本實(shí)用新型涉及電源整流技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種帶高頻隔離、實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正功能的交流-直流變換電源。

背景技術(shù)：

交流-直流變換電源廣泛應(yīng)用于通信電源整流器模塊、電動(dòng)汽車動(dòng)力電池充電樁等諸多場(chǎng)合。其主要功能是實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)側(cè)電流的功率因數(shù)校正，減小諧波污染和無功損耗；同時(shí)為后級(jí)電路提供穩(wěn)定的直流輸入電源?，F(xiàn)有交流-直流變換電源的體積較大，轉(zhuǎn)換效率和功率密度較低。在通信電源整流器模塊、電動(dòng)汽車動(dòng)力電池充電樁等應(yīng)用場(chǎng)合，現(xiàn)有交流-直流變換電源通常采用兩級(jí)式結(jié)構(gòu)，其中前級(jí)使用非隔離型功率因數(shù)校正電路，后級(jí)額外串接隔離型直流-直流（DC-DC）變換電路，為終端負(fù)載提供安全可靠直流電源。這進(jìn)一步降低了裝置的效率，增加了裝置的體積。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型提供了一種帶有隔離功能、實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)工作的交流-直流變換電源，解決了現(xiàn)有技術(shù)無法輸出隔離直流電源以及轉(zhuǎn)換效率與功率密度低的問題。

為達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案：

根據(jù)本實(shí)用新型的隔離型軟開關(guān)交流-直流變換電源包括輸入整流電路、輸入電容器、升壓電感、原邊開關(guān)電路、隔離變壓器、諧振電容器、副邊整流電路以及輸出電容器。電路整體連接方式為：輸入整流電路的交流輸入兩端與交流電源兩端分別相連，輸入整流電路的直流輸出正端與輸入電容器和升壓電感的一端共接，輸入整流電路的直流輸出負(fù)端與輸入電容器和原邊開關(guān)電路的直流輸入負(fù)端共接，升壓電感的另一端與原邊開關(guān)電路的直流輸入正端相連，原邊開關(guān)電路的交流輸出兩端與隔離變壓器的原邊繞組兩端分別相連，隔離變壓器的副邊繞組兩端與諧振電容器的兩端以及副邊整流電路的交流輸入兩端分別共接，副邊整流電路的直流輸出正端與輸出電容器正端和直流負(fù)載的正端共接，副邊整流電路的直流輸出負(fù)端與輸出電容器負(fù)端和直流負(fù)載的負(fù)端共接。

進(jìn)一步地，其中原邊開關(guān)電路包括：

由第一開關(guān)管和第一二極管串聯(lián)組成、與原邊開關(guān)電路直流輸入正端與負(fù)端分別相連的主開關(guān)支路，主開關(guān)支路的正端與原邊開關(guān)電路直流輸入正端相連，主開關(guān)支路的負(fù)端與原邊開關(guān)電路直流輸入負(fù)端相連；

由第一上橋臂和第一下橋臂組成、與原邊開關(guān)電路直流輸入正端與負(fù)端分別相連的第一橋臂支路，第一上橋臂由第二開關(guān)管和第二二極管串聯(lián)組成，第一下橋臂由第三開關(guān)管和第三二極管串聯(lián)組成，第一上橋臂的正端與原邊開關(guān)電路直流輸入正端相連，第一上橋臂的負(fù)端和第一下橋臂的正端相連，上下橋臂連接點(diǎn)為第一橋臂支路中點(diǎn)，第一橋臂支路中點(diǎn)為原邊開關(guān)電路的交流輸出第一端，第一下橋臂的負(fù)端與原邊開關(guān)電路直流輸入負(fù)端相連；

由第二上橋臂和第二下橋臂組成、與原邊開關(guān)電路直流輸入正端與負(fù)端分別相連的第二橋臂支路，第二上橋臂由第四開關(guān)管和第四二極管串聯(lián)組成，第二下橋臂由第五開關(guān)管和第五二極管串聯(lián)組成，第二上橋臂的正端與原邊開關(guān)電路直流輸入正端相連，第二上橋臂的負(fù)端和第二下橋臂的正端相連，上下橋臂連接點(diǎn)為第二橋臂支路中點(diǎn)，第二橋臂支路中點(diǎn)為原邊開關(guān)電路的交流輸出第二端，第二下橋臂的負(fù)端與原邊開關(guān)電路直流輸入負(fù)端相連。

原邊開關(guān)電路所述的開關(guān)管選用IGBT或MOSFET兩者中的一者。主開關(guān)支路或橋臂的開關(guān)管與二極管具有兩種連接方式。一種連接方式為，IGBT的發(fā)射極或MOSFET的源極與二極管的陽極相連，此時(shí)IGBT的集電極或MOSFET的漏極為主開關(guān)支路或橋臂的正端，二極管的陰極為主開關(guān)支路或橋臂的負(fù)端；另一種連接方式為，IGBT的集電極或MOSFET的漏極與二極管的陰極相連，此時(shí)二極管的陽極為主開關(guān)支路或橋臂的正端，IGBT的發(fā)射極或MOSFET的源極為主開關(guān)支路或橋臂的負(fù)端。

該交流-直流變換電源的輸入整流電路、升壓電感與原邊開關(guān)電路的連接方式包括：升壓電感的兩端與輸入整流電路的直流輸出正端與原邊開關(guān)電路的直流輸入正端分別相連，輸入整流電路的直流輸出負(fù)端與原邊開關(guān)電路的直流輸入負(fù)端相連；或者升壓電感的兩端與輸入整流電路的直流輸出負(fù)端與原邊開關(guān)電路的直流輸入負(fù)端分別相連，輸入整流電路的直流輸出正端與原邊開關(guān)電路的直流輸入正端相連；或者使用兩路升壓電感，其中升壓電感一與輸入整流電路的直流輸出正端與原邊開關(guān)電路的直流輸入正端分別相連，升壓電感二與輸入整流電路的直流輸出負(fù)端與原邊開關(guān)電路的直流輸入負(fù)端分別相連。

該交流-直流變換電源的隔離變壓器存在寄生漏抗；同時(shí)在隔離變壓器的原邊和副邊繞組上可分別額外串聯(lián)連接電感器，此時(shí)隔離變壓器通過電感器與原邊開關(guān)電路或副邊整流電路相連。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型使用了一套電路實(shí)現(xiàn)了功率因數(shù)校正和輸出隔離直流電源兩個(gè)功能。與使用有源功率因數(shù)校正電路串接隔離型直流-直流（DC-DC）變換電路的兩級(jí)式方案相比較，本實(shí)用新型中的變壓器原邊開關(guān)電路省去了兩級(jí)電路中間的直流儲(chǔ)能電容器，因此減小了電路的體積，提高了電路的功率密度。同時(shí)通過第一第二橋臂支路的斬波工作，在隔離變壓器原邊生成高頻方波，使電路能夠?qū)崿F(xiàn)高頻隔離，進(jìn)一步減小電路體積。

電路的工作利用了變壓器漏感和副邊諧振電容器之間的高頻諧振機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了原邊開關(guān)電路中所有開關(guān)管的零電流開通與關(guān)斷，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了副邊整流電路整流二極管的零電流關(guān)斷，進(jìn)而有效的減小了電路的損耗，提高了電路的轉(zhuǎn)換效率。

附圖說明

圖1是本實(shí)用新型公開的隔離型軟開關(guān)交流-直流變換電源的典型實(shí)施例的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；

圖2是本實(shí)用新型公開的隔離型軟開關(guān)交流-直流變換電源的典型實(shí)施例的原理圖；

圖3是本實(shí)用新型公開的隔離型軟開關(guān)交流-直流變換電源具體實(shí)施例的示意圖；

圖4a是根據(jù)圖3所示的具體實(shí)施例的工作狀態(tài)1的電路等效原理圖；

圖4b是根據(jù)圖3所示的具體實(shí)施例的工作狀態(tài)2的電路等效原理圖；

圖4c是根據(jù)圖3所示的具體實(shí)施例的工作狀態(tài)3的電路等效原理圖；

圖4d是根據(jù)圖3所示的具體實(shí)施例的工作狀態(tài)4的電路等效原理圖；

圖4e是根據(jù)圖3所示的具體實(shí)施例的工作狀態(tài)5的電路等效原理圖；

圖4f是根據(jù)圖3所示的具體實(shí)施例的工作狀態(tài)6的電路等效原理圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本實(shí)用新型實(shí)施例中的附圖，對(duì)本實(shí)用新型實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整的描述。顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本實(shí)用新型一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒緦?shí)用新型中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。

本實(shí)用新型實(shí)施例提供了一種隔離型軟開關(guān)交流-直流變換電源，如圖1所示，其包括輸入整流電路、輸入電容器、升壓電感、原邊開關(guān)電路、隔離變壓器、諧振電容器、副邊整流電路以及輸出電容器。其中輸入整流電路的交流輸入兩端與交流電源兩端分別相連，輸入整流電路的直流輸出正端與輸入電容器和升壓電感的一端共接，輸入整流電路的直流輸出負(fù)端與輸入電容器和原邊開關(guān)電路的直流輸入負(fù)端共接，升壓電感的另一端與原邊開關(guān)電路的直流輸入正端相連，原邊開關(guān)電路的交流輸出兩端與隔離變壓器的原邊繞組兩端分別相連，隔離變壓器的副邊繞組兩端與諧振電容器的兩端以及副邊整流電路的交流輸入兩端分別共接，副邊整流電路的直流輸出正端與輸出電容器正端和直流負(fù)載的正端共接，副邊整流電路的直流輸出負(fù)端與輸出電容器負(fù)端和直流負(fù)載的負(fù)端共接。

如圖2所示，本實(shí)用新型實(shí)施例所述的原邊開關(guān)電路包括：

由第一開關(guān)管和第一二極管串聯(lián)組成、與原邊開關(guān)電路直流輸入正端與負(fù)端分別相連的主開關(guān)支路，其中，主開關(guān)支路的正端與原邊開關(guān)電路直流輸入正端相連，主開關(guān)支路的負(fù)端與原邊開關(guān)電路直流輸入負(fù)端相連；

由第一上橋臂和第一下橋臂組成、與原邊開關(guān)電路直流輸入正端與負(fù)端分別相連的第一橋臂支路，其中，第一上橋臂由第二開關(guān)管和第二二極管串聯(lián)組成，第一下橋臂由第三開關(guān)管和第三二極管串聯(lián)組成，第一上橋臂的正端與原邊開關(guān)電路直流輸入正端相連，第一上橋臂的負(fù)端和第一下橋臂的正端相連，上下橋臂連接點(diǎn)為第一橋臂支路中點(diǎn)，第一橋臂支路中點(diǎn)為原邊開關(guān)電路的交流輸出第一端，第一下橋臂的負(fù)端與原邊開關(guān)電路直流輸入負(fù)端相連；

由第二上橋臂和第二下橋臂組成、與原邊開關(guān)電路直流輸入正端與負(fù)端分別相連的第二橋臂支路，其中，第二上橋臂由第四開關(guān)管和第四二極管串聯(lián)組成，第二下橋臂由第五開關(guān)管和第五二極管串聯(lián)組成，第二上橋臂的正端與原邊開關(guān)電路直流輸入正端相連，第二上橋臂的負(fù)端和第二下橋臂的正端相連，上下橋臂連接點(diǎn)為第二橋臂支路中點(diǎn)，第二橋臂支路中點(diǎn)為原邊開關(guān)電路的交流輸出第二端，第二下橋臂的負(fù)端與原邊開關(guān)電路直流輸入負(fù)端相連。

原邊開關(guān)電路所述的開關(guān)管選用IGBT或MOSFET兩者中的一者。主開關(guān)支路或橋臂的開關(guān)管與二極管具有兩種連接方式。以上兩種連接方式均由圖2給出。一種連接方式為，IGBT的發(fā)射極或MOSFET的源極與二極管的陽極相連，此時(shí)IGBT的集電極或MOSFET的漏極為主開關(guān)支路或橋臂的正端，二極管的陰極為主開關(guān)支路或橋臂的負(fù)端；另一種連接方式為，IGBT的集電極或MOSFET的漏極與二極管的陰極相連，此時(shí)二極管的陽極為主開關(guān)支路或橋臂的正端，IGBT的發(fā)射極或MOSFET的源極為主開關(guān)支路或橋臂的負(fù)端。

該交流-直流變換電源的輸入整流電路，升壓電感與原邊開關(guān)電路有多種連接方式。圖2給出了升壓電感可選的連接位置，并分別用L_in1和L_in2標(biāo)記。以上兩個(gè)可選電感可任意一個(gè)或多個(gè)接入電路但不能均不接入電路。

該交流-直流變換電源的隔離變壓器T₁存在寄生漏抗L_k；同時(shí)在實(shí)施例中可額外串入電感器等效增加漏抗大小。以上額外串入電感器均應(yīng)等效于單一漏抗L_k。

圖3是本實(shí)用新型公開的隔離型軟開關(guān)交流-直流變換電源具體實(shí)施例的示意圖。如圖3所示，本實(shí)施例使用普通二極管整流橋作為輸入整流電路。輸入電容器為C_in，升壓電感為L_in，第一至第五開關(guān)管分別為S₁-S₅，開關(guān)管使用IGBT。第一至第五二極管分別為D₁-D₅，二極管使用快恢復(fù)二極管。開關(guān)管與二極管的連接方式均為IGBT的發(fā)射級(jí)與二極管的陽極相連。隔離變壓器記為T₁，寄生漏抗記為L_k，變壓器匝比為n₁: n₂。諧振電容記為C_r。副邊整流電路采用普通二極管整流橋電路并使用4個(gè)快恢復(fù)二極管，分別記為D_o1-D_o4。輸出電容器記為C_o。

由于輸入整流電路的存在，輸入電容器上電壓極性始終為正。輸入電容器的容值通常為1-5uF，因而電容上儲(chǔ)存能量很少。在電路工作過程中可以近似認(rèn)為輸入電容器電壓始終跟隨輸入電網(wǎng)電壓的絕對(duì)值。電路的輸出電容器容值通常大于1000uF，因此在電路工作過程中可以近似認(rèn)為輸出電容器電壓基本恒定，并等于輸出負(fù)載電壓。

該實(shí)施例中升壓電感、原邊開關(guān)電路、隔離變壓器、諧振電容器以及副邊整流電路配合工作，實(shí)現(xiàn)輸入電流功率因數(shù)校正和輸出穩(wěn)定的隔離直流電源的功能。電路工作存在多個(gè)基本工作狀態(tài)，以下分別由圖4a-4f給出。應(yīng)該注意的是，附圖4a-4f的虛線框部分表示該部分電路處于關(guān)斷狀態(tài)。

工作狀態(tài)1：如圖4a所示，開關(guān)管S₁，S₃和S₄關(guān)斷，S₂和S₅導(dǎo)通。此時(shí)電路中導(dǎo)通器件包括S₂、D₂、S₅、D₅、D_o1和D_o4。電流方向如圖4a所示，電感能量經(jīng)由導(dǎo)通路徑釋放到副邊輸出電容。此時(shí)諧振電容Cr電壓被箝位至輸出電容電壓。

工作狀態(tài)2：如圖4b所示，在該工作狀態(tài)開始階段，開關(guān)管S₁導(dǎo)通。開關(guān)管S₃和S₄仍關(guān)斷，S₂和S₅仍導(dǎo)通。由于變壓器漏感L_k的存在，電流導(dǎo)通路徑不會(huì)立刻從原有路徑置換到S₁所在的主開關(guān)支路。因而原導(dǎo)通路徑上的導(dǎo)通器件包括S₂、D₂、S₅、D₅、D_o1和D_o4均獲得了零電流軟關(guān)斷的條件，S₁獲得零電流軟開通。

工作狀態(tài)3：如圖4c所示，在該工作狀態(tài)開始階段，原導(dǎo)通路徑上電流下降到0。由于二極管D₂與D₅的存在，該導(dǎo)通路徑的電流截止。S₂、D₂、S₅、D₅、D_o1和D_o4均實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷。此時(shí)電流導(dǎo)通路徑為通過S₁與D₁。此時(shí)電感通過輸入電壓進(jìn)行充能。諧振電容C_r電壓仍然保持為近似輸出電容電壓。

工作狀態(tài)4：如圖4d所示，在該工作狀態(tài)開始階段，開關(guān)管S₃和S₄開通。此時(shí)由于諧振電容C_r電壓電勢(shì)作用，開關(guān)管S₁與D₁上電流逐漸轉(zhuǎn)換到開關(guān)管S₃和S₄所在導(dǎo)通路徑上。由于變壓器漏感L_k的存在，電流導(dǎo)通路徑不會(huì)立刻從原有路徑置換到S₃和S₄所在路徑。因而原導(dǎo)通路徑上的導(dǎo)通器件包括S₁和D₁均獲得了零電流軟關(guān)斷的條件，S₃和S₄獲得零電流軟開通。同時(shí)諧振電容C_r電壓開始線性下降。

工作狀態(tài)5：如圖4e所示，在該工作狀態(tài)開始階段，開關(guān)管S₁與D₁上電流下降到0，實(shí)現(xiàn)零電流軟關(guān)斷。此時(shí)電流導(dǎo)通路徑為通過S₃、D₃、S₄、D₄。此時(shí)諧振電容C_r電壓繼續(xù)快速下降，并最終反向上升。在諧振電容C_r電壓沒有反向上升到超過輸出電容電壓之前，副邊整流電路二極管不會(huì)導(dǎo)通。

工作狀態(tài)6：如圖4f所示，在該工作狀態(tài)開始階段，諧振電容C_r電壓達(dá)到輸出電容電壓，副邊整流電路二極管開始導(dǎo)通。此時(shí)電路中導(dǎo)通器件包括S₃、D₃、S₄、D₄、D_o2和D_o3。此時(shí)電感能量再次經(jīng)由導(dǎo)通路徑釋放到副邊輸出電容。

可以看到，工作狀態(tài)1和工作狀態(tài)6為對(duì)稱工作狀態(tài)。電路在工作狀態(tài)6及之后4個(gè)工作狀態(tài)的運(yùn)行過程將和工作狀態(tài)1至工作狀態(tài)5一一對(duì)應(yīng)。電路通過對(duì)稱工作，在原邊開關(guān)電路的交流輸出兩端輸出正負(fù)方波電壓，實(shí)現(xiàn)了變壓器的高頻隔離和能量傳遞。變壓器副邊整流電路將該方波電壓重新整流成為直流。

電路的有源功率因數(shù)校正功能通過控制各個(gè)工作狀態(tài)的作用時(shí)間來完成。在以上多個(gè)工作狀態(tài)中，工作狀態(tài)1（6）和工作狀態(tài)3為主要工作狀態(tài)。其他工作狀態(tài)為諧振工作狀態(tài)。電路通過控制主要工作狀態(tài)的作用時(shí)間來控制升壓電感的充能和釋能，進(jìn)而控制電感電流跟蹤電網(wǎng)電壓相位，實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正。