[发明专利]一种单级式基于交错并联无桥PFC电路和LLC谐振的隔离型AC-DC变换器

权利要求书

1.一种单级式基于交错并联无桥PFC电路和LLC谐振的隔离型AC-DC变换器，包括全桥LLC谐振电路，其特征在于，全桥LLC谐振电路的原边包括交错并联无桥PFC电路，具体为：

第一原边支路，由带反并联二极管D_S1的第一功率开关管S₁、带反并联二极管D_S2的第二功率开关管S₂串联组成；

与第一原边支路并联的第二原边支路，由带反并联二极管D_S3的第三功率开关管S₃、带反并联二极管D_S4的第四功率开关管S₄串联组成；

与第一原边支路并联的第三原边支路，由功率二极管D₁和D₂串联组成；

第一输入电感L_B1，一端与输入电压一端连接，另一端连接于第一功率开关管S₁与第二功率开关管S₂之间；

第二输入电感L_B2，一端与输入电压一端连接，另一端连接于第三功率开关管S₃与第四功率开关管S₄之间；

直流母线电容C_DC，并联于第一原边支路；

串联的谐振电容C_r和谐振电感L_r，变压器T原边绕组的同名端依次经谐振电感L_r、谐振电容C_r连接于第一功率开关管S₁的源极，变压器T原边绕组的异名端与第四功率开关管S₄的漏极相连；

输入电压，一端连接于第一输入电感L_B1和第二输入电感L_B2，另一端连接于功率二极管D₁和D₂之间；

所述全桥LLC谐振电路的副边包括：

输出负载；

与负载并联的第一副边支路，第一副边支路由第一功率二极管D_o1、第二功率二极管D_o2串联组成，第一功率二极管D_o1的阴极与输出负载一端连接，第二功率二极管D_o2的阳极与输出负载另一端连接；

与负载并联的第二副边支路，第二副边支路由第三功率二极管D_o3、第四功率二极管D_o4串联组成，第三功率二极管D_o3的阴极与输出负载一端连接，第四功率二极管D_o4的阳极与输出负载另一端连接；

与输出负载并联的输出滤波电容C_o，作为第三副边支路；

变压器T副边绕组的同名端连接于第一功率二极管D_o1、第二功率二极管D_o2之间，变压器T副边绕组的异名端连接于第三功率二极管D_o3、第四功率二极管D_o4之间；

所述第一功率开关管S₁、第二功率开关管S₂、第三功率开关管S₃和第四功率开关管S₄为功率金属-氧化物半导体场效应晶体管；

假设条件如下：

(1)第一原边支路的第一功率开关管S₁、第二功率开关管S₂互补工作在开关频率上；第二原边支路的第三功率开关管S₃、第四功率开关管S₄互补工作在开关频率上；

(2)第一输入电感L_B1、第二输入电感L_B2工作在连续电流模式(CCM)；

在所述假设条件(1)和(2)的基础上，换流过程分析如下：

模态1：[t₀～t₁]

第一功率开关管S₁导通，第二功率开关管S₂关断，第三功率开关管S₃关断，第四功率开关管S₄导通，谐振腔输入电压为+V_DC，V_DC为直流母线电容C_DC的电容电压，此时，第一输入电感L_B1、第一功率开关管S₁、直流母线电容C_DC、功率二极管D₂组成一个回路，输入电压通过第一输入电感L_B1为直流母线电容C_DC充电，第一输入电感L_B1电流线性下降；第二输入电感L_B2、第四功率开关管S₄、功率二极管D₂组成另外一个回路，输入电压为第二输入电感L_B2充电，第二输入电感L_B2电流线性上升；当第一功率开关管S₁导通时，此时谐振腔回路的谐振电流i_Lr为负，谐振电流i_Lr流经第一功率开关管S₁的反并二极管D_S1，为第一功率开关管S₁的ZVS创造条件；当谐振电流i_Lr逐渐由负变为正时，此时直流母线电容C_DC放电，谐振电流i_Lr等于直流母线电容C_DC电流和第一输入电感L_B1电流i_LB1之和，此时谐振电流i_Lr与励磁电流i_m之差输出到变压器T的副边；

模态2：[t₁～t₂]

此模式分为两种情况：

当占空比D<0.5时，此时第一功率开关管S₁关断，第二功率开关管S₂导通，第三功率开关管S₃关断，第四功率开关管S₄导通，谐振腔输入电压为零；此时第一输入电感L_B1、第二功率开关管S₂，功率二极管D₂构成回路，输入电压为第一输入电感L_B1充电；第二输入电感L_B2、第四功率开关管S₄，功率二极管D₂构成回路，输入电压为第二输入电感L_B2充电，两路电感电流线性上升，当第二功率开关管S₂刚导通时，谐振电流i_Lr为正值，谐振电流i_Lr流过第二功率开关管S₂的反并二极管D_S2，为第二功率开关管的ZVS创造条件；这个状态开始于第一功率开关管S₁断开，第二功率开关管S₂导通；此时谐振腔的输入电压为0，谐振电流i_Lr和励磁电感电流i_m相等，变压器T原边没有能量传向副边，副边二极管实现ZCS；

当占空比D>0.5时，此时第一功率开关管S₁导通、第二 功率开关管S₂关断、第三功率开关管S₃导通、第四功率开关管S₄关断，谐振腔输入电压为零；此时第一输入电感L_B1、第一 功率开关管S₁、功率二极管D₂构成回路，输入电压和第一输入电感L_B1为直流母线电容C_DC充电，第一输入电感L_B1电流线性下降；第二输入电感L_B2、第三功率开关管S₃、直流母线电容C_DC、功率二极管D₂构成回路，输入电压和第二输入电感L_B2给直流母线电容C_DC充电，第二输入电感L_B2电流线性下降；

模态3：[t2～t3]

第一功率开关管S₁关断，第二功率开关管S₂导通，第三功率开关管S₃导通，第四功率开关管S₄关断，谐振腔输入电压为-V_DC，此时第一输入电感L_B1、第二功率开关管S₂、功率二极管D₂构成回路，输入电压为第一输入电感L_B1充电，电感电流线性上升；第二输入电感L_B2、第三功率开关管S₃、直流母线电容C_DC、功率二极管D₂构成回路，输入电压和第二输入电感L_B2给直流母线电容C_DC充电，第二输入电感L_B2电流线性下降；当第三功率开关管S₃刚导通时，谐振电流i_Lr为正，谐振电流i_Lr流过第三功率开关管S₃的反并二极管D_S3，为第三功率开关管的ZVS创造了条件；当谐振电流逐渐减小至i_Lr小于零时，直流母线电容C_DC放电电流和第二输入电感L_B2的电流i_LB2之和等于谐振电流i_Lr，此时谐振电流i_Lr与励磁电流i_m之差输出到变压器的副边；

模态4：[t₃～t₄]

此模式分两种情况：

当占空比D<0.5时，此时第一功率开关管S₁关断，第二功率开关管S₂导通，第三功率开关管S₃关断，第四功率开关管S₄导通，谐振腔输入电压为零；此时第一输入电感L_B1、第二功率开关管S₂，功率二极管D₂构成回路，输入电压为第一输入电感L_B1充电；第二输入电感L_B2、第四功率开关管S₄，功率二极管D₂构成回路，输入电压为第二输入电感L_B2充电；两路电感电流线性上升；当第二功率开关管S₂刚导通时，谐振电流i_Lr为正值，谐振电流i_Lr流过第二功率开关管S₂的反并二极管D_S2，为第二功率开关管的ZVS创造条件；这个状态开始于第一功率开关管S₁断开，第二功率开关管S₂导通，此时谐振腔的输入电压为0，谐振电流i_Lr和励磁电感电流i_m相等，变压器T原边没有能量传向副边，副边二极管实现ZCS；

当占空比D>0.5时，此时第一功率开关管S₁导通、第二功率开关管S₂关断、第三功率开关管S₃导通、第四功率开关管S₄关断，谐振腔输入电压为零，此时第一输入电感L_B1、第一 功率开关管S₁、功率二极管D₂构成回路，输入电压和第一输入电感L_B1给直流母线电容C_DC充电，第一输入电感L_B1电流线性下降；第二输入电感L_B2、第三功率开关管S₃、直流母线电容C_DC、功率二极管D₂构成回路，输入电压和第二输入电感L_B2给直流母线电容C_DC充电，第二输入电感L_B2电流线性下降。