CN102832828B - 磁组合式三相输入ac/dc全桥高频变换器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种磁组合式三相输入AC/DC全桥高频变换器，包括三个完全相同的单相输入AC/DC全桥高频功率模块、一个三相组合式高频变压器和一个高频整流滤波电路，其中，所述三个单相输入AC/DC全桥高频功率模块采用星型接法并由相同的开关信号进行同步控制，该功率模块包括依次连接的LC滤波电路、整流电路、滤波电容和逆变桥电路，所述LC滤波电路的输出端经由整流电路和滤波电容连接逆变桥电路的输入端；所述逆变桥电路的输出端经由三相组合式高频变压器连接高频整流滤波电路的输入端。此种变换器具有高可靠性、高功率因数、高功率密度和高效率的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有高可靠性、高功率因数和高功率密度的新型磁组合式三相输入AC/DC全桥高频变换器。
背景技术
电力电子技术的发展带动了电源变换技术的发展，各种电子、电器设备领域以及程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源、军事装备，交通设施，工业设备等领域都已广泛使用了开关电源，取得了显著的经济效益和社会效益。
随着信息产业的发展、传统工业的改造，以及人们对节约能源和保护环境给予越来越多的重视，探索具有高可靠性、高功率因数和高功率密度的新型开关电源技术具有重要意义。
在充电站、服务器电源等变换功率较大的AC/DC场合，当功率大于3.7kW，通常采用三相交流输入，目前三相AC-DC方案通常为AC-DC整流后再加DC-DC变换为所需电压，在功率因素要求较高的场合采用不控整流AC-DC因谐波电流大已不再适用，通常采用三相有源功率因素校正电路（PWM整流）作为输入级。AC-DC整流输入电路中通常含有电解电容器，对开关电源可靠性分析可知，电解电容的使用寿命和主要元器件的电压应力影响开关电源的可靠性。电解电容的寿命主要与电容内部温升即电容的有功损耗有关，其中影响最直接的是电容的充放电深度、充放电工作频率和外施电压，因此若不用电解电容，可提高开关电源的可靠性。此外，对于二极管不控整流电路，减小其输入滤波电容的容值可提高输入电流波形正弦度，从而提高功率因数。
传统的AC-DC电源电路拓扑分为单相输入和三相输入，分别如图1和图2所示，图1所示的单相输入电路拓扑，主要元器件的电压应力较小，整流滤波电容容值较大，图2所示的三相输入电路拓扑整流滤波电路也需要较大的滤波电容值，且滤波电容的工作频率和电压均较高，主要元器件的电压应力较大，这两个电路均应用大容量的电解电容做滤波电容，工作寿命较短，即降低了电源的可靠性。在功率因数要求较高的场合，一般需要体积重量较大的无源LC滤波电路，或采用有源PFC电路，因此降低了电源的功率密度与效率。
发明内容
本发明的目的，在于提供一种磁组合式三相输入AC/DC全桥高频变换器，其具有高可靠性、高功率因数、高功率密度和高效率的优点。
为了达成上述目的，本发明的解决方案是：
一种磁组合式三相输入AC/DC全桥高频变换器，包括三个完全相同的单相输入AC/DC全桥高频功率模块、一个三相组合式高频变压器和一个高频整流滤波电路，其中，所述三个单相输入AC/DC全桥高频功率模块采用星型接法并由相同的开关信号进行同步控制，该功率模块包括依次连接的LC滤波电路、整流电路、滤波电容和逆变桥电路，三个LC滤波电路中的电容输入端都与三相电网的中线相连，而电感输入端分别与三相电网的三相相连，所述LC滤波电路的输出端连接整流电路的输入端，而整流电路的输出端并联滤波电容后连接逆变桥电路的输入端；所述逆变桥电路的输出端经由三相组合式高频变压器连接高频整流滤波电路的输入端；所述三相组合式高频变压器的三路原边绕组分别连接三个单相输入AC/DC全桥高频功率模块，而副边绕组与高频整流滤波电路相连；所述三相组合式高频变压器的三路原边绕组分别绕制在相互独立的三组磁芯上，共用一路副边绕组，绕制方法是同时匝链三组磁芯，输出电压由一个输出绕组匝链三相组合式高频变压器的三个磁芯磁通感应输出。
上述单相输入AC/DC全桥高频功率模块中的滤波电容采用数微法的非电解薄膜电容。
上述逆变桥电路由四个功率开关管两两一组串联后再并联而成，所述功率开关管是MOSFET或IGBT。
采用上述方案后，本发明在保证开关电源输出电源品质的条件下，利用三相电路整体功率平衡的原理，降低每个单相整流电路的滤波电容值，提高输入电流波形正弦度，实现自然PFC效果，这样尽管每个单相的传递功率是波动的，但三相叠加的功率仍是平衡的，三相功率的叠加采用一种磁路组合的三相高频变压器实现，由一套输出绕组输出平衡稳定直流电压。
附图说明
图1是现有单相输入AC/DC全桥高频变换器拓扑图；
图2是现有三相输入AC/DC全桥高频变换器拓扑图；
图3是本发明的电路拓扑图；
图4是本发明的结构框图；
图5是本发明中三相组合式高频变压器的结构示意图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
如图4所示，本发明提供一种磁组合式三相输入AC/DC全桥高频变换器，包括三个完全相同的单相输入AC/DC全桥高频功率模块、一个三相组合式高频变压器和一个高频整流滤波电路，下面分别介绍。
所述三个单相输入AC/DC全桥高频功率模块均为单级结构电路，由相同的开关信号进行同步控制，其主电路包括依次连接的LC滤波电路、整流电路、滤波电容和逆变桥电路，该三个单相输入AC/DC全桥高频功率模块采用星型接法后再与三相电网连接，具体来说，配合图4所示，三个LC滤波电路中的电容输入端(1-2)、（2-2）和（3-2）都与三相电网的中线相连，而电感输入端（1-1）、（2-1）和（3-1）分别与三相电网的A、B、C三相相连，所述LC滤波电路的输出端连接整流电路的输入端，而整流电路的正负输出端并联滤波电容后连接逆变桥电路的输入端；滤波电容C1、C2、C3采用非电解薄膜电容，薄膜电容的容量很小，一般为数微法，如4.7uF，很小的滤波电容使得各全桥逆变电路直流母线电压脉动变化大，允许整流电压波动，接近二极管整流获得的“馒头波”，三相输入电流接近正弦波，功率因数高，可不需要PFC电路，提高可靠性，降低成本，提高效率；逆变桥电路由四个功率开关管组成，开关管可以采用MOSFET或者IGBT，可采用移相全桥软开关控制方式减小开关损耗，逆变桥电路的输出端（1-3）、（1-4）、（2-3）、（2-4）、（3-3）和（3-4）与三相组合式高频变压器的输入端相连。
如图5所示，三相组合式高频变压器的三路原边绕组（以斜方格阴影标出）分别绕制在相互独立的三组EE磁芯（以斜线阴影标出）上，每个磁芯中磁通脉动大小决定于各相的波动的整流输入电压，共用一路副边绕组（以方格阴影标出），绕制方法是同时匝链三组磁芯；输出电压由一个输出绕组匝链三相组合式高频变压器的三个磁芯磁通感应输出，输出绕组利用三个磁芯中的磁通变化同步、三个高频磁芯的磁通叠加后峰谷相抵、输出绕组匝链的总磁通脉动每个开关周期基本一致的特点，达到减小输出电压脉动的目的，剩余电压脉动由控制电路微调占空比消除。
所述三相组合式高频变压器的输出端经由高频整流滤波电路输出直流信号，且在高频整流滤波电路的输出端还并联有电容C。
综上，本发明所提供的拓扑为单级结构，不需要PFC电路，开关元器件的电压应力低，因此该变换器具有高效率、高可靠性、高功率因数和高功率密度的特点。图3所示为本发明的一种具体电路结构，该拓扑克服图1和图2两个拓扑的缺点，不用滤波电解电容，保留其拓扑成熟简单的优点，具有较高的可靠性、自然的高功率因数、高功率密度和高效率的优点。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。
Claims (3)
1.一种磁组合式三相输入AC/DC全桥高频变换器，其特征在于：包括三个完全相同的单相输入AC/DC全桥高频功率模块、一个三相组合式高频变压器和一个高频整流滤波电路，其中，所述三个单相输入AC/DC全桥高频功率模块采用星型接法并由相同的开关信号进行同步控制，该功率模块包括依次连接的LC滤波电路、整流电路、滤波电容和逆变桥电路，三个LC滤波电路中的电容输入端都与三相电网的中线相连，而电感输入端分别与三相电网的三相相连，所述LC滤波电路的输出端连接整流电路的输入端，而整流电路的输出端并联滤波电容后连接逆变桥电路的输入端；所述逆变桥电路的输出端经由三相组合式高频变压器连接高频整流滤波电路的输入端；所述三相组合式高频变压器的三路原边绕组分别连接三个单相输入AC/DC全桥高频功率模块，而副边绕组与高频整流滤波电路相连；所述三相组合式高频变压器的三路原边绕组分别绕制在相互独立的三组磁芯上，共用一路副边绕组，绕制方法是同时匝链三组磁芯，输出电压由一个输出绕组匝链三相组合式高频变压器的三个磁芯磁通感应输出。
2.如权利要求1所述的磁组合式三相输入AC/DC全桥高频变换器，其特征在于：所述单相输入AC/DC全桥高频功率模块中的滤波电容采用4.7微法的非电解薄膜电容。
3.如权利要求1所述的磁组合式三相输入AC/DC全桥高频变换器，其特征在于：所述逆变桥电路由四个功率开关管两两一组串联后再并联而成，所述功率开关管是MOSFET或IGBT。
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