一种单极式AC-DC LLC谐振变换器

技术领域

本发明涉及开关电源技术领域，具体指一种单级式AC-DC LLC谐振变换器。

背景技术

近年来，随着对电力电子装置功率需求日益增长，采用单级式架构的AC-DC PFC(PowerFactorCorrection，功率因数校正)变换器以其高效率、高功率密度等优点，被视作低成本的解决方案而受到越来越多地关注。与此同时，随着国内外专家对传统LLC谐振变换器深入研究，通过拓扑创新和控制优化显著拓展了LLC拓扑的输入输出电压增益范围，也为LLC谐振变换器在AC-DC PFC变换器提供了可能。由此可见，基于LLC拓扑的单级式AC-DCPFC谐振变换器新型拓扑及其控制策略研究，有助于优化变换器功率因数、效率、体积和成本等性能，推动单级式LLC谐振变换器在AC-DC变换场合的应用。

传统单级式LLC PFC谐振变换器拓扑如图1所示，但在实际应用中为避免谐振变换器进入容性区间引起软开关丢失，设定的最低开关频率往往需高于理论值，这容易导致变换器在输入电压过零点附近增益不足，进而使输入电流波形过零死区增大，造成变换器谐波增大。另一方面，为了限制工频周期内开关频率变化范围，所选择的励磁电感与谐振电感之比往往较小，这导致工频周期内谐振腔的励磁电流分量始终偏大，造成单级式LLC PFC变换器效率提升受限。进一步分析可知，输入电流波形畸变和变压器励磁电流之间存在耦合，在设计时往往难以实现同时优化。因此，优化传统单级式LLC PFC谐振变换器输入电流波形，同时提升变换器效率是一项具有挑战性的工作。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出一种单级式AC-DC LLC谐振变换器，优化传统单级式LLC PFC谐振变换器输入电流波形，同时提升变换器效率。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：

一种单级式AC-DC LLC谐振变换器，包括输入整流电路、辅助电源、LLC变换器、输出整流电路和输出电容，所述输入整流电路的一个输入端接交流源v

作为优选，所述整流电路为由四个二极管构成的桥式整流电路。

作为优选，所述输出整流电路可由传统全桥整流电路，也可采用倍压整流、全波整流等输出整流电路。

作为优选，所述LLC变换器采用全桥LLC拓扑，其中，谐振电容C

作为优选，所述LLC变换器采用半桥LLC拓扑，其中，谐振电容C

作为优选，所述LLC变换器包括输入电容C

作为优选，所述辅助电源包括输入电容C

作为优选，所述辅助电源包括输入电容C

作为优选，所述电压幅值可调变换器包括辅助开关管Q

作为优选，所述电压幅值可调变换器包括辅助开关管Q

作为优选，所述电压幅值可调变换器包括辅助开关管Q

作为优选，辅助电源v

本发明具有以下的特点和有益效果：

采用上述技术方案，通过在LLC变换器输入侧叠加辅助电源，可有效改变AC-DCLLC谐振变换器的等效交流输入电压幅值，从而显著改善单级式LLC PFC拓扑在电压零点附近的增益，从而压缩变换器工频周期内增益的变化范围，解耦输入电流波形畸变和变压器励磁电流之间的耦合问题，从而优化参数设计方法，同时提升变换器功率因数和转换效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1传统单级式AC-DC LLC谐振变换器拓扑结构。

图2单级式AC-DC LLC谐振变换器叠加辅助电压△V

图3单级式AC-DC LLC谐振变换器基本构造方法。

图4为本发明一种单级式AC-DC LLC谐振变换器的第一具体实施例电路结构图。

图5为本发明一种单级式AC-DC LLC谐振变换器的第一具体实施例的关键波形。

图6为本发明一种单级式AC-DC LLC谐振变换器的第二具体实施例电路结构图。

图7为辅助电源中工频电压幅值可调变换器的三种可行电路结构图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

对比例

根据传统单级式PFC变换器输入输出电压关系可知，在交流输入电压零点附近所需理论增益趋向于无穷大，容易造成实际LLC谐振变换器在零点附近存在增益不足的问题。若增大LLC谐振变换器在过零点附近的等效输入电压，理论上可有效减缓零点处增益剧烈变化。在考虑叠加辅助电压的情况下，等效的输入输出增益表达式如下：

其中，△V

观察图2所示增益曲线可知，在输入侧叠加一小部分外电压后，在交流输入电压零点附近，单级式LLC PFC所需理论电压增益变化范围可显著减小。基于该思路，申请人提出一种基于工频周期等效输入电压调节的新型单级式AC-DC LLC谐振变换器拓扑结构，其基本架构如图3所示。本方案主要原理是对整流后的输入电压v

实施例1

基于上述构造思路，本实施例提出的一种单级式AC-DC LLC谐振变换器，如图4所示，所述拓扑包括：输入整流电路101，辅助电源103，LLC变换器102，输出整流电路104和输出电容C

其中，所述输入整流电路101采用传统二极管构成的桥式整流电路。

进一步的，所述LLC变换器102采用全桥LLC拓扑，包括输入电容C

可以理解的，所述LLC变换器102可以采用全桥拓扑，也可以采用半桥拓扑。其中，谐振电容C

进一步的，所述辅助电源103由变压器T

所述输出整流电路104可由图4所示传统全桥整流电路，也可采用倍压整流、全波整流等输出整流电路。

其中，所述辅助电源103可由半波整流电路构成，也可由全波整流、全桥整流电路等构成。

根据电压关系，可画出半个工频周期内所述新型单级式AC-DC LLC谐振变换器的第一实施例的关键波形，等效交流输入电压波形为v

需要说明的是，可将辅助电源v

仅就电路结构而言，图4所示辅助电源v

实施例2

基于实施例1的思路，提供具有工频周期等效电压辅助调节功能的单级式AC-DCLLC谐振变换拓扑，本实施例与实施例1的区别在于，所述辅助电源105由变压器T

其中，输入电压可由辅助绕组产生较低幅值的稳定电压V

进一步的，如图7(a)所示，电压幅值可调变换器1051可由辅助开关管Q

实施例3

本实施例与实施例2的区别在于，如图7(b)所示，电压幅值可调变换器1051可由辅助开关管Q

实施例4

本实施例与实施例2的区别在于，如图7(b)所示，电压幅值可调变换器1051可由辅助开关管Q

以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式包括部件进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。