CN203788181U - 一种带apfc的半桥型功率变换器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种带APFC的半桥型功率变换器，其由输入电容(Cx)、PFC电感(Lx)、二极管(D1、D2)、开关管(Q1、Q2)、直流电容(Cd)、半桥电容(Cs1、Cs2)、检流电阻(Rs)和过流过压保护器(1)、差模共模滤波器(2)、控制器(3)、等效负载(4)组成。该变换器省去了整流桥，由单级半桥实现功率因数校正APFC和DC-AC变换，全部器件轮流对称工作，功耗与散热均衡，还有效降低了开关管(Q1、Q2)的电流应力和直流电容(Cd)的纹波电流。该变换器拓扑精巧、控制简易，成本低、效率高、可靠性高。可广泛用于100～127Vac交流输入的电子镇流器、LED驱动电源等开关功率变换器。

Description

一种带APFC的半桥型功率变换器

一、技术领域

本实用新型涉及一种带APFC的半桥型功率变换器，是一种高频电子开关变换器，属于电力电子技术领域。 

二、背景技术

目前，大功率节能灯电子镇流器、LED驱动电源等开关功率变换器，一般要求高功率因数。功率因数校正电路分两种，一种是被动型另一种是主动型。被动型功率因数校正电路(如填谷电路、电荷泵电路)结构较简单，PF值在0.9以上，一般用于中小功率变换器。主动型功率因数校正电路(如Boost型APFC拓扑)结构与控制复杂，PF值在0.96以上，一般用于中大功率变换器。 

电子镇流器和LED驱动电源是电力电子技术的典型应用领域。不但要求变换器具有高功率因数，而且还有专业的性能指标要求。对于大功率节能灯电子镇流器来说，灯电流的波峰系数是重要的专业性能指标之一，国标要求波峰系数λ≤1.7；被动型功率因数校正电路很难满足要求，尤其是在100～127Vac电网电压的应用条件下。LED照明是新一代绿色照明，对LED驱动电源也就提出了更高的标准，一般要求功率因数在0.96以上；中大功率LED驱动电源大都采用两级功率变换，即前级为主动型功率因数校正电路(多为Boost型APFC拓扑)，后级为DC-AC-DC变换(隔离或非隔离，恒流、恒压或兼有之)。然而，Boost型APFC拓扑电路控制复杂、成本高，致使两级功率变换电路的总成本高、总效率低，结构复杂、体积偏大，可靠性降低。 

本实用新型的目的是，克服上述现有技术的不足，提供一种带APFC的半桥型功率变换器，它适用于100～127Vac电压输入，由单级半桥电路完成DC-AC(或DC-AC-DC)变换，同时实现主动功率因数校正(APFC)。该变换器拓扑精巧、控制简易，成本低、效率高、可靠性高。可广泛用于100～127Vac输入的电子镇流器、LED驱动电源等开关功率变换器。 

三、实用新型内容

本实用新型是这样实现的： 

一种带APFC的半桥型功率变换器，如图1所示。其由输入电容(Cx)、PFC电感(Lx)、二极管(D1、D2)、开关管(Q1、Q2)、直流电容(Cd)、半桥电容(Cs1、Cs2)和过流过压保护器(1)、差模共模滤波器(2)、控制器(3)、等效负载(4)组成。 

等效负载(4)如图2所示，可以分为两种情况。图2(a)是电子镇流器的等效负载原理图，其由滤波兼谐振电感(Ls)、滤波兼谐振电容(Cp)和荧光灯管(RL)构成。图2(b)是LED驱动电 源的等效负载原理图，其由变压器初级绕组(Lp)、次级绕组(Ls1、Ls2)、整流二极管(Do1、Do2)、滤波电容(Co)和LED光源(Ro)组成。 

该变换器各元器件的连接关系是：100～127Vac交流电源通过过流过压保护器(1)、差模共模滤波器(2)连接输入电容(Cx)。二极管(D1)的阴极与直流电容(Cd)的一端相连作为节点Vd，二极管(D2)的阳极与直流电容(Cd)的另一端相连作为节点GND，二极管(D1)的阳极与二极管(D2)的阴极相连作为节点Va。开关管(Q1)的漏极连接节点Vd；开关管(Q2)的源极连接节点GND；开关管(Q1)的源极与开关管(Q2)的漏极相连作为节点Vb。半桥电容(Cs1)的一端连接节点Vd，半桥电容(Cs2)的一端连接节点GND，半桥电容(Cs1、Cs2)的另一端相连作为节点Vc。输入电容(Cx)的一端连接节点Va，输入电容(Cx)的另一端连接PFC电感(Lx)的一端，PFC电感(Lx)的另一端连接节点Vb。两个开关管(Q1、Q2)的栅极连接控制器(3)。等效负载(4)的一端连接节点Vb，等效负载(4)的另一端连接节点Vc。 

半桥电容(Cs1、Cs2)可以去掉其中的任一个，从而进一步简化电路，但这样会增大直流电容(Cd)的高频纹波电流。 

该变换器的工作原理简述如下： 

开关管(Q1、Q2)轮流对称通断，不但实现给等效负载(4)供电的DC-AC变换，而且配合二极管(D1、D2)完成了主动功率因数校正(APFC)。 

在正弦交流输入电源的正半周时，输入电容(Cx)的电压为上正下负，由开关管(Q2)和二极管(D2)实现主动功率因数校正。开关管(Q1)关断、(Q2)导通时，输入电容(Cx)通过开关管(Q2)和二极管(D2)给PFC电感(Lx)充电；同时，直流电容(Cd)串联半桥电容(Cs1)再并联半桥电容(Cs2)通过开关管(Q2)给等效负载(4)放电。开关管(Q2)关断、(Q1)导通时，PFC电感(Lx)的电流通过开关管(Q1)、二极管(D2)和输入电容(Cx)给直流电容(Cd)充电；同时，直流电容(Cd)串联半桥电容(Cs2)再并联半桥电容(Cs1)通过开关管(Q1)给等效负载(4)放电。 

在正弦交流输入电源的负半周时，输入电容(Cx)的电压为上负下F，由开关管(Q1)和二极管(D1)实现主动功率因数校正。开关管(Q2)关断、(Q1)导通时，输入电容(Cx)通过二极管(D1)和开关管(Q1)给PFC电感(Lx)充电；同时，直流电容(Cd)串联半桥电容(Cs2)再并联半桥电容(Cs1)通过开关管(Q1)给等效负载(4)放电。开关管(Q1)关断、(Q2)导通时，PFC电感(Lx)的电流通过二极管(D1)、开关管(Q2)和输入电容(Cx)给直流电容(Cd)充电；同时，直流电容(Cd)串联半桥电容(Cs1)再并联半桥电容(Cs2)通过开关管(Q2)给等效负载(4)放电。 

由上述分析可见：一、在开关管(Q1、Q2)轮流对称通断期间，通过开关管(Q1、Q2)给直流电容(Cd)的充电电流和放电电流有一部分相互抵消，不但降低了开关管(Q1、Q2)的电流应力，而且减小了直流电容(Cd)的纹波电流，这对于减小器件容量和提高效率有明显优势。二、由于死区时间(先关断后导通的间隔时间)的存在，开关管(Q1、Q2)的导通占空比略小 于0.5，并且随着开关频率的提高，有效占空比减小。因此直流电容(Cd)的电压不会高于2倍的正弦交流输入电压峰值，开关管的电压应力也就不会太大。 

在设计中要注意三点：第一，最好使PFC电感(Lx)工作于电流断续模式(DCM)和临界连续模式(CRM)，这样有利于提高功率因数和效率。具体地说就是，在正弦输入电压峰值附近工作于CRM模式，而在波谷附近工作于DCM模式。第二，可以利用微调频率控制(PFM)，进一步提高功率因数和稳定输出功率。即：随着输入电压平均值和瞬时值升高相应提高开关频率，反之亦反。第三，最好加入直流电容(Cd)的过电压检测与保护，因为在灯管脱落或预热启动失败时，直流电容(Cd)的电压会升高。 

该变换器的主要电量关系式： 

设在正弦交流输入电压(V_s)的峰值V_p处，PFC电感(Lx)的电流正好临界连续。设开关管(Q1、Q2)的导通占空比对称且均为D_on，开关频率为f_s。 

正弦交流输入电压(V_s)的峰值Vp为： 

$V_P=\sqrt{2}\·V_S---\left(1\right)$

则直流电容(Cd)的电压V_dc为(含有2倍输入电源频率的交流分量)： 

$V_{\mathrm{dc}}=\frac{1}{1-D_{\mathrm{on}}}\·V_P---\left(2\right)$

设变换器的效率为η，输出功率为P_o，则输入功率P_i为： 

P_i＝P_o/η   (3) 

正弦交流输入电压(V_s)时，PFC电感(Lx)的峰值电流I_LP为： 

$I_{\mathrm{LP}}=2\sqrt{2}\·\frac{P_o}{\mathrm{\η}\·V_s}---\left(4\right)$

PFC电感(Lx)的电感量为： 

$L_x=\frac{V_P\·D_{\mathrm{on}}}{I_{\mathrm{LP}}\·f_s}\·k=\frac{\mathrm{\η}\·{V_s}^2\·D_{\mathrm{on}}}{2\·P_o\·f_s}\·k---\left(5\right)$

式中，k称为波形系数，≈0.9。因为电感电流不是标准的正弦波形。 

输入电容(Cx)可以按12～20nF/W来选取，直流电容(Cd)可以按220～330nF/W来选取。 

本实用新型与现有技术相比具有如下优越性： 

1)本实用新型由单级半桥实现APFC和DC-AC变换，结构简单、控制容易、成本低； 

2)本实用新型省去了整流桥，进一步简化了结构、降低了成本、提高了效率； 

3)本实用新型的开关管和二极管等器件全部轮流对称工作，功耗与散热均衡、可靠性高； 

4)本实用新型有效降低了开关管的电流应力和直流电容的纹波电流，有利于减小器件容量和提高变换效率。 

四、附图说明

图1为一种带APFC的半桥型功率变换器的电路原理图。 

在图1中，Cx——输入电容、Lx——PFC电感、D1、D2——二极管、Q1、Q2——开关管、Cd——直流电容、Cs1、Cs2——半桥电容、1——过流过压保护器、2——差模共模滤波器、3——控制器、4——等效负载。 

图2为一种带APFC的半桥型功率变换器的等效负载(4)的电路原理图；图2(a)是电子镇流器的等效负载原理图，图2(b)是LED驱动电源的等效负载原理图。 

在图2(a)中，Ls——滤波兼谐振电感，Cp——滤波兼谐振电容，RL——荧光灯管。在图2(b)中，Lp——变压器初级绕组，Ls1、Ls2——变压器次级绕组，Do1、Do2——整流二极管，Co——滤波电容，Ro——LED光源。 

五、具体实施方式

下面结合附图以最佳实施例详述本实用新型。 

如图1所示，一种带APFC的半桥型功率变换器，其由输入电容(Cx)、PFC电感(Lx)、二极管(D1、D2)、开关管(Q1、Q2)、直流电容(Cd)、半桥电容(Cs1、Cs2)和过流过压保护器(1)、差模共模滤波器(2)、控制器(3)、等效负载(4)组成。 

如图2所示，等效负载(4)可以分为两种情况。以图2(a)所示电子镇流器的等效负载原理图为例，其由滤波兼谐振电感(Ls)、滤波兼谐振电容(Cp)和荧光灯管(RL)构成。 

该变换器各元器件的连接关系是：100～127Vac交流电源通过过流过压保护器(1)、差模共模滤波器(2)连接输入电容(Cx)。二极管(D1)的阴极与直流电容(Cd)的一端相连作为节点Vd，二极管(D2)的阳极与直流电容(Cd)的另一端相连作为节点GND，二极管(D1)的阳极与二极管(D2)的阴极相连作为节点Va。开关管(Q1)的漏极连接节点Vd；开关管(Q2)的源极连接节点GND；开关管(Q1)的源极与开关管(Q2)的漏极相连作为节点Vb。半桥电容(Cs1)的一端连接节点Vd，半桥电容(Cs2)的一端连接节点GND，半桥电容(Cs1、Cs2)的另一端相连作为节点Vc。输入电容(Cx)的一端连接节点Va，输入电容(Cx)的另一端连接PFC电感(Lx)的一端，PFC电感(Lx)的另一端连接节点Vb。两个开关管(Q1、Q2)的栅极连接控制器(3)。等效负载(4)的一端连接节点Vb，等效负载(4)的另一端连接节点Vc。 

开关管(Q1、Q2)轮流对称通断，不但实现给等效负载(4)供电的DC-AC变换，而且配合二极管(D1、D2)完成了主动功率因数校正(APFC)。 

在设计中可实现三点：第一，使PFC电感(Lx)工作于电流断续模式(DCM)和临界连续模式(CRM)。具体地说就是，在正弦输入电压峰值处工作于CRM模式，而在波谷附近工作于DCM模式。第二，利用集成电路构建控制器(3)，实现微调频率控制(PFM)，进一步 提高功率因数和稳定输出功率。即：随着输入电压平均值和瞬时值升高相应提高开关频率，反之亦反。第三，检测直流电容(Cd)的电压，实现过电压保护。 

具体设计参数为：正弦交流输入电源电压V_s＝125V//60Hz，开关管占空比D_on＝0.48，开关频率f_s＝55kHz，变换效率η＝0.9，功率因数PF≥0.97，输出功率P_o＝100W。荧光灯管RL＝Φ17/6U。 

根据式(1)～式(5)得出数据如下： 

V_p＝176.8V，V_dc＝339.5V，P_i＝111.1W，I_LP＝2.51A，L_x＝0.53mH。 

取Cx＝1.5uF/250V，Cd＝33uF/450V，Cs1＝Cs2＝100nF/630V；Q1＝Q2＝STP12NM50N，D1＝D2＝SF38。Ls＝1.1mH，Cp＝6.8nF/1.6kV。 

Claims (2)

1.一种带APFC的半桥型功率变换器，其由输入电容(Cx)、PFC电感(Lx)、二极管(D1、D2)、开关管(Q1、Q2)、直流电容(Cd)、半桥电容(Cs1、Cs2)和过流过压保护器(1)、差模共模滤波器(2)、控制器(3)、等效负载(4)组成；100～127Vac交流电源通过过流过压保护器(1)、差模共模滤波器(2)连接输入电容(Cx)；其特征是：二极管(D1)的阴极与直流电容(Cd)的一端相连作为节点Vd，二极管(D2)的阳极与直流电容(Cd)的另一端相连作为节点GND，二极管(D1)的阳极与二极管(D2)的阴极相连作为节点Va；开关管(Q1)的漏极连接节点Vd；开关管(Q2)的源极连接节点GND；开关管(Q1)的源极与开关管(Q2)的漏极相连作为节点Vb；半桥电容(Cs1)的一端连接节点Vd，半桥电容(Cs2)的一端连接节点GND，半桥电容(Cs1、Cs2)的另一端相连作为节点Vc；输入电容(Cx)的一端连接节点Va，输入电容(Cx)的另一端连接PFC电感(Lx)的一端，PFC电感(Lx)的另一端连接节点Vb；两个开关管(Q1、Q2)的栅极连接控制器(3)；等效负载(4)的一端连接节点Vb，等效负载(4)的另一端连接节点Vc。

2.根据权利要求1所述的一种带APFC的半桥型功率变换器，其特征在于半桥电容(Cs1、Cs2)可以去掉其中的任一个。