[发明专利]一种AC/DC谐振变换器

说明书

本发明提供一种AC/DC谐振变换器，功率变换电路由基本开关单元与谐振槽构成，控制器根据不同交流输入电压、或不同直流输出电压自适应控制功率变换电路，将其切换为一个或多个基本开关单元串并联堆叠工作，交流输入低压或直流输出高压时工作于高频全压控制方式，反之交流输入高压或直流输出低压时工作于低频分压控制方式，这两种两电平控制方式共用同一套谐振器件以简化谐振槽设计，并且控制器内部具有乘法器功能单元，交流输入电流实时跟踪输入电压的频率与相位以实现功率因数校正功能。谐振变换器将交流输入瞬时电压直接变换为直流输出电压，可以节省常规PFC变换器及其直流母线电容，提高转换效率、降低元器件成本。

技术领域

本发明涉及开关电源技术领域，尤其涉及一种AC/DC谐振变换器。

背景技术

开关电源利用功率开关管高频工作实现交直流(AC/DC)功率变换，具有体积小、重量轻、效率高等特点，广泛应用于工业与民用电子设备领域，如充电器、电源适配器、LED驱动器、工业与控制电源等，相关标准规定一定输出功率以上开关电源需要具备功率因数校正(PFC)功能。AC/DC功率变换器中单级变换结构简单、成本较低，但无法兼顾高功率因数(PF)和低纹波要求，同时功率管存在电压或电流应力过高风险，因此行业上广泛使用两级变换结构：前级PFC变换器，用于调节功率因数并实现输入与输出能量平衡；后级DC/DC变换器，用于调整输出电压并降低输出纹波电压或电流。AC/DC变换器典型组成结构如图1所示，其中，Cb为直流母线电容，以平衡输入与输出功率或能量差值并用作滤波；Co为输出滤波电容；RL为直流输出负载。

两级AC/DC变换器电路拓扑如图2所示，交流输入部分包括输入EMI滤波器和整流电路，EMI滤波器中滤波电感为Lf、滤波电容为Cf，输入整流电路二极管为D1～D4，高频滤波电容为Ci。前级PFC变换器使用升压变换器(Boost)，由升压电感Lpfc、升压二极管Dpfc、功率开关管Qpfc及其体二极管D_Qpfc构成。旁路二极管Db在冷机启动时给直流母线电容Cb预充电，同时输入端有雷击时给Cb提供一个电流通路来吸收，以避免瞬态大电流冲击影响Boost变换器正常工作。后级DC/DC变换器使用LLC半桥谐振变换器，主要由第一串联谐振电感Lr、并联谐振电感Lp、主变压器T1、副边整流二极管D5、D6、功率开关管Q1、Q2及其体二极管D_Q1、D_Q2构成。两个控制器分别控制升压PFC和LLC半桥谐振变换器工作，一般采用PWM、变频或混合型芯片。

两级AC/DC变换器能达到高功率因数，并可降低输出纹波，但功率变换电路与控制器中元器件数量较多，导致材料成本较高。同时，交流输入经过两级功率变换后才能得到总输出，不可避免地产生更多功率损耗，其转换效率为PFC与DC/DC两部分转换效率的乘积，从而整体转换效率较低。升压PFC变换器工作于较低交流输入电压时，输入电流增大导致其导通损耗升高，因而宽输入电压范围85～276Vac低压段转换效率变得更低。LLC半桥谐振变换器虽然开通损耗低，但工作于较宽输出电压范围时，即使直流母线电压保持恒定，开关频率也会变化较大从而偏离其谐振频率点，导致关断和导通损耗升高，因此也不适用于宽输出电压场合，另外，两级变换器中需要两套独立控制器，控制方式复杂并且存在不稳定风险。因此，行业上需要新型AC/DC变换器，既要实现更简单变换结构，又要降低元器件成本，并且实现高功率因数，同时可以适应较宽输入和输出电压范围工作。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种AC/DC谐振变换器，将交流输入瞬时电压直接变换为直流输出电压，可以节省常规PFC变换器及其直流母线电容，提高转换效率、降低元器件成本；不同工作条件下功率管均为软开关工作能够降低关断损耗，同时低频分压控制方式具有更低等效开关频率，从而较大降低其开关损耗、进一步提高转换效率，另外高集成度控制器设计能够进一步减小开关电源体积。