半无桥隔离型单级PFC电路及半无桥隔离型单级PFC变换器的制作方法

半无桥隔离型单级pfc电路及半无桥隔离型单级pfc变换器
技术领域
1.本发明涉及pfc变换器技术领域，特别涉及一种半无桥隔离型单级pfc电路及半无桥隔离型单级pfc变换器。

背景技术：

2.单级pfc(power factor correction)变换器，是一种交流输入/直流输出的开关变换器；其功能是由一次功率变换而稳定所需的直流输出量，同时实现输入端的功率因数校正(pfc)。所谓功率因数校正，即是输入的交流电流跟踪交流电压，使它们波形一致相位相同，从而达到高功率因数。
3.目前，隔离型的单级pfc(power factor correction)变换器，大都采用反激式拓扑，也有半桥式等拓扑。反激式拓扑属于单端变换，所传输的功率不能太大，一般适用于小功率变换。半桥式等拓扑虽然能够应用于中大功率，但是，由于工频整流桥的存在，导致大功率应用时整流损耗较大。

技术实现要素：

4.本发明的主要目的是提出一种半无桥隔离型单级pfc电路，旨在解决现有的pfc变换器整流损耗大的问题。
5.为实现上述目的，本发明提出的半无桥隔离型单级pfc电路，包括：
6.电源输入端，用于接入交流输入电源；
7.半无桥变换电路，所述半无桥变换电路的输入端与所述电源输入端连接，所述半无桥变换电路用于对接入的交流输入电源进行功率因数校正后输出；
8.变压器，所述变压器原边绕组的第一端与所述电源输入端连接，所述变压器原边绕组的第二端与所述半无桥变换电路的输出端连接，所述变压器用于将半无桥变换电路输出的交流电源进行电压变换后输出；
9.整流电路，所述整流电路的输入端与所述变压器的副边绕组连接，所述整流电路用于对所述变压器输出的交流电源进行整流后输出直流电源。
10.可选地，所述半无桥隔离型单级pfc电路还包括：
11.输入检测电路，所述输入检测电路的检测端与所述半无桥变换电路的输入端连接，所述输入检测电路用于检测接入的交流输入电源的电压，并输出对应的电压检测信号；
12.控制电路，所述控制电路的接收端与所述输入检测电路的输出端连接，所述控制电路的控制端与所述半无桥变换电路的受控端连接，所述控制电路用于根据接收到的电压检测信号控制所述半无桥变换电路对接入的交流输入电源进行功率因数校正后输出。
13.可选地，所述半无桥变换电路具有串联设置的上桥臂开关管及下桥臂开关管，所述上桥臂开关管的受控端与所述控制电路的第一控制端连接，所述下桥臂开关管的受控端与所述控制电路的第二控端连接；
14.所述控制端电路具体用于根据接收到的电压检测信号，输出对应的第一控制信号
及第二控制信号分别控制上桥臂开关管及下桥臂开关管以对应的占空比进行开/关，以控制所述半无桥变换电路对接入的交流输入电源进行功率因数校正后输出。
15.可选地，所述控制电路根据下述公式确定所述第一控制信号及第二控制信号的占空比：
[0016][0017]
其中，n为变压器的原边绕组与副边绕组之间的变比，ur为交流输入电源的有效值，为整流电路输出电压的平均值，为控制信号占空比的平均值，为第一控制信号占空比的平均值，为第二控制信号占空比的平均值。
[0018]
可选地，所述变压器的原边绕组与副边绕组之间的变比根据下述公式确定：
[0019][0020]
其中，ni为变压器的原边绕组与副边绕组之间的变比，ur为交流输入电源的有效值，v
ds
为半无桥变换电路中开关管的耐压值，a为半无桥变换电路中开关管的耐压利用率，为整流电路输出电压的平均值。
[0021]
可选地，所述半无桥变换电路还包括第一电容、第二电容、第三电容、第一二极管及第二二极管；
[0022]
所述下桥臂开关管的源极与所述第一二极管的阳极连接，所述第一二极管的阳极接地，所述第一二极管的阴极与所述第二二极管的阳极连接，所述第二二极管的阴极与所述上桥臂开关管的漏极连接，所述上桥臂开关管的源极与所述下桥臂开关管的漏极连接，所述第一电容的第一端与所述上桥臂开关管的漏极连接，所述第一电容的第二端接地，所述第二电容与所述第一二极管并联设置，所述第三电容与所述第二二极管并联设置，所述下桥臂开关管的栅极与所述控制电路连接，所述上桥臂开关管的栅极与所述控制电路连接，所述第一二极管与所述第二二极管的公共端为所述半无桥变换电路的第一输入端，所述下桥臂开关管与所述上桥臂开关管的公共端为所述半无桥变换电路的第一输出端；
[0023]
或者，所述下桥臂开关管的源极与所述第一二极管的阳极连接，所述第一二极管的阳极接地，所述第一二极管的阴极与所述第二二极管的阳极连接，所述第二二极管的阴极与所述上桥臂开关管的漏极连接，所述上桥臂开关管的源极与所述下桥臂开关管的漏极连接，所述第一电容的第一端与所述上桥臂开关管的漏极连接，所述第一电容的第二端接地，所述第三电容的第一端与所述第二二极管的阴极连接，所述第三电容的第二端与所述第二电容的第一端连接，所述第二电容的第二端与所述第一二极管的阳极连接，所述下桥臂开关管的栅极与所述控制电路连接，所述上桥臂开关管的栅极与所述控制电路连接，所述第一二极管与所述第二二极管的公共端为所述半无桥变换电路的第一输入端，所述下桥臂开关管与所述上桥臂开关管的公共端为所述半无桥变换电路的第一输出端，所述第二电容与所述第三电容的公共端为第二输入端及第二输出端。
[0024]
可选地，所述整流电路为全桥整流电路或全波整流电路。
[0025]
可选地，所述整流电路为全桥整流电路时，所述全桥整流电路的第一输入端与所述变压器副边绕组的第一端连接，所述全桥整流电路的第二输入端与所述变压器副边绕组的第二端连接；
[0026]
所述整流电路为全波整流电路时，所述变压器具有中间抽头，所述全波整流电路的第一正极输入端与所述变压器副边绕组的第一端连接，所述全波整流电路的第二正极输入端与所述变压器副边绕组的第二端连接，所述全波整流电路的负极输入端与所述变压器副边绕组的中间抽头连接。
[0027]
可选地，所述半无桥隔离型单级pfc电路还包括：
[0028]
输入滤波电路，所述输入滤波电路的输入端与所述电源输入端连接，所述输入滤波电路的输出端与所述半无桥变换电路的输入端连接，所述输入滤波电路用于对接入的交流输入电源进行滤波处理后输出；和/或，
[0029]
输出滤波电路，所述输出滤波电路的输入端与所述整流电路的输出端连接，所述输出滤波电路用于对所述整流电路输出的直流电源进行滤波处理后输出。
[0030]
本发明还提出一种半无桥隔离型单级pfc变换器，所述半无桥隔离型单级pfc变换器包括上述的半无桥隔离型单级pfc电路。
[0031]
本发明技术方案中，通过设置半无桥变换电路，并将半无桥变换电路直接与电源输入端进行连接，使得半无桥变换电路能够直接对接入的交流电源进行功率因素校正，无需设置工频整流桥先对输入的交流电源进行整流，再进行功率因素校正。如此设置，省去了工频整流桥的电路部分，降低了pfc电路使用时的整流损耗，同时还降低了pfc电路的成本，解决了现有的pfc变换器整流损耗大的问题。
附图说明
[0032]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
[0033]
图1为本发明半无桥隔离型单级pfc电路一实施例的功能模块示意图；
[0034]
图2为本发明半无桥隔离型单级pfc电路另一实施例的功能模块示意图；
[0035]
图3为本发明半无桥隔离型单级pfc电路一实施例的电路结构示意图；
[0036]
图4为本发明半无桥隔离型单级pfc电路另一实施例的电路结构示意图。
[0037]
附图标号说明：
[0038]
标号名称标号名称10半无桥变换电路co输出滤波电容20变压器np变压器原边绕组30整流电路ns变压器副边绕组40输入检测电路q1上桥臂开关管50控制电路q2下桥臂开关管60输入滤波电路lo滤波电感
70输出滤波电路c0～c2第一电容～第三电容cx输入滤波电容d1～d6第一二极管～第六二极管
[0039]
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
[0040]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0041]
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
[0042]
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
[0043]
本发明提出一种半无桥隔离型单级pfc电路。
[0044]
目前，隔离型的单级pfc(power factor correction)变换器，大都采用反激式拓扑，也有半桥式等拓扑。反激式拓扑属于单端变换，所传输的功率不能太大，一般适用于小功率变换。半桥式等拓扑虽然能够应用于中大功率，但是，由于工频整流桥的存在，导致大功率应用时整流损耗较大。
[0045]
为解决上述问题，参照图1至图4，在一实施例中，所述半无桥隔离型单级pfc电路包括：
[0046]
电源输入端，用于接入交流输入电源；
[0047]
半无桥变换电路10，所述半无桥变换电路10的输入端与所述电源输入端连接，所述半无桥变换电路10用于对接入的交流输入电源进行功率因数校正后输出；
[0048]
变压器20，所述变压器20原边绕组的第一端与所述电源输入端连接，所述变压器20原边绕组的第二端与所述半无桥变换电路10的输出端连接，所述变压器20用于将半无桥变换电路10输出的交流电源进行电压变换后输出；
[0049]
整流电路30，所述整流电路30的输入端与所述变压器20的副边绕组连接，所述整流电路30用于对所述变压器20输出的交流电源进行整流后输出直流电源。
[0050]
在本实施例中，半无桥变换电路10可以采用由开关管、二极管、电阻电容等电子元件组成的半桥式变换电路，半无桥变换电路10的输入端与电源输入端连接，以对接入的交流输入电源进行功率因素校正。可以理解的是，还可以在半无桥变换电路10与电源输入端之间设置滤波电容或滤波电路，以对接入的交流输入电源进行滤波，进而提高输入电源的纯净度，提高半无桥变换电路10进行功率因素校正的准确度。整流电路30可以选用全波整流电路30或全桥整流电路30来实现，整流电路30能够对经过功率因素校正后的交流电源进
行整流，以将其整流为直流电源后输出。对应地，当整流电路30选用全波整流电路30时，变压器20的副边绕组则需要设置中间抽头与全波整流电路30进行连接。
[0051]
进一步地，为了使pfc电路输出的直流电源的电压能够满足用户的使用需求，还可以在pfc电路中设置输入检测电路40与控制器，输入检测电路40用于检测接入的交流电源电压，使得控制器能够根据检测获取的交流电源电压，输出对应的控制信号，以控制半无桥变换电路10对交流输入电源进行功率因素校正，从而使得整流电路30能够输出满足用户使用需求的直流电源。
[0052]
本发明技术方案中，通过设置半无桥变换电路10，并将半无桥变换电路10直接与电源输入端进行连接，使得半无桥变换电路10能够直接对接入的交流电源进行功率因素校正，无需设置工频整流桥先对输入的交流电源进行整流，再进行功率因素校正。如此设置，省去了工频整流桥的电路部分，降低了pfc电路使用时的整流损耗，同时还降低了pfc电路的成本。此外，本发明还使用了变压器20进行电压变换，能够用于实现大功率的传输，在电压变换的同时还能够起到输入输出隔离的作用，实现了双端隔离变换，提高了pfc电路的安全性和稳定性。
[0053]
参照图1至图4，在一实施例中，所述半无桥隔离型单级pfc电路还包括：
[0054]
输入检测电路40，所述输入检测电路40的检测端与所述半无桥变换电路10的输入端连接，所述输入检测电路40用于检测接入的交流输入电源的电压，并输出对应的电压检测信号；
[0055]
控制电路50，所述控制电路50的接收端与所述输入检测电路40的输出端连接，所述控制电路50的控制端与所述半无桥变换电路10的受控端连接，所述控制电路50用于根据接收到的电压检测信号，输出对应的控制信号，控制所述半无桥变换电路10对接入的交流输入电源进行功率因数校正后输出。
[0056]
为了使pfc电路输出的直流电源的电压能够满足用户的使用需求，在一实施例中，pfc电路中设有输入检测电路40与控制电路50，输入检测电路40可以选用利用电阻分压的电压采集电路，或者选用示波器等电压采样设备来实现，输入检测电路40用于检测接入的交流输入电源的电压，并输出对应的电压检测信号至控制电路50。控制电路50可以选用单片机、fpga等处理器或控制器，以实现对半无桥变换电路10的控制，控制电路50能够根据检测获取的交流电源电压，以及内部存储的计算公式，计算并输出对应的控制信号，以控制半无桥变换电路10对交流输入电源进行功率因素校正，从而使得整流电路30能够输出满足用户使用需求的直流电源。
[0057]
可选地，所述半无桥变换电路10具有串联设置的上桥臂开关管及下桥臂开关管，所述上桥臂开关管的受控端与所述控制电路50的第一控制端连接，所述下桥臂开关管的受控端与所述控制电路50的第二控端连接；
[0058]
所述控制端电路具体用于根据接收到的电压检测信号，输出对应的第一控制信号及第二控制信号分别控制上桥臂开关管q2及下桥臂开关管q1以对应的占空比进行开/关，以控制所述半无桥变换电路10对接入的交流输入电源进行功率因数校正后输出。
[0059]
参照图3，图3为本发明半无桥隔离型单级pfc电路一实施例的电路结构示意图，其中，半无桥变换电路10由上桥臂开关管q2、下桥臂开关管q1、第一电容c0、第二电容c1、第三电容c2、第一二极管d1及第二二极管d2组成，控制电路50能够输出第一控制信号及第二控
制信号，以控制半无桥变换电路10中的上桥臂开关管q2及下桥臂开关管q1交替导通/关断，从而使得半无桥变换电路10对输入的交流电源进行功率因数校正。可以理解的是，当输入电压及电路中的电子元件参数固定时，改变第一控制信号及第二控制信号的占空比，即可以改变pfc电路最终输出的直流电源的电压。因此，控制电路50可以根据输入检测电路40检测获取的交流电源电压，输出对应的第一控制信号及第二控制信号，从而使得整流电路30能够输出满足用户使用需求的直流电源。
[0060]
可选地，所述控制电路50根据下述公式确定所述第一控制信号及第二控制信号的占空比：
[0061][0062]
其中，n为变压器20的原边绕组np与副边绕组ns之间的变比，ur为交流输入电源的有效值，为整流电路30输出电压的平均值，为控制信号占空比的平均值，为第一控制信号占空比的平均值，为第二控制信号占空比的平均值。
[0063]
参照图3，图3为本发明半无桥隔离型单级pfc电路一实施例的电路结构示意图，其中，记变压器20原边绕组np与输入滤波电容cx的公共端为节点va，记变压器20原边绕组np与下桥臂开关管q1的公共端为节点vb，记上桥臂开关管q2与第二二极管d2的公共端为节点vd，记第一二极管d1与输入滤波电容cx的公共端为节点vn，记第一二极管d1与下桥臂开关管q1的公共端为节点gnd。
[0064]
设定节点va、vn、vd、vb与gnd之间的电压，分别为ua、un、ud、ub。节点va与vn之间的电压记作u
an
，变压器20原边绕组np的端子p1与p2之间的电压，即节点va与vb之间的电压记作u
ab
，则有：
[0065]uab
＝u
a-ub，ua＝u
an
+unꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(e-1)
[0066]
忽略开关管q1、q2的导通压降，当开关管q1导通而q2关断时ub＝0，则u
ab
＝ua；当开关管q2导通而q1关断时ub＝ud，则u
ab
＝u
a-ud。
[0067]
在开关变换过程中，电容c1和c2起到支撑节点电压un和ud的作用，并且当保留电容c0时，接替导通的第一二极管d1或第二二极管d2反向续流。
[0068]
为了简化分析，这里忽略开关管q1、q2通断切换的死区时间。设定开关管q1的导通占空比为d1，开关管q2的导通占空比为d2，则d1+d2＝1。根据开关变换的伏秒值平衡原理，得出开关变换状态下电压ua与ud之间的关系为：
[0069]
ua·
d1＝(u
d-ua)
·
d2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(e-2)
[0070]
ua＝ud·
d2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(e-3)
[0071]
下面以整流电路30采用全桥整流电路30为例，分析输出电压vo与输入电压之间的关系。设变压器20的原边绕组np与副边绕组ns之间的变比为n。当开关管q1与q2通断切换时，输出电压vo，即直流输出的vo+与vo-之间的电压满足下列关系式：
[0072]vo
＝n
·
ua·
d1+n
·
(u
d-ua)
·
d2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(e-4)
[0073]
联立式(e-4)、式(e-3)解出：
[0074]vo
＝2n
·
ua·
d1＝2n
·
(u
d-ua)
·
d2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(e-5)
[0075]
正弦交流输入电源us经过滤波电路(1)后连接输入滤波电容cx，在cx上(即节点va
与vn之间)形成稳定的正弦交流电压u
an
：
[0076][0077]
式中，ur为正弦交流电源us的有效值，ω为us的角频率。
[0078]
当正弦交流输入电源us在正半周时，第一二极管d1导通第二二极管d2截止，则un＝0；当正弦交流输入电源us在负半周时，第一二极管d1截止第二二极管d2导通，则un＝ud。因此有：
[0079][0080]
联立式(e-7)、式(e-5)和式(e-3)，推导得出：
[0081][0082][0083]
其中，d称作表征占空比。设d1的平均值为d2的平均值为根据微积分方法，|sin(ωt)|的平均值为2/π，则vo的平均值(即直流分量)之表达式为：
[0084][0085]
也即
[0086]
由式(e-10)可见，当变比n确定之后，随着ur的变化调节即可稳定输出电压的平均值(即直流分量)，因此，d的瞬时值则可以按照功率因数校正的要求而变化，也即控制电路50能够根据用户所需的功率因数校正的要求输出对应的第一控制信号及第二控制信号，使得本发明的pfc电路能够具有高功率因数，且具有稳定的直流输出。
[0087]
可选地，所述变压器20的原边绕组与副边绕组之间的变比根据下述公式确定：
[0088][0089]
其中，ni为变压器20的原边绕组与副边绕组之间的变比，ur为交流输入电源的有效值，v
ds
为半无桥变换电路10中开关管的耐压值，a为半无桥变换电路10中开关管的耐压利用率，为整流电路30输出电压的平均值。
[0090]
在本实施例中，限定ud的峰值u
dm
，设开关管q1、q2的耐压值为v
ds
，令u
dm
＝a
·vds
，a称作耐压利用率，一般取a＝0.85～0.8。
[0091]
下面分两种情况推导变比n的解析式。一种是电压源输出，另一种是电流源输出。电压源输出时变比记作nv，电压源输出时变比记作ni。
[0092]
由式(e-8)推导出：
[0093][0094]
当以电压源输出时，理论推导和仿真分析证明，交流电压us峰值时刻对应的输出电压vi瞬时值等于其平均值因此，根据式(e-11)得出nv的关系式为：
[0095][0096]
当以电流源输出时(即去掉co)，理论推导和仿真分析证明，交流电压us峰值时刻对应输出电压vi的峰值v
im
；根据式(e-11)得出ni的关系式为：
[0097][0098]
同理，当整流电路30采用全波整流电路30时，可以得出类似的分析结论。如此，用户能够根据实际的实用需求，选用对应变比的变压器20，从而使得pfc电路能够达到用户的功率因数校正的要求，提高了pfc电路的实用性和稳定性。
[0099]
参照图1至图4，在一实施例中，所述半无桥变换电路10还包括第一电容c0、第二电容c1、第三电容c2、第一二极管d1及第二二极管d2；
[0100]
所述下桥臂开关管的源极与所述第一二极管d1的阳极连接，所述第一二极管d1的阳极接地，所述第一二极管d1的阴极与所述第二二极管d2的阳极连接，所述第二二极管d2的阴极与所述上桥臂开关管q2的漏极连接，所述上桥臂开关管q2的源极与所述下桥臂开关管q1的漏极连接，所述第一电容c0的第一端与所述上桥臂开关管q2的漏极连接，所述第一电容c0的第二端接地，所述第二电容c1与所述第一二极管d1并联设置，所述第三电容c2与所述第二二极管d2并联设置，所述下桥臂开关管q1的栅极与所述控制电路50连接，所述上桥臂开关管q1的栅极与所述控制电路50连接，所述第一二极管d1与所述第二二极管d2的公共端为所述半无桥变换电路10的第一输入端，所述下桥臂开关管q1与所述上桥臂开关管q2的公共端为所述半无桥变换电路10的第一输出端；
[0101]
或者，所述下桥臂开关管q1的源极与所述第一二极管d1的阳极连接，所述第一二极管d1的阳极接地，所述第一二极管d1的阴极与所述第二二极管d2的阳极连接，所述第二二极管d2的阴极与所述上桥臂开关管q2的漏极连接，所述上桥臂开关管q2的源极与所述下桥臂开关管q1的漏极连接，所述第一电容c0的第一端与所述上桥臂开关管q2的漏极连接，
所述第一电容c0的第二端接地，所述第三电容c2的第一端与所述第二二极管d2的阴极连接，所述第三电容c2的第二端与所述第二电容c1的第一端连接，所述第二电容c1的第二端与所述第一二极管d1的阳极连接，所述下桥臂开关管q1的栅极与所述控制电路50连接，所述上桥臂开关管q2的栅极与所述控制电路50连接，所述第一二极管d1与所述第二二极管d2的公共端为所述半无桥变换电路10的第一输入端，所述下桥臂开关管q1与所述上桥臂开关管q2的公共端为所述半无桥变换电路10的第一输出端，所述第二电容c1与所述第三电容c2的公共端为第二输入端及第二输出端。
[0102]
在一实施例中，参照图3，图3为本发明半无桥隔离型单级pfc电路一实施例的电路结构示意图，其中，第二电容c1与第一二极管d1并联设置，第三电容c2与第二二极管d2并联设置。在另一实施例中，参照图4，图4为本发明半无桥隔离型单级pfc电路另一实施例的电路结构示意图，其中，第二电容c1与第三电容c2串联设置后，并联设置于第一二极管d1及第二二极管d2的两端。可以理解的是，图3与图4中半无桥变换电路10的电路拓扑虽然并不相同，但其工作原理及工作效果是相同的。
[0103]
以图3为例进行说明，具体地，电源输入端接入交流输入电源后，当节点va为正极，节点vn处为负极时，控制电路50控制下桥臂开关管q1导通，电流自节点va依次流经原边绕组np、下桥臂开关管q1及第一二极管d1输出至节点vn形成电流回路。当节点va为负极，节点vn处为负极时，控制电路50控制上桥臂开关管q2导通，电流自节点vn依次流经第二二极管d2、上桥臂开关管q2、原边绕组np输出至节点va形成电流回路。也即变压器20会产生两个方向相反的电流，此时再经过整流电路30的整流，即可将其转换为直流电源输出。
[0104]
参照图1至图4，在一实施例中，所述整流电路30为全桥整流电路30或全波整流电路30。
[0105]
在一实施例中，参照图3，图3为本发明半无桥隔离型单级pfc电路一实施例的电路结构示意图，其中，整流电路30选用全桥整流电路30来实现，全桥整流电路30具有整流电压脉动小、变压器20利用率高、二极管反向耐压要求低等优点。而在另一实施例中，参照图4，图4为本发明半无桥隔离型单级pfc电路另一实施例的电路结构示意图，其中，整流电路30选用全波整流电路30来实现，全波整流电路30具有整流电压脉动小、整流器件少、变压器20利用率高等优点。如此，用户可以根据实际的使用需求，选择适用的全桥整流电路30或全波整流电路30以对变压器20输出的交流电源进行整流。
[0106]
可选地，所述整流电路30为全桥整流电路30时，所述全桥整流电路30的第一输入端与所述变压器20副边绕组的第一端连接，所述全桥整流电路30的第二输入端与所述变压器20副边绕组的第二端连接；
[0107]
所述整流电路30为全波整流电路30时，所述变压器20具有中间抽头，所述全波整流电路30的第一正极输入端与所述变压器20副边绕组的第一端连接，所述全波整流电路30的第二正极输入端与所述变压器20副边绕组的第二端连接，所述全波整流电路30的负极输入端与所述变压器20副边绕组的中间抽头连接。
[0108]
在一实施例中，参照图3，图3为本发明半无桥隔离型单级pfc电路一实施例的电路结构示意图，其中，整流电路30选用全桥整流电路30来实现，全桥整流电路30由第三二极管、第四二极管、第五二极管及第六二极管组成，具体地，当变压器20原边绕组的电流方向为p1端流向p2端时，全桥整流电路30的第三二极管及第六二极管导通。对应地，当变压器20
原边绕组的电流方向为p2端流向p1端时，全桥整流电路30的第四二极管及第五二极管导通，从而实现对变压器20输出的交流电源进行整流。
[0109]
在另一实施例中，参照图4，图4为本发明半无桥隔离型单级pfc电路另一实施例的电路结构示意图，其中，整流电路30选用全波整流电路30来实现，全波整流电路30由第三二极管及第四二极管组成，且变压器20具有中间抽头，变压器20的中间抽头即可视为整流电路30的负极输出端，当变压器20原边绕组的电流方向为p1端流向p2端时，全波整流电路30的第三二极管导通。对应地，当变压器20原边绕组的电流方向为p2端流向p1端时，全波整流电路30的第四二极管导通，从而实现对变压器20输出的交流电源进行整流。如此，本发明中的整流电路30可以选用全桥整流电路30或全波整流电路30来实现，用户可以根据实际的使用需求，选择适用的全桥整流电路30或全波整流电路30以对变压器20输出的交流电源进行整流。
[0110]
参照图1至图4，在一实施例中，所述半无桥隔离型单级pfc电路还包括：
[0111]
输入滤波电路60，所述输入滤波电路60的输入端与所述电源输入端连接，所述输入滤波电路60的输出端与所述半无桥变换电路10的输入端连接，所述输入滤波电路60用于对接入的交流输入电源进行滤波处理后输出；和/或，
[0112]
输出滤波电路70，所述输出滤波电路70的输入端与所述整流电路30的输出端连接，所述输出滤波电路70用于对所述整流电路30输出的直流电源进行滤波处理后输出。
[0113]
在一实施例中，pfc电路还可以在输入端设置输入滤波电路60，以对接入的交流输入电源进行滤波，对应地，还可以在整流电路30的输出端设置输出滤波电路70，以对整流电路30输出的直流电源进行滤波。输入滤波电路60及输出滤波电路70均可选用滤波电感、滤波电容等器件来实现。可以理解的是，用户可以根据实际的使用需求设置滤波电路，例如，当本发明的pfc电路应用于电流源时，则输出滤波电路70可以选用滤波电感来实现，而当本发明的pfc电路应用于电压源时，则输出滤波电路70可以选用滤波电容来实现，或者选用滤波电感与滤波电容组合的方式来实现。参照图3，图3为本发明半无桥隔离型单级pfc电路一实施例的电路结构示意图，其中，输入滤波电容cx、输出滤波电容co及滤波电感lo组成了输入滤波电路60及输出滤波电路70，当将图3中的pfc电路应用于电流源时，仅需要去掉输出滤波电容co即可。如此，本发明通过设置输入滤波电路60及输出滤波电路70，使得本发明的pfc电路既能适用于电流源，又能够适用于电压源，能够满足用户的多种需求，提高了pfc电路的适用性和稳定性。
[0114]
可以理解的是，本发明的pfc电路变还要实现pfc功能(power factor correction—功率因数校正)。所谓pfc，即是交流电流is跟踪交流电压us，使它们波形一致相位相同，从而达到高功率因数。理论上，功率因数pf≤1。当pf＝1时即有：
[0115][0116]
式(e-14)中，ir为交流电流is的有效值。设该变换器的效率为η，则其交流输入功率ps和直流输出功率po分别为：
[0117][0118]
将输出功率po分解成直流分量加上交流分量的形式：
[0119][0120]
下面以电压源输出、电阻负载为例，分析输出电压vo中的交流分量。因为含有电抗分量(感抗或容抗)的负载与滤波电容并联，可以等效成电容与电阻的并联模型。
[0121]
直流输出电压vo可以分解成，直流分量加上交流分量的形式，即：
[0122][0123]
根据能量守恒定律、线性叠加定理和电路理论，得出如下微分方程：
[0124][0125]
其中，co为输出滤波电容，ro为负载电阻。考虑到式(e-18)简化为：
[0126][0127]
求解式(e-19)的微分方程，可以得出交流分量的表达式如下：
[0128][0129]
由式(e-20)可见，本发明的pfc电路符合实现pfc功能的特性要求。同时，由式(e-20)可知，单级pfc变换器输出电压的交流分量的角频率为输入交流电压角频率的2倍，所以称为二次谐波，因此，增大本发明中的输出滤波电容co可以减小二次谐波。
[0130]
本发明还提出一种半无桥隔离型单级pfc变换器，该半无桥隔离型单级pfc变换器包括上述的半无桥隔离型单级pfc电路，该半无桥隔离型单级pfc电路的具体结构参照上述实施例，由于本半无桥隔离型单级pfc变换器采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。
[0131]
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

技术特征：

1.一种半无桥隔离型单级pfc电路，其特征在于，包括：电源输入端，用于接入交流输入电源；半无桥变换电路，所述半无桥变换电路的输入端与所述电源输入端连接，所述半无桥变换电路用于对接入的交流输入电源进行功率因数校正后输出；变压器，所述变压器原边绕组的第一端与所述电源输入端连接，所述变压器原边绕组的第二端与所述半无桥变换电路的输出端连接，所述变压器用于将半无桥变换电路输出的交流电源进行电压变换后输出；整流电路，所述整流电路的输入端与所述变压器的副边绕组连接，所述整流电路用于对所述变压器输出的交流电源进行整流后输出直流电源。2.如权利要求1所述的半无桥隔离型单级pfc电路，其特征在于，所述半无桥隔离型单级pfc电路还包括：输入检测电路，所述输入检测电路的检测端与所述半无桥变换电路的输入端连接，所述输入检测电路用于检测接入的交流输入电源的电压，并输出对应的电压检测信号；控制电路，所述控制电路的接收端与所述输入检测电路的输出端连接，所述控制电路的控制端与所述半无桥变换电路的受控端连接，所述控制电路用于根据接收到的电压检测信号控制所述半无桥变换电路对接入的交流输入电源进行功率因数校正后输出。3.如权利要求2所述的半无桥隔离型单级pfc电路，其特征在于，所述半无桥变换电路具有串联设置的上桥臂开关管及下桥臂开关管，所述上桥臂开关管的受控端与所述控制电路的第一控制端连接，所述下桥臂开关管的受控端与所述控制电路的第二控端连接；所述控制端电路具体用于根据接收到的电压检测信号，输出对应的第一控制信号及第二控制信号分别控制上桥臂开关管及下桥臂开关管以对应的占空比进行开/关，以控制所述半无桥变换电路对接入的交流输入电源进行功率因数校正后输出。4.如权利要求3所述的半无桥隔离型单级pfc电路，其特征在于，所述控制电路根据下述公式确定所述第一控制信号及第二控制信号的占空比：其中，n为变压器的原边绕组与副边绕组之间的变比，u
r
为交流输入电源的有效值，为整流电路输出电压的平均值，为控制信号占空比的平均值，为第一控制信号占空比的平均值，为第二控制信号占空比的平均值。5.如权利要求4所述的半无桥隔离型单级pfc电路，其特征在于，所述变压器的原边绕组与副边绕组之间的变比根据下述公式确定：其中，n
i
为变压器的原边绕组与副边绕组之间的变比，u
r
为交流输入电源的有效值，v
ds
为半无桥变换电路中开关管的耐压值，a为半无桥变换电路中开关管的耐压利用率，为整
流电路输出电压的平均值。6.如权利要求2所述的半无桥隔离型单级pfc电路，其特征在于，所述半无桥变换电路还包括第一电容、第二电容、第三电容、第一二极管及第二二极管；所述下桥臂开关管的源极与所述第一二极管的阳极连接，所述第一二极管的阳极接地，所述第一二极管的阴极与所述第二二极管的阳极连接，所述第二二极管的阴极与所述上桥臂开关管的漏极连接，所述上桥臂开关管的源极与所述下桥臂开关管的漏极连接，所述第一电容的第一端与所述上桥臂开关管的漏极连接，所述第一电容的第二端接地，所述第二电容与所述第一二极管并联设置，所述第三电容与所述第二二极管并联设置，所述下桥臂开关管的栅极与所述控制电路连接，所述上桥臂开关管的栅极与所述控制电路连接，所述第一二极管与所述第二二极管的公共端为所述半无桥变换电路的第一输入端，所述下桥臂开关管与所述上桥臂开关管的公共端为所述半无桥变换电路的第一输出端；或者，所述下桥臂开关管的源极与所述第一二极管的阳极连接，所述第一二极管的阳极接地，所述第一二极管的阴极与所述第二二极管的阳极连接，所述第二二极管的阴极与所述上桥臂开关管的漏极连接，所述上桥臂开关管的源极与所述下桥臂开关管的漏极连接，所述第一电容的第一端与所述上桥臂开关管的漏极连接，所述第一电容的第二端接地，所述第三电容的第一端与所述第二二极管的阴极连接，所述第三电容的第二端与所述第二电容的第一端连接，所述第二电容的第二端与所述第一二极管的阳极连接，所述下桥臂开关管的栅极与所述控制电路连接，所述上桥臂开关管的栅极与所述控制电路连接，所述第一二极管与所述第二二极管的公共端为所述半无桥变换电路的第一输入端，所述下桥臂开关管与所述上桥臂开关管的公共端为所述半无桥变换电路的第一输出端，所述第二电容与所述第三电容的公共端为第二输入端及第二输出端。7.如权利要求1所述的半无桥隔离型单级pfc电路，其特征在于，所述整流电路为全桥整流电路或全波整流电路。8.如权利要求7所述的半无桥隔离型单级pfc电路，其特征在于，所述整流电路为全桥整流电路时，所述全桥整流电路的第一输入端与所述变压器副边绕组的第一端连接，所述全桥整流电路的第二输入端与所述变压器副边绕组的第二端连接；所述整流电路为全波整流电路时，所述变压器具有中间抽头，所述全波整流电路的第一正极输入端与所述变压器副边绕组的第一端连接，所述全波整流电路的第二正极输入端与所述变压器副边绕组的第二端连接，所述全波整流电路的负极输入端与所述变压器副边绕组的中间抽头连接。9.如权利要求1所述的半无桥隔离型单级pfc电路，其特征在于，所述半无桥隔离型单级pfc电路还包括：输入滤波电路，所述输入滤波电路的输入端与所述电源输入端连接，所述输入滤波电路的输出端与所述半无桥变换电路的输入端连接，所述输入滤波电路用于对接入的交流输入电源进行滤波处理后输出；和/或，输出滤波电路，所述输出滤波电路的输入端与所述整流电路的输出端连接，所述输出滤波电路用于对所述整流电路输出的直流电源进行滤波处理后输出。10.一种半无桥隔离型单级pfc变换器，其特征在于，包括如权利要求1-9任意一项所述的半无桥隔离型单级pfc电路。

技术总结

本发明公开一种半无桥隔离型单级PFC电路及半无桥隔离型单级PFC变换器，该半无桥隔离型单级PFC电路包括：电源输入端，用于接入交流输入电源；半无桥变换电路，半无桥变换电路的输入端与电源输入端连接，半无桥变换电路用于对接入的交流输入电源进行功率因数校正后输出；变压器，变压器原边绕组的第一端与电源输入端连接，变压器原边绕组的第二端与半无桥变换电路的输出端连接，变压器用于将半无桥变换电路输出的交流电源进行电压变换后输出；整流电路，整流电路的输入端与变压器的副边绕组连接，整流电路用于对变压器输出的交流电源进行整流后输出直流电源。本发明可以解决现有的PFC变换器整流损耗大的问题。PFC变换器整流损耗大的问题。PFC变换器整流损耗大的问题。