组，两个对称的绕组——对应为次级绕组Ns I和次级绕组Ns2。
[0026]具体实施中，针对输出电压Vo采用负反馈控制原理，由外加隔离驱动电路使开关管S导通和关断，当变换器应用于DC/DC的场合中，开关管S的控制电路可采用传统的电压型控制方式或电流型控制方式；当变换器应用于AC/DC的场合中，若变换器工作于电感电流断续导电模式，开关管S的控制电路可采用传统的电压型控制方式;若变换器工作于电感电流连续导电模式时，开关管S的控制电路需要采用传统的电流型控制方式。
[0027]图2a所示为变换器的输出电压Vo始终大于η倍电容Cl两端电压；
[0028]图2b所示为变换器的输出电压Vo小于η倍电容Cl两端电压峰值，其中，在输入交流电源半周期内，tO-tl和t2-t3期间，输出电压Vo大于η倍电容Cl两端电压，在tl-t2期间输出电压Vo小于η倍电容Cl两端电压。
[0029]如图2a和图2b所示，本实施例中电路工作情况按输出电压、输入电压瞬时值和变压器匝比之间的关系有:输出电压始终大于η倍电容Cl两端电压，以及存在有输出电压小于η倍第一电容两端电压峰值的情况；当流过次级绕组Nsl和Ns2的电流同时为零时，变换器工作于电感电流断续模式，当次级绕组Nsl和Ns2的电流之和不为零时，变换器工作于电感电流连续模式。
[0030]实施例1:
[0031]本实施例如图3a_图3d所示，工作模态为输出电压始终大于η倍电容Cl两端电压，图3a_图3d中所示的实线部分表示处于工作状态的部分，工作过程如下:
[0032]第一:电感电流断续模式
[0033]在交流输入电压正半周，二极管D2—直截止，在开关管S为导通时，电感LI中电流和初级绕组电流开始线性上升，电容Co向负载R放电，如图3a所示;在开关管S关断时，二极管Dl导通续流，如图3b所示，存储在电感LI和变压器中的能量传递给负载R，并向电容Co进行充电；当流过二极管Dl的电流降到零时，交流输入电源、电感L1、电容Cl和初级绕组形成图3c所示的低频振荡回路，电容Co向负载R放电。
[0034]在交流输入电压负半周，二极管Dl—直截止，在开关管S导通时，电感LI中电流和初级绕组电流线性上升，电容Co向负载R放电，如图3a所示;在开关管S关断时，二极管D2导通续流，如图3d所示，存储在电感LI和变压器中的能量传递给负载R，并向电容Co充电；当流过二极管D2的电流下降到零时，输入交流电源、电感L1、电容Cl和变换器初级绕组形成低频振荡回路，变换器等效电路图如图3c所示，电容Co向负载R放电。
[0035]第二:电感电流连续模式
[0036]在交流输入电压正半周，在开关管S导通时，电感LI中电流和初级绕组电流开始线性上升，电容Co向负载R放电，如图3a所示;在开关管S关断时，二极管Dl导通续流，如图3b所示，存储在电感LI和变压器中的能量传递给负载R，并向电容Co进行充电。
[0037]在交流输入电压负半周，在开关管S导通时，电感LI中电流和初级绕组电流开始线性上升，电容Co向负载R放电，如图3a所示;在开关管S关断时，二极管D2导通续流，如图3d所示，存储在电感LI和变压器中的能量传递给负载R，并向电容Co充电。
[0038]实施例2:
[0039]本实施例为存在有变换器的输出电压小于η倍电容Cl两端电压峰值的情况，如图2b所示，在输入交流电源半周期内，tO-tl和t2-t3期间，输出电压大于η倍电容Cl两端电压，此时的工作过程与图2a的工作过程相一致;在tl-t2期间输出电压小于η倍电容Cl两端电压，工作过程如图4a_图4c所示，图4a_图4c中的实线部分表示处于工作状态的部分，工作过程如下:
[0040]第一:电感电流断续模式
[0041 ]交流输入电压正半周，在开关管S导通时，二极管Dl关断，二极管D2导通续流，如图4a所示，电感LI电流和变压器初级电流线性上升;在开关管S关断时，二极管D2承受反向电压而截止，二极管Dl导通续流，如图4b所示，输出电压Vo加在次级绕组Nsl上，流过二极管Dl的电流线性减小。当流过二极管Dl的电流下降到零时，电感LI的电流和变压器初级的电流大小相等但方向相反且保持恒定，变换器等效电路图如图4c所示，电容Co向负载R放电。
[0042]在输入交流电压负半周，工作模态如图4b、图4a和图4c所示。
[0043]在输入交流电压负半周，在开关管S导通时，二极管D2关断，二极管Dl导通续流，如图4b所示，电感LI电流和变压器初级电流线性上升;在开关管S关断时，二极管Dl承受反向电压而截止，二极管D2导通续流，如图4b所示，输出电压Vo加在次级绕组Ns2上，流过二极管D2的电流线性减小。当流过二极管D2的电流下降到零时，电感LI的电流和变压器初级的电流大小相等但方向相反且保持恒定，变换器等效电路图如图4c所示，电容Co向负载R放电。
[0044]第二:电感电流连续模式:
[0045]变换器工作在输入交流电压正半周，工作模态为图4a和图4b所示。
[0046]在输入交流电压正半周，在开关管S导通时，二极管Dl关断，二极管D2导通续流，如图4a所示，电感LI电流和变压器初级电流线性上升;在开关管S关断时，二极管D2承受反向电压而截止，二极管Dl导通续流，如图4b所示，输出电压Vo加在次级绕组Nsl上，流过二极管Dl的电流线性减小。
[0047]变换器工作在输入交流电压负半周，工作模态为图4b和图4a所示。
[0048]在输入交流电压负半周，在开关管S导通时，二极管D2关断，二极管Dl导通续流，如图4b所示，电感LI电流和变压器初级电流线性上升。在开关管S关断时，二极管Dl承受反向电压而截止，二极管D2导通续流，如图4a所示，输出电压Vo加在次级绕组Ns2上，流过二极管D2的电流线性减小。
[0049]本发明采用双向开关管，在变压器的次级采用带中心抽头的全波整流方式，实现变换器的双极性输入，在正向和负向电压输入时均能得到正的输出电压，实现AC/DC变换器的无桥化。本发明在AC/DC中应用时可消除前端二极管整流桥，且单级结构使得其在转换效率方面更具优势。
【主权项】
1.一种单级双极性增益隔离型变换器，其特征是采用双向开关管，在变压器次级采用带中心抽头的全波整流方式，实现变换器的双极性输入，在正向和负向电压输入时均能得到正的输出电压，可实现AC/DC变换器的无桥化。2.根据权利要求1的单级双极性增益隔离型变换器，其特征是:变换器中主电路拓扑由输入电源、电感L1、可双向导通的开关管S、电容Cl、二极管D1、二极管D2、电容Co、负载R以及变压器Tl组成，变压器Tl具有初级绕组Np、次级绕组Nsl和次级绕组Ns2; 电感LI的第一端与所述开关管S的第一端以及电容Cl的第一端共同连接，电感LI的第二端连接在输入电源的第一端，电容Cl的第二端与初级绕组Np的第一端相连接，开关管S的第二端与输入电源的第二端以及初级绕组Np的第二端共同连接，并作为输入电源的接地端； 次级绕组Nsl的第一端连接二极管Dl的阳极端，次级绕组Nsl的第二端与次级绕组Ns2的第一端相连接，次级绕组Ns2的第二端连接二极管D2的阳极端，二极管Dl的阴极端与二极管D2的阴极端相连接，二极管Dl的阴极端还与电容Co的第一端以及负载R的第一端共同连接，次级绕组Nsl的第二端还与电容Co的第二端以及负载R的第二端共同连接，并作为输出负载的接地端;输出电压Vo为负载R的两端电压。3.根据权利要求2的单级双极性增益隔离型变换器，其特征是:所述可双向导通的开关管S是指针对交流电压输入、正向直流电压输入，以及负向直流电压输入，开关管S均可控导通和关断，次级绕组Nsl和次级绕组Ns2是在变压器Tl的次级绕组中设置中心抽头，利用中心轴头将变压器的次级绕组分成两个对称的绕组，两个对称的绕组一一对应为次级绕组他1和次级绕组叱2。4.根据权利要求2的单级双极性增益隔离型变换器，其特征是: 当所述变换器应用于DC/DC的场合中，开关管S的控制电路可以采用电压型控制方式或电流型控制方式，根据输入电压正负极性，所述开关管S可以采用单向开关管； 当所述变换器应用于AC/DC的场合时，若变换器工作于电感电流断续导电模式，开关管S的控制电路可以采用电压型控制方式;若变换器工作于电感电流连续导电模式时，开关管S的控制电路采用为电流型控制方式。
【文档编号】H02M7/217GK106026714SQ201610618785
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年7月29日
【发明人】王金平, 侯良奎, 何怡刚, 项胜
【申请人】合肥工业大学