CN105226929A - 一种变模态级联变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种变模态级联变换器。PFC变换器的输出与全桥变换器的输入相联形成变模态级联变换器，PFC变换器的输入和全桥变换器的输出分别为变模态级联变换器的输入和输出；PFC变换器的输出电压控制目标值，并根据输入电压大小确定输出电压；根据输出电压，全桥变换器选择工作在半桥模式或者全桥模式。本发明解决了相关技术中低输入电压时，电路效率低下的问题，实现了全范围内的高效率和提高了电路的整体性能。

Description

一种变模态级联变换器
技术领域
本发明涉及一种AC/DC、DC/DC变换器，尤其涉及了一种变模态级联变换器，实现了级联的功率因素校正(PowerFactorCorrection，简称PFC)和DC/DC变换。
背景技术
电力电子变换器已普遍应用于人类生产和生活的方方面面，变换器的效率直接关系到能源使用效率、工作可靠性、小型轻量化与材料节省；此外，电力电子变换器的大量使用给电网造成了很严重的谐波污染。
因此全球许多普适AC/DC变换器都采用了PFC结构作为前级接入电路，它是一种相对效率高、输入电流谐波小的拓扑。当输入电压较低时，由于相应的输入电流较大，会导致变换器存在大的导通损耗和开关损耗，因而进一步提高效率的瓶颈在于低输入电压段。
全球普适AC/DC变换器通常采用一级DC/DC变换器作为后级输出电路。LLC谐振变换器具有原边开关管零电压开通(ZeroVoltageSwitching，简称ZVS)、副边二极管零电流关断(ZeroCurrentSwitching，简称ZCS)特性，是一种较为理想的后级输出电路。
前后两级变换器级联在一起，输入电压低时变换器的效率仍然较低，针对这一问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
本发明的主要目的是提供了一种变模态级联变换器，以提高低输入电压下级联变换器的效率，从而实现宽输入范围内级联变换器的高效率。
为了实现上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
本发明基于柔性变模态变流器的思想，构造一种通用的由PFC变换器和全桥变换器构成的变模态级联变换器，该变模态级联变换器根据输入电压大小，灵活地选择最适合当前条件的工作模态，以实现全范围内的高效率。
本发明将PFC变换器的输出与全桥变换器的输入相联形成变模态级联变换器，PFC变换器的输入和全桥变换器的输出分别为变模态级联变换器的输入和输出；PFC变换器的输出电压控制目标值，并根据输入电压大小分别定为VCo或VCo/2，VCo表示PFC变换器内输出电容Co的电压；根据PFC变换器的输出电压为VCo或VCo/2，所述全桥变换器分别选择工作在半桥模式或者全桥模式。
所述PFC变换器的输出电压控制目标值，根据输入电压大小而分别确定为VCo或VCo/2。更具体而言，如果输入电压幅值小于VCo/2，那么所述PFC变换器的输出电压就是VCo/2；如果输入电压幅值大于VCo/2，那么所述PFC变换器的输出电压就是VCo。由于全球通用的输入电压范围为85Vrms～264rms，典型的低输入电压为100Vrms～120Vrms，典型的高输入电压为220Vrms～240Vrms，传统的PFC变换器的典型输出电压VCo一般选择在400V左右。与传统的PFC变换器不同的是，对于典型的低输入电压，所述PFC变换器输出电压选择在200V左右；对于典型的高输入电压，所述PFC变换器输出电压在400V左右。
根据所述的PFC变换器的输出电压为VCo或VCo/2时，所述的全桥变换器分别选择工作在半桥模式或者全桥模式。更具体而言，由于全桥模式的直流母线电压利用率是半桥模式的直流母线电压利用率的两倍，因此当所述的PFC变换器的输出电压为VCo时，所述的全桥变换器采用半桥模式，当所述的PFC变换器的输出电压为VCo/2时，所述的全桥变换器采用全桥模式。在这两种模式下，所述的全桥变换器的设计性能都能达到最优，从而利于全桥变换器效率的最优化。
优选地，所述的PFC变换器为无桥PFC变换器。需要说明的是，传统的有桥PFC变换器也可以作为本发明提出的变模态级联变换器中的PFC变换器，然而相对于无桥PFC变换器，传统的有桥PFC变换器的导通损耗更高，因此无桥PFC变换器的效率更高，是一种更佳的选择。
优选地，所述的无桥PFC变换器可以为交错并联图腾柱式无桥PFC变换器、双向开关型无桥PFC变换器或者双Boost型无桥PFC变换器。
所述交错并联图腾柱式无桥PFC变换器包括一个由四个功率MOSFET管S1～S4组成的全桥结构、一个由二极管DS1和二极管DS2组成的半桥结构和两个相耦合的电感L1和电感L2；其中，电感L1和电感L2其中一个同名端相连并作为变模态级联变换器的输入端a，另一个同名端分别与全桥结构的两个桥臂中点相连；半桥结构的中点作为变模态级联变换器的输入端b，半桥结构与全桥结构的两端分别相连，并分别与输出电容Co的正极和负极相连。
所述双向开关型无桥PFC变换器包括一个由功率MOSFET管S1和功率MOSFET管S2组成的双向开关、一个由快速二极管DF1和快速二极管DF2组成的第一半桥结构、一个由慢速二极管DS1和慢速二极管DS2组成的第二半桥结构和电感L；其中，电感L的一端作为变模态级联变换器的输入端a，电感L的另一端与双向开关中S1管的漏极和第一半桥结构的中点相连；双向开关中S2的漏极与第二半桥结构的中点相连，并作为变模态级联变换器的输入端b；第一半桥结构和第二半桥结构的两端分别相连，并分别与输出电容Co的正极和负极相连；
所述双Boost型无桥PFC变换器包括由一个由快速二极管DF1和功率MOSFET管S1组成的第一半桥结构、一个由快速二极管DF2和功率MOSFET管S2组成的第二半桥结构、电感L1、电感L2、慢速二极管DS1和慢速二极DS2；其中，电感L1的一端与二极管DS1的阴极相连并作为变模态级联变换器的输入端a，电感L1的另一端与第一半桥结构的中点相连；电感L2的一端与二极管DS2的阴极相连并作为变模态级联变换器的输入端b，电感L2的另一端与第二半桥结构的中点相连；慢速二极管DS1和慢速二极管DS2的阳极相连后与输出电容Co的负极相连；第一半桥结构和第二半桥结构的两端分别相连，并分别与输出电容Co的正极和负极相连。
当所述无桥PFC变换器的输出电压为VCo或VCo/2时，其开关频率分别为fs和fs/2，以进一步提高所述无桥PFC变换器的效率。更具体而言，如果所述无桥PFC变换器的输出电压为VCo，相应的开关频率为fs，那么所述无桥PFC变换器的输出电压为VCo/2时，由于输出电压的降低会减小电感电流的纹波大小，因而其相应的开关频率可小于fs，如优选的典型值fs/2。由于所述无桥PFC变换器输出电压和开关频率的降低，可以明显的减小所述无桥PFC变换器的开关损耗，从而提高所述无桥PFC变换器的效率。
所述变模态级联变换器包括一个全桥变换器。需要说明的是，全桥LCC变换器可以作为所述全桥变换器的一种选择。优选地，所述的全桥变换器为全桥LLC变换器。该全桥LLC变换器根据所述PFC变换器输出电压的大小，灵活地选择工作在半桥模式或者全桥模式。
更具体而言，当所述PFC变换器的输出电压为VCo时，所述的全桥LLC变换器工作在半桥模式；当所述变模态PFC变换器的输出电压为VCo/2时，所述的全桥LLC变换器工作在全桥模式。
所述的全桥变换器为全桥LLC变换器。
优选地，全桥LLC变换器为带中心抽头的零式整流全桥LLC变换器、桥式整流全桥LLC变换器和桥式倍压整流全桥LLC变换器。
所述的全桥模式，全桥变换器的四个开关管S5～S8全部参与开关切换；所述的半桥模式，全桥变换器的四个开关管S5～S8中，其中同一个桥臂内的两个开关管高频开关切换，另一个桥臂内的两个开关管一个保持常通、另一个保持常断。
优选地，所述的全桥模式，全桥变换器的四个开关管S5～S8全部参与开关切换；所述的半桥模式，全桥变换器的四个开关管S5～S8中，一个工频周期内一个桥臂内的两个开关管高频开关切换，另一个桥臂内的两个开关管一个保持常通、另一个保持常断，两个桥臂的开关模式依照工频周期轮换。
本发明的有益效果是：
本发明实现简单巧妙，通过采用由PFC变换器和全桥变换器构成的变模态级联变换器，可以克服传统普适AC/DC变换器的缺点，明显地提高了低输入电压范围时变换器的效率。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图用来提供对本发明的进一步理解，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明的变模态级联变换器的通用结构框图。
图2是本发明的变模态级联变换器的第一实施例的电路原理图。
图3是图2中前级PFC变换器的等效电路图。
图4是图3中前级PFC变换器的原理波形图。
图5是图2中前级PFC变换器的典型低输入电压时的效率曲线。
图6是本发明的变模态级联变换器的第二实施例的电路原理图。
图7是本发明的变模态级联变换器的第三实施例的电路原理图。
图8是本发明的变模态级联变换器的第四实施例的电路原理图。
图9是本发明中全桥LLC变换器的可选拓扑结构一。
图10是本发明中全桥LLC变换器的可选拓扑结构二。
图11是本发明中全桥变换器可采用的全桥LLC变换器电路原理图。
具体实施方式
图1是本发明提出的由PFC变换器和全桥变换器构成的变模态级联变换器的原理框图。如图1所示，本发明的变模态级联变换器由PFC变换器的输出与全桥变换器的输入相联形成，包括一个前级PFC变换器和一个后级全桥变换器。前后两级电路之间通过一个电容耦合，便于前后两级电路的独立控制，PFC变换器的输入和全桥变换器的输出分别为变模态级联变换器的输入和输出。
从图1所示的变模态级联变换器的通用结构框图可知，该电路工作包含以下步骤：
(1)测量前级PFC变换器的输入电压大小，也就是图1中所示电网电压的大小。图1中标示出了全球范围内两种典型的输入电压100～120Vrms和220～240Vrms。
(2)如果输入电压是高输入电压范围，如图1中所示典型的220～240Vrms，此时所述PFC变换器的输出电压选择为VCo，典型值如400V；如果输入电压是低输入电压范围，如图1中所示典型的100～120Vrms，此时所述PFC变换器的输出电压选择为VCo/2，典型值如200V。
优选地，假定高输入电压范围时，所述PFC变换器的开关频率为fs，那么在低输入电压范围时，可以降低所述PFC变换器的开关频率fS，如可采用优选的典型值fs/2，以进一步地提高低输入电压范围时所述PFC变换器的效率。
(3)根据前级PFC变换器的输出电压是VCo还是VCo/2，选择所述后极全桥变换器的工作模式。优选地，所述全桥变换器为全桥LLC变换器。如果所述PFC变换器的输出电压是VCo，那么所述全桥LLC变换器工作在半桥模式，所述半桥模式中，全桥变换器的四个开关管S5～S8中，一个工频周期内一个桥臂内的两个开关管高频开关切换，另一个桥臂内的两个开关管一个保持常通、另一个保持常断，两个桥臂的开关模式依照工频周期轮换；如果所述PFC变换器的输出电压是VCo/2，那么所述全桥LLC变换器工作在全桥模式，所述全桥模式中，全桥变换器的四个开关管S5～S8全部参与高频开关切换。所述全桥LLC变换器采用上述方法，以利于LLC谐振网络针对指定输入电压进行最优化设计，从而达到效率的最优化。
通过上述步聚，可以看出本发明提出了一种简单、易实现的变模态级联变换器，能够实现全电压输入范围内的高效率。
图2是本发明的变模态级联变换器的第一实施例的电路原理图。如图2所示，前级PFC变换器由带耦合电感的交错并联图腾柱式无桥PFC变换器来实现，包括：耦合的电感L1和电感L2，功率MOSFET管S1、S2、S3、S4，二极管DS1和DS2以及输出电容Co。后级全桥变换器由一个全桥LLC变换器实现，包括：谐振电感Lr，谐振电容Cr，励磁电感Lm，功率MOSFET管S5、S6、S7、S8，变压器原边绕组N1、副边绕阻N2，副边二极管D1和D2，输出电容C和输出负载Ro。
图3给出了图2中所述前级PFC变换器的等效电路图。如图3所示，耦合的电感L1和电感L2可以等效为三个独立的电感，分别为：输入电感Lm，漏感Lk1和漏感Lk2，它们与耦合电感满足如下关系，其中K是电感耦合系数：
其中
本发明针对前级所述PFC变换器，提出了一种全新的控制方法：两个桥臂之间移相180°，交替工作；同一个桥臂内上下两个功率MOSFET管互补导通。采用所述的控制方法，可以实现全负载范围内所有功率MOSFET管的零电压开通。图4给出了图3所述PFC变换器的典型原理波形图，从该图可以看出，每次功率MOSFET管开通前，其相应的体二极管已经开始续流，当功率MOSFET管开通时就可以实现零电压开通，因此所述前级PFC变换器的效率可以做到很高。
由于图1对本发明提出的变模态级联变换器的工作模态作出了详细地说明，为了实现电路性能的最优化，图2所示的变模态级联变换器电路的第一实施例也遵循图1所示的变模态控制方法，此处不再对此工作模式进行详细说明。
图5给出了图2中中前级PFC变换器的典型低输入电压时的效率曲线。可以看出，对于典型的低输入电压110Vrms，传统的PFC变换器通常采用输出电压VCo的是400V，其对应的开关频率是100kHz；而本发明则采用了输出电压VCo的是200V，其对应的开关频率是50kHz。从效率曲线对比结果可以看出，采用本发明的控制模式，全负载范围内，低输入电压时，前级PFC变换器的效率得到了大幅度地提升，实现了本发明的目标。
图6是本发明的变模态级联变换器的第二实施例的电路原理图。如图6所示，前级PFC变换器由双向开关型无桥PFC变换器来实现，包括：输入电感L，功率MOSFET管S1和S2组成的双向开关，四个功率二极管DF1、DF2、DS1、DS2以及输出电容Co。后级全桥变换器与图2所示的第一实施例的后级全桥变换器完全相同。
前级PFC变换器的简要工作原理叙述如下：双向开关开通时，电感L上的电流增加，电感储能；双向开关开通一定时间后关断，此时电感L的电流开始减小，储存在电感L中的能量向电容Co和负载转移，同时输入电源vs也向电容Co和负载输出能量。
图7是本发明的变模态级联变换器的第三实施例的电路原理图。如图7所示，前级PFC变换器由双Boost型无桥PFC变换器来实现，包括：输入电感L1和电感L2，功率MOSFET管S1和S2，四个功率二极管DF1、DF2、DS1、DS2以及输出电容Co。后级全桥变换器与图2所示的第一实施例的后级全桥变换器完全相同。
前级PFC变换器的简要工作原理叙述如下：当输入电源vs上正下负时，功率MOSFET管S1开通，电感L1电流增加，电感储能；功率MOSFET管S1开通一定时间后关断，此时电感电流开始减小，储存在电感L1中的能量向电容Co和负载转移，同时输入电源vs也向电容Co和负载输出能量。当输入电源vs上负下正时，此时功率MOSFET管S2和电感L2工作，电路的工作过程与所述输入电源vs上正下负时的工作过程类似。
图8是本发明的变模态级联变换器的第四实施例的电路原理图。如图8所示，前级PFC变换器由传统桥式单管BoostPFC变换器来实现，包括：输入电感L1，功率MOSFET管S1，五个功率二极管DS1、DS2、DS3、DS4和DF1，以及输出电容Co。后级全桥变换器与图2所示的第一实施例的后级全桥变换器完全相同。
前级PFC变换器的简要工作原理叙述如下：功率MOSFET管S1开通时，电感L1上的电流增加，电感储能；功率MOSFET管S1开通一定时间后关断，此时电感电流开始减小，储存在电感L1中的能量向电容Co和负载转移，同时输入电源vs也向电容Co和负载输出能量。
由于图1对本发明提出的变模态级联变换器的工作模态作出了详细地说明，为了实现电路性能的最优化，图6、图7和图8分别所示的变模态级联变换器的第二实施例、第三实施例、第四实施例也遵循图1所示的变模态控制方法，此处不再对各实施例的工作模式进行详细说明。
本发明的全桥LLC变换器可选用的备选拓扑结构一，带中心抽头的零式整流全桥LLC变换器具体电路如图2所示的第一实施例的后级全桥变换器所示，可以看出，所述全桥LLC变换器的谐振网络副边采用了两个互补的零式整流结构作为输出。
本发明的全桥LLC变换器可选用的备选拓扑结构二，桥式整流全桥LLC变换器图9所示，可以看出，所述全桥LLC变换器的谐振网络副边采用了一个二极管全桥整流结构作为输出。
本发明的全桥LLC变换器可选用的备选拓扑结构三，桥式倍压整流全桥LLC变换器如图10所示，可以看出，所述全桥LLC变换器的谐振网络副边采用了一个二极管倍压整流结构作为输出。类似地，LLC谐振网络副边还可以采用许多其它类似的结构作为输出，此处不再一一详细进行列出说明。
图11是本发明的全桥变换器可选用的全桥LCC变换器的详细电路原理图，所述全桥LCC变换器由一个LCC谐振网络及其副边输出电路组成。与所述全桥LLC变换器的副边输出结构类似，全桥LCC变换器的副边输出可采用如图11所示的带中心抽头的零式整流输出结构，也可以采用图9所示的桥式整流输出结构、如图10所示的桥式倍压整流输出结构等，此处不再一一详细列出进行说明。
由此可见，本发明采用PFC变换器作为前级电路，PFC变换器根据输入电网电压大小确定所述PFC变换器的输出电压，合理地设置所述PFC变换器的开关工作频率；并且采用全桥LLC变换器作为后级电路，该全桥LLC变换器根据前级的输出电压大小，灵活地选择是采用全桥LLC模式还是采用半桥LLC模式进行工作。因此解决了相关技术中低输入电压时，电路效率低下的问题，从而实现了全范围内的高效率，提高了电路的整体性能，技术效果突出显著。

Claims (10)

1.一种变模态级联变换器，其特征在于：PFC变换器的输出与全桥变换器的输入相联形成变模态级联变换器，PFC变换器的输入和全桥变换器的输出分别为变模态级联变换器的输入和输出；PFC变换器的输出电压控制目标值，并根据输入电压大小分别定为VCo或VCo/2，VCo表示PFC变换器内输出电容Co的电压；根据PFC变换器的输出电压为VCo或VCo/2，所述全桥变换器分别选择工作在半桥模式或者全桥模式。
2.根据权利要求1所述的一种变模态级联变换器，其特征在于：所述的PFC变换器为无桥PFC变换器。
3.根据权利要求2所述的一种变模态级联变换器，其特征在于：所述的无桥PFC变换器为交错并联图腾柱式无桥PFC变换器，交错并联图腾柱式无桥PFC变换器包括一个由四个功率MOSFET管S1～S4组成的全桥结构、一个由二极管DS1和二极管DS2组成的半桥结构和两个相耦合的电感L1和电感L2；其中，电感L1和电感L2其中一个同名端相连并作为变模态级联变换器的输入端a，另一个同名端分别与全桥结构的两个桥臂中点相连；半桥结构的中点作为变模态级联变换器的输入端b，半桥结构与全桥结构的两端分别相连，并分别与输出电容Co的正极和负极相连。
4.根据权利要求2所述的一种变模态级联变换器，其特征在于：所述的无桥PFC变换器为双向开关型无桥PFC变换器，双向开关型无桥PFC变换器包括一个由功率MOSFET管S1和功率MOSFET管S2组成的双向开关、一个由快速二极管DF1和快速二极管DF2组成的第一半桥结构、一个由慢速二极管DS1和慢速二极管DS2组成的第二半桥结构和电感L；其中，电感L的一端作为变模态级联变换器的输入端a，电感L的另一端与双向开关中S1管的漏极和第一半桥结构的中点相连；双向开关中S2的漏极与第二半桥结构的中点相连，并作为变模态级联变换器的输入端b；第一半桥结构和第二半桥结构的两端分别相连，并分别与输出电容Co的正极和负极相连；
5.根据权利要求2所述的一种变模态级联变换器，其特征在于：所述的无桥PFC变换器为双Boost型无桥PFC变换器，双Boost型无桥PFC变换器包括由一个由快速二极管DF1和功率MOSFET管S1组成的第一半桥结构、一个由快速二极管DF2和功率MOSFET管S2组成的第二半桥结构、电感L1、电感L2、慢速二极管DS1和慢速二极DS2；其中，电感L1的一端与二极管DS1的阴极相连并作为变模态级联变换器的输入端a，电感L1的另一端与第一半桥结构的中点相连；电感L2的一端与二极管DS2的阴极相连并作为变模态级联变换器的输入端b，电感L2的另一端与第二半桥结构的中点相连；慢速二极管DS1和慢速二极管DS2的阳极相连后与输出电容Co的负极相连；第一半桥结构和第二半桥结构的两端分别相连，并分别与输出电容Co的正极和负极相连。
6.根据权利要求1所述的一种变模态级联变换器，其特征在于：所述的全桥变换器为全桥LLC变换器。
7.根据权利要求6所述的一种变模态级联变换器，其特征在于：所述的全桥LLC变换器为带中心抽头的零式整流全桥LLC变换器、桥式整流全桥LLC变换器和桥式倍压整流全桥LLC变换器。
8.根据权利要求1～5任一所述的一种变模态级联变换器，其特征在于：当无桥PFC变换器的输出电压为VCo或VCo/2时，其开关频率分别为fs和fs/2，以进一步提高所述无桥PFC变换器的效率。
9.根据权利要求1或6所述的一种变模态级联变换器，其特征在于：所述的全桥模式下，全桥变换器的四个开关管S5～S8全部参与开关切换；所述的半桥模式下，全桥变换器的四个开关管S5～S8中，其中一个桥臂内的两个开关管高频开关切换，另一个桥臂内的两个开关管一个保持常通、另一个保持常断。
10.根据权利要求9所述的一种变模态级联变换器，其特征在于：所述的半桥模式下，全桥变换器的四个开关管S5～S8中，一个工频周期内其中一个桥臂内的两个开关管高频开关切换，另一个桥臂内的两个开关管一个保持常通、另一个保持常断，两个桥臂的开关模式依照工频周期轮换。
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