一种高效的AC-DC整流变换器的制作方法

一种高效的ac-dc整流变换器
技术领域
1.本实用新型涉及整流变换技术领域，具体的，涉及一种高效的ac-dc整流变换器。


背景技术：

2.维也纳整流器是上世纪90年代由奥地利vienna大学的j.w.kolar教授等人发明的新型的pwm整流器拓扑，常见的有三相维也纳整流器电路、单相维也纳整流器电路。维也纳整流器是一种功率因数校正电路(pfc)，可实现ac-dc功能，属于三电平的pwm整流器拓扑，正常工作时开关管的最大承受电压是直流母线电压的一般，开关管没有直通现象，与其他拓扑相比，相同开关频率下，电感纹波小，电感的体积小，整流器的功率密度相对较大，输入电流的谐波更低。
3.因此，在高功率因数、低电流谐波的整流器应用场合中，尤其在近些年的新能源汽车充电桩、车载充电机、航空发电机领域，维也纳整流器得到了广泛的应用。但传统的维也纳整流器存在效率低的问题。随着科技的不断进步，如何进一步优化电能质量、提高电能的变换效率仍是当前亟待解决的问题。


技术实现要素：

4.本实用新型提出一种高效的ac-dc整流变换器，解决了现有技术中维也纳整流器效率低的问题。
5.本实用新型的技术方案如下：
6.一种高效的ac-dc整流变换器，包括控制单元、ac-dc整流电路和驱动电路，所述控制单元连接所述驱动电路，所述驱动电路连接所述ac-dc整流电路，所述ac-dc整流电路包括三路电路结构相同的支路，任一所述支路包括电感l2、二极管d3、二极管d5、二极管d6、二极管d8、功率管q1、功率管q2、电容c2、电容c3，
7.所述电感l2的第一端连接a相电，所述电感l2的第二端连接所述二极管d5的阳极，所述二极管d5的阴极连接所述二极管d3的阳极，所述二极管d3的阴极连接所述电容c2的第一端，
8.所述电感l2的第二端连接所述二极管d6的阴极，所述二极管d6的阳极连接所述二极管d8的阴极，所述二极管d8的阳极连接所述电容c3的第一端，
9.所述电感l2的第二端连接所述功率管q1的漏极，所述功率管q1的源极连接所述功率管q2的源极，所述功率管q1的栅极连接所述功率管q2的栅极，所述功率管q1的栅极连接所述驱动电路，所述功率管q2的漏极连接所述电容c2的第二端，
10.所述电容c2的第一端作为所述ac-dc整流电路的第一输出端，所述电容c3的第一端作为所述ac-dc整流电路的第二输出端，所述电容的c2的第二端和所述电容c3的第二端均接地。
11.进一步，本实用新型中所述支路还包括二极管d4和二极管d7，所述二极管d4的阴极连接所述二极管d5的阴极，所述二极管d4的阳极连接所述电容c2的第二端，所述二极管
d7的阴极连接所述二极管d6的阳极，所述二极管d7的阴极连接所述电容c2的第二端。
12.进一步，本实用新型中所述驱动电路包括三路电路结相同的支路，任一所述支路包括电阻r7、光耦u1、电阻r3和电阻r5，所述光耦u1的第一输入端通过所述电阻r7连接所述控制单元，所述光耦u1的第二输入端接地，所述光耦u1的输出端连接所述电阻r3的第一端，所述电阻r3的第二端连接所述功率管q1的栅极，所述电阻r5的第一端连接所述电阻r3的第一端，所述电阻r5的第二端接地。
13.进一步，本实用新型中还包括电流检测电路，所述电流检测电路包括电流传感器u8、电阻r26、电阻r27、电阻r28、运放u9、电阻r29和电阻r30，电阻rl的第一端连接所述电容c2的第一端，所述电阻rl的第二端连接所述电流传感器u8的第一输入端，所述电流传感器u8的第二输入端连接所述电容c3的第一端，所述电流传感器u8的输出端通过所述电阻r26连接所述运放u9的反相输入端，所述运放u9的同相输入端通过所述电阻r27连接2.5v电源，所述运放u9的同相输入端通过所述电阻r28接地，所述运放u9的输出端通过所述电阻r29连接所述运放u9的反相输入端，所述运放u9的输出端通过所述电阻r30连接所述控制单元。
14.进一步，本实用新型中还包括电压检测电路，所述电压检测电路包括两路电路结构相同的支路，任一所述支路包括电阻r9、电阻r12、电阻r14、隔离放大器u6、电阻r19、电阻r21、电阻r22、运放u7、电阻r23和电阻r24，所述隔离放大器u6的第一输入端通过所述电阻r9连接所述电容c2的第一端，所述隔离放大器u6的第二输入端接地，所述电阻r12的第一端连接所述隔离放大器u6的第一输入端，所述电阻r12的第二端接地，所述隔离放大器u6的第一输出端通过所述电阻r19连接所述运放u7的反相输入端，所述隔离放大器u6的第二输出端通过所述电阻r21连接所述运放u7的同相输入端，所述运放u7的同相输入端通过所述电阻r22接地，所述运放u7的输出端通过所述电阻r23连接所述运放u7的反相输入端，所述运放u7的输出端通过所述电阻r24连接所述控制单元。
15.进一步，本实用新型中还包括过热保护电路，所述过热保护电路包括电阻r32、热敏电阻rt1、三极管q9、电阻r20、电阻r18、电阻r17、电阻r16、运放u3和电阻r15，所述电阻r32的第一端连接15v电源，所述电阻r32的第二端通过所述热敏电阻rt1接地，所述三极管q9的基极连接所述电阻r32的第二端，所述三极管q9的集电极通过所述电阻r20接地，所述三极管q9的发射极连接所述电阻r17的第一端，所述电阻r17的第二端连接15v电源，所述运放u3的反相输入端连接所述电阻r17的第一端，所述运放u3的输出端通过所述电阻r16接地，所述运放u3的同相输入端通过所述电阻r18连接2.5v电源，所述运放u3的输出端通过所述电阻r15连接所述运放u3的反相输入端，所述运放u3的输出端连接所述控制单元。
16.本实用新型的工作原理及有益效果为：
17.本实用新型中，二极管d3和二极管d8采用的是低压快速二极管，用于降低开关损耗；二极管d5和二极管d6采用的是低压整流二极管，用于降低导通损耗；用二极管d3和二极管d5代替传统维也纳整流电路中单个的高压二极管。通过二极管d3和二极管d5两者的结合，提高了整流的效率。
18.具体的，ac-dc整流电路的工作原理为：当在a相电压的正半周：当控制单元输出的pwm驱动信号为低电平时，功率管q1截止，a相输出正电平，该电平经二极管d5和二极管d3整流后加至电容c2的两端，最后通过另外两相回到a相电网，此阶段a相电电容c2进行快速充放电，输出正电平直流信号，同时为后级负载供电；当控制单元输出的pwm驱动信号为高电
平时，功率管q1导通，a相电经功率管q1和与功率管q2反相并联的二极管后到地，此时电容c2和电容c3中均没有能量存储，因此，此阶段输出0电平。
19.当a相电为负半周时：当控制单元输出的pwm驱动信号为低电平时，功率管q1截止，a相输出负电平，此时中性点n的电压大于a相电电压，因此负半周时，电流从中性点n出发，经电容c3、二极管d8、二极管d6和电感l2后至a相电，此阶段在电容c3两端产生负电平直流电，同时为后级负载供电；当控制单元输出的pwm驱动信号为高电平时，功率管q1导通，电流从地经功率管q2，然后通过与功率管q1反相并联的二极管，最后通过电感l2至a相电，此阶段输出0电平。
20.下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。
附图说明
21.图1为本实用新型中ac-dc整流电路的电路图；
22.图2为本实用新型中传统维也纳整流电路的电路图；
23.图3为本实用新型中驱动电路的电路图；
24.图4为本实用新型中电流检测电路的电路图；
25.图5为本实用新型中电压检测电路的电路图；
26.图6为本实用新型中热保护电路的电路图。
具体实施方式
27.下面将结合本实用新型实施例，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都涉及本实用新型保护的范围。
28.实施例1
29.如图1～图2所示，本实施例提出了一种高效的ac-dc整流变换器，包括控制单元、ac-dc整流电路和驱动电路，控制单元连接驱动电路，驱动电路连接ac-dc整流电路，ac-dc整流电路包括三路电路结构相同的支路，任一支路包括电感l2、二极管d3、二极管d5、二极管d6、二极管d8、功率管q1、功率管q2、电容c2、电容c3，电感l2的第一端连接a相电，电感l2的第二端连接二极管d5的阳极，二极管d5的阴极连接二极管d3的阳极，二极管d3的阴极连接电容c2的第一端，电感l2的第二端连接二极管d6的阴极，二极管d6的阳极连接二极管d8的阴极，二极管d8的阳极连接电容c3的第一端，电感l2的第二端连接功率管q1的漏极，功率管q1的源极连接功率管q2的源极，功率管q1的栅极连接功率管q2的栅极，功率管q1的栅极连接驱动电路，功率管q2的漏极连接电容c2的第二端，电容c2的第一端作为ac-dc整流电路的第一输出端，电容c3的第一端作为ac-dc整流电路的第二输出端，电容的c2的第二端和电容c3的第二端均接地。
30.ac-dc整流电路用于将电网的三相交流电变为三电平的直流电，控制单元输出pwm驱动信号，来控制ac-dc整流电路的运行和停止，由于控制单元的驱动能力较弱，因此在控制单元和ac-dc整流电路之间加入驱动电路用于提高pwm驱动信号的驱动能力，从而保证ac-dc整流电路正常工作。
31.本实施例中，采用三路维也纳整流电路作为ac-dc整流电路，维也纳整流电路具有功率密度等级高、输入电流谐波含量小、耐压等级高、开关器件少等优点，在理想的情况下，直流侧中点电压为正负母线电压的一半。
32.具体的，以a相电为例，ac-dc整流电路的工作原理为：
33.当在a相电压的正半周：当控制单元输出的pwm驱动信号为低电平时，功率管q1截止，a相输出正电平，该电平经二极管d5和二极管d3整流后加至电容c2的两端，最后通过另外两相回到a相电网，此阶段a相电电容c2进行快速充放电，输出正电平直流信号，同时为后级负载供电；当控制单元输出的pwm驱动信号为高电平时，功率管q1导通，a相电经功率管q1和与功率管q2反相并联的二极管后到地，此时电容c2和电容c3中均没有能量存储，因此，此阶段输出0电平。
34.当a相电为负半周时：当控制单元输出的pwm驱动信号为低电平时，功率管q1截止，a相输出负电平，此时中性点n的电压大于a相电电压，因此负半周时，电流从中性点n出发，经电容c3、二极管d8、二极管d6和电感l2后至a相电，此阶段在电容c3两端产生负电平直流电，同时为后级负载供电；当控制单元输出的pwm驱动信号为高电平时，功率管q1导通，电流从地经功率管q2，然后通过与功率管q1反相并联的二极管，最后通过电感l2至a相电，此阶段输出0电平。
35.图2为传统维也纳整流电路，其二极管d12和二极管d11均为高压二极管，开关损耗较大。本实施例中，二极管d3和二极管d8采用的是低压快速二极管，用于降低开关损耗；二极管d5和二极管d6采用的是低压整流二极管，用于降低导通损耗；用二极管d3和二极管d5代替传统维也纳整流电路中的二极管d12，通过二极管d3和二极管d5两者的结合，提高了整流的效率。
36.如图1所示，本实施例中支路还包括二极管d4和二极管d7，二极管d4的阴极连接二极管d5的阴极，二极管d4的阳极连接电容c2的第二端，二极管d7的阴极连接二极管d6的阳极，二极管d7的阴极连接电容c2的第二端。
37.二极管d4和二极管d7构成钳位保护电路，当二极管d3或二极管d8关断时，在二极管d3或二极管d8上会承受反向电压，反向电压过高时会对二极管造成损坏。以二极管d3为例，在电网电压的负半周，当二极管d3关断时，电网电压加在二极管d5的阳极，电容c2第一端的电压加在二极管d3的阴极，由于此时电网电压为负，加在二极管d5阳极和二极管d3阴极之间的电压大于电容c2两端的电压。在这种状态下，如果二极管d3的阳极为负电平，二极管d4导通，将二极管d3阳极电压钳位在零，二极管d3两端电压等于电容c2两端电压，避免加在二极管d3两端的电压过高，从而对二极管d3起到保护作用。
38.如图3所示，本实施例中驱动电路包括三路电路结相同的支路，任一支路包括电阻r7、光耦u1、电阻r3和电阻r5，光耦u1的第一输入端通过电阻r7连接控制单元，光耦u1的第二输入端接地，光耦u1的输出端连接电阻r3的第一端，电阻r3的第二端连接功率管q1的栅极，电阻r5的第一端连接电阻r3的第一端，电阻r5的第二端接地。
39.由于控制单元输出的pwm信号的驱动能力弱，无法正常驱动ac-dc整流电路，因此通过驱动电路提高pwm信号的驱动能力，在ac-dc整流的过程中，每一路相线都将对应一路驱动支路。
40.通过ac-dc整流电路的原理可知，ac-dc整流电路输出电压由功率管的开关状态和
电流方向同时决定。以a相电为例，当电流为正时，ac-dc整流电路只能输出正电平和零电平，无法输出负电平，且输出电平由功率管q1导通状态决定，与功率管q2无关；当电流为负时，ac-dc整流电路只能输出负电平和零电平，无法输出正电平，并且输出电平由功率管q2导通状态决定，与功率管q1无关。因此，功率管q1的栅极和功率管q2的栅极用同一路pwm驱动信号而不影响电路正常工作，从而节省了硬件电路的开销。
41.当控制单元输出pwm驱动信号为低电平时，光耦u1截止，光耦u1输出低电平信号至功率管q1和功率管q2的栅极；当控制单元输出pwm驱动信号为高电平时，光耦u1导通，光耦u1输出高电平信号至功率管q1和功率管q2的栅极，该高电平幅值为15v。光耦u1除了用于提高pwm信号的驱动能力外，还可以起到信号隔离的作用，防止高电压信号反相进入控制单元，对其造成损坏。
42.其中电阻r7和电容c20构成低通滤波电路，用于滤除高频杂波信号。
43.如图4所示，本实施例中还包括电流检测电路，电流检测电路包括电流传感器u8、电阻r26、电阻r27、电阻r28、运放u9、电阻r29和电阻r30，电阻rl的第一端连接电容c2的第一端，电阻rl的第二端连接电流传感器u8的第一输入端，电流传感器u8的第二输入端连接电容c3的第一端，电流传感器u8的输出端通过电阻r26连接运放u9的反相输入端，运放u9的同相输入端通过电阻r27连接2.5v电源，运放u9的同相输入端通过电阻r28接地，运放u9的输出端通过电阻r29连接运放u9的反相输入端，运放u9的输出端通过电阻r30连接控制单元。
44.在实际应用中，为了确保ac-dc整流电路的后级电路正常运行，对整流后的电流进行检测，当电流过大时，在功率管q1和功率管q2上所消耗的功率较大，这样会影响功率管q1和功率管q2使用寿命，同时当电流过大时会影响ac-dc整流电路的后级电路。
45.本实施例中，用电阻rl代表实际工作中ac-dc整流电路的后级负载，通过检测流过电阻rl的电流判断ac-dc整流电路运行是否正常，当流过电阻rl的电流值超过设定值，控制单元不再输出pwm驱动信号，从而对电路起到保护的作用。电流传感器u8的输入端串联在电阻rl所在支路，将流过电阻rl的电流信号转为电压信号通过电阻r26送至运放u9的反相输入端，运放u9构成差动放大电路，电流传感器u8输出的电信号比较微弱，因此通过差动放大电路对其进行放大处理，放大后的电压信号送至控制单元。
46.其中电阻r30起限流的作用，电阻r31位上拉电阻，将运放u9输入控制单元的电压值钳位在0-3v，以免电压过高而损坏控制单元。
47.如图5所示，本实施例中还包括电压检测电路，电压检测电路包括两路电路结构相同的支路，任一支路包括电阻r9、电阻r12、电阻r14、隔离放大器u6、电阻r19、电阻r21、电阻r22、运放u7、电阻r23和电阻r24，隔离放大器u6的第一输入端通过电阻r9连接电容c2的第一端，隔离放大器u6的第二输入端接地，电阻r12的第一端连接隔离放大器u6的第一输入端，电阻r12的第二端接地，隔离放大器u6的第一输出端通过电阻r19连接运放u7的反相输入端，隔离放大器u6的第二输出端通过电阻r21连接运放u7的同相输入端，运放u7的同相输入端通过电阻r22接地，运放u7的输出端通过电阻r23连接运放u7的反相输入端，运放u7的输出端通过电阻r24连接控制单元。
48.由于维也纳整流器常用于三相电整流，为实现直流侧中性点电压平衡，需要实时采样整流后直流侧电容c2和电容c3两端电压。以检测电容c2两端电压为例：
49.电容c2两端电压经电阻r9和电阻r12分压后加至隔离放大器u6的第一输入端，为避免单个电阻功率不够或功率太大体积太大的情况，将电阻r9、电阻r10和电阻r11以串联的方式接入电路，然后u6对其电压进行放大，并将放大前后的电压信号相互隔离，防止信号相互干扰，隔离放大器u6输出两路电信号分别加至运放u7的同相输入端和反相输入端，运放u7构成差动放大电路，最后将放大后的电信号送至控制单元。其中电阻r24起到限流的作用，电阻r25位上拉电阻，将运放u7输入控制单元的电压值钳位在0-3v，以免电压过高而损坏控制单元。
50.如图6所示，本实施例中还包括过热保护电路，过热保护电路包括电阻r32、热敏电阻rt1、三极管q9、电阻r20、电阻r18、电阻r17、电阻r16、运放u3和电阻r15，电阻r32的第一端连接15v电源，电阻r32的第二端通过热敏电阻rt1接地，三极管q9的基极连接电阻r32的第二端，三极管q9的集电极通过电阻r20接地，三极管q9的发射极连接电阻r17的第一端，电阻r17的第二端连接15v电源，运放u3的反相输入端连接电阻r17的第一端，运放u3的输出端通过电阻r16接地，运放u3的同相输入端通过电阻r18连接2.5v电源，运放u3的输出端通过电阻r15连接运放u3的反相输入端，运放u3的输出端连接控制单元。
51.因ac-dc整流电路的工作频率高，接上负载时ac-dc整流电路容易发热，由于过热会影响元器件的性能，因此在实际应用中，功率管会外接散热片，起到一定的散热作用，同时在电路中加入过热保护电路，当温度高于设定值时，ac-dc整流电路停止工作，实现对ac-dc整流电路的过热保护。
52.热敏电阻rt1为负温度系数的热敏电阻，靠近功率管外接的散热片，当散热片的温度越高，则热敏电阻rt1的阻值越小，因此在热敏电阻rt1上的分压越小，当温度超过设定值，即三极管q9随着基极电压的下降而导通。三极管q9导通后，运放u3的反相输入端电压被拉低，即运放u3反相输入端电压低于运放u3的同相输入端2.5v参考电压，因此运放u2输出高电平信号；正常运行情况下运放u3输出低电平。因此当控制单元收到运放u3输出的信号由低电平转为高电平时，表示温度超出设定范围，控制单元停止输出pwm驱动信号，ac-dc整流电路停止工作。
53.以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。