一種z源軟開關功率因數校正全橋變換器的制作方法

專利名稱：一種z源軟開關功率因數校正全橋變換器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及AC-DC-AC變換技術領域，尤其涉及一種Z源軟開關功 率因數校正全橋變換器。
技術背景現有的臭氧發生器電源一般采用如圖1所示的串聯諧振型全橋變換器，在 臭氧發生器的等效負載Cd、 Cg、 Z前端串聯一個電感Ls實現諧振，從而實現 軟開關。但由于臭氧發生器獨特的負載特性在負載兩端電壓超過3kV時， 臭氧發生器氣隙擊穿，產生臭氧，表現在負載電路上為氣隙等效電容Cg被反 向擊穿電壓為Ues=3kV的雙向穩壓二極管Dz旁路，此時諧振頻率隨負載諧振 頻率發生改變，全橋電路不再工作于軟開關狀態，直到負載兩端電壓低于3kV， Cg重新參與諧振。另外，串聯諧振型全橋變換器橋臂不能直通，因此需要設 置死區時間，控制電路復雜，且無法實現功率因數校正。 實用新型內容本實用新型的目的在于克服上述現有技術的不足，提供一種Z源軟開關 功率因數校正全橋變換器。本實用新型通過阻抗網絡Z與全橋逆變器Q2實現 輸入功率因數校正的功能，同時構成一次升壓電路，并由變壓器T的二次升壓， 極易實現輸出電壓的提升，因而非常適用于需要輸出高電壓的臭氧發生器電源。本實用新型通過如下技術方案實現一種Z源軟開關功率因數校正全橋變換器，如圖2所示，包括整流橋Qi， 阻抗網絡Z，全橋逆變器Q2，變壓器T。阻抗網絡Z并聯在整流橋Q,和全橋 逆變器Q2的兩逆變橋臂之間。Z源阻抗的存在避免了因全橋逆變器Q2的兩逆 變橋臂直通而遭到損毀。當全橋逆變器Q2的上、下橋臂直通時，阻抗網絡Z 與全橋逆變器Q2構成升壓電路，而且通過控制上、下橋臂直通時間可以實現輸入功率因數校正。上述Z源軟開關功率因數校正全橋變換器電路中，第一電感L,的一端、 第一電容Q的一端和整流橋Q,的共陰極連接；第一電感L,的另一端、第二 電容C2的一端和全橋逆變器Q2中的第一開關管S,的漏極、第二二極管D2的 陽極連接；第二電感L2的一端、第二電容C2的另一端和整流橋Q,的共陽極 連接；第二電感L2的另一端、第二電容d的另一端和全橋逆變器Q2中的第 三開關管S3的源極、第四開關管S4的源極連接；第一開關管S,的漏極、第一二極管Di的陰極、第二二極管D2的陽極和第三電容Csi的一端連接；第三開 關管S3的源極、第四開關管S4的源極、第三二極管D3的陽極和第四電容Cs2的一端連接；第一開關管S,的源極、第一二極管A的陽極、第三電容Csi的另一端、第三開關管S3的漏極、第三二極管D3的陰極和第四電容Cs2的另一 端連接，然后和變壓器T的同名端連接；第二二極管D2的陰極與第二開關管 S2的漏極連接；第四二極管D4的陰極與第四開關管S4的漏極連接；第四二極管D4的陽極與第二開關管S2的源極連接，然后再與變壓器T的異名端連接。上述電容均為無極性電容。與現有技術相比，本實用新型具有如下優點本實用新型是在整流橋和全 橋逆變器的兩橋臂之間并入阻抗網絡Z而得，逆變橋臂可以直通，因此不存在 因逆變橋臂直通而導致開關管損毀的問題，該實用新型的電路具有高可靠性， 而且所有功率器件均實現軟開關，實現功率因數校正，易于實現輸出電壓的提 升，因而非常適用于需要輸出高電壓的臭氧發生器電源。


圖1為現有常規的諧振軟開關臭氧發生器電源。圖2為本實用新型具體實施方式
中Z源軟開關功率因數校正全橋變換器的 電路實例圖圖3為圖2所示Z源軟開關功率因數校正全橋變換器的負載等效到變壓器 原邊后的結構圖。圖4a、圖4b為圖2所示Z源軟開關功率因數校正全橋變換器的Boost功 率因數校正等效電路圖，其中，圖4a為全橋變換器左橋臂直通時的等效Boost 電路，圖4b為全橋變換器右橋臂直通時的等效Boost電路。。
具體實施方式

以下結合附圖對本實用新型實施作進一步描述。為便于工作過程分析，考慮到移相zvzcs全橋變換器的工作頻率乂遠大于網側交流電壓工頻頻率義，在分析本實用新型電路的工作過程時，可認為在一個開關周期內，網側輸入的電壓與電流恒定，因此z源變換器之前的電路可等效為一個直流電壓源Vin，并將臭氧發生器負載Cd、 Cg、 Dz等效到變壓器原邊，分別為Qn、 Cgl、 DZ1，變壓器變比為A:，則圖2所示電路拓撲可等效成圖 3所示結構，其Boost校正器功能可等效為圖4所示電路，其中圖4a為全橋變 換器左半橋臂直通時的等效Boost電路，圖4b為全橋變換器右半橋臂直通時 的等效Boost電路。在一個工作周期內，變換器有十二個工作模態，如下所述模態l為初始模 態，變換器在穩態情況下由模態2到模態12循環工作。模態l[to]:在此開關模態，Si和S4導通。原邊電流Ip流經Lh Si、 Cgl、 Cdl、變壓器漏感L!k、 S4和L2，回到電源。Vu+VC2=VL2+Vcl=Vin, VS1=VS4=0， VCgl、 Vou正向增加。模態2[tQ t小S!和S4繼續導通，Ip繼續增加，Vcgi達到并保持在Ucs，VCdl繼續正向增加。模態3[t廣t2]:在tJ寸刻開通S2，開通時刻的VS2=Vin， IS2=0，因此S2為 零電流開通。此模態中，S,、 S2和S4均導通，S2中電流Is2由零開始線性上升，Isi線性下降，原邊電流Ip線性下降，V③繼續正向增加。模態4[t2 t3]:在t2時刻，原邊電流lp下降到0。由于此時Si、 S2和S4均導通，因而Vc尸Vs2-Vs4-0，可知Vc尸0， 1p下降到0后不再反向增加，VCgl 保持在Um， Von保持不變。模態5[t3 t4]:在t3時刻，此時零電壓零電流關斷St。此模態中，S2和 S4直通，電源Vin向L,、 L2充電，由于原邊電流lp為0， VCgl仍然保持在Ucs，Von保持不變。模態6[t4 ts]:在t4時刻零電壓關斷S4，同時零電壓零電流開通S3。 S4中 的電流轉移到S3中。此模態S2、 S3導通，Ip反向給Luo Cdl、 Cgt充電，VCgl仍然保持在Um， Von線性下降。模態7[ts t6]: S2、 S3繼續導通，Ip繼續反向給L,k、 Cdl、 Cgi充電，VCgl兩端電壓小于l^， VCgl、 Von線性下降，直至電壓反向。模態8[t6 t7]:在t6時刻，V產Vin，此時零電流開通Sp與模態2相同。 開通時刻Vs產Vi。， IS1=0，因此S,為零電流開通。此模態中，S!、 S2和S3均導 通，Si中電流181由零開始線性上升，Is2線性下降，原邊電流Ip線性下降，VCgl、Von反向線性增加，直至V(^達至lJ-Ucs。模態9[t7 ts]:在t7時刻，原邊電流Ip下降到O。由于此時St、 S2和S3均導通，因而Vc產Vc^VsfO，可知VsfO， 1p下降到0后不再反向增加，VCgl 保持在-Um， Von保持不變。模態10[ts t9]:在ts時刻，零電壓零電流關斷S2。此模態中，Si和S3直 通，電源Vin向L!、 L2充電，由于原邊電流Ip為O，由于原邊電流Ip為O， VCgl仍然保持在-Um、 Von保持不變。模態ll[t9 tu)]:在t9時刻零電壓關斷S3，同時零電壓零電流開通S4。 S3 中的電流轉移到S4中。此模態Sp S4導通，Ip正向給L,k、 Cs2充電，Vw仍然保持在Um， Von正向線性增加。模態12[tu) t ]: S4導通，Ip正相給L!k、 &2充電，Vcgi兩端電壓大于-Um， VCgl、 Von線性增加，直至電壓反向。Vcs2=VinW，進入工作模態2， 如此循環。
綜上所述可知，本實用新型的Z源軟開關功率因數校正全橋變換器具有實 現單級功率因數校正、主功率開關器件工作于軟開關狀態的突出優勢，特別是 其Boost電路的功能，容易實現電壓的提升，因而尤其適合應用于需要高壓的 臭氧發生器電源。
上面已經非常具體地闡述了本實用新型所述的Z源軟開關功率因數校正 全橋變換器及其可能應用的實例。但是，這些并不是對本實用新型的應用范圍 的限制。對于本技術領域的一般技術人員來說，對本實用新型所作的各種等同 替換，均落入本實用新型要求保護的范圍內。
權利要求1、一種Z源軟開關功率因數校正全橋變換器，包括整流橋(Q1)、全橋逆變器(Q2)和變壓器(T)，其特征在于還包括阻抗網絡(Z)，所述阻抗網絡(Z)并聯在整流橋(Q1)和全橋逆變器(Q2)的兩逆變橋臂之間，所述阻抗網絡(Z)與整流橋(Q1)、全橋逆變器(Q2)構成功率因數校正電路與升壓電路。
2、 根據權利要求1所述的一種Z源軟開關功率因數校正全橋變換器電路， 其特征在于所述阻抗網絡(Z)由第一電感(L,)、第二電感(L》、第一電容(d)和 第二電容(C2)構成；所述全橋逆變器(Q2)由第一開關管(SD、第二開關管(S2)、 第三開關管(S3)、第四開關管(S4)、第一二極管(D!)、第二二極管(D2)、第三二 極管(D3)、第四二極管(D4)、第三電容(CsO和第四電容(Cs2)構成；變壓器(T)集成有漏感OUk)。
3、 根據權利要求2所述的一種Z源軟開關功率因數校正全橋變換器電路， 其特征在于，第一電感(")的一端、第一電容(d)的一端和整流橋(QD的共陰極 連接；第一電感(Li)的另一端、第二電容(C2)的一端和全橋逆變器(Q2)中的第一 開關管(SD的漏極、第二二極管(D2)的陽極連接；第二電感(L。的一端、第二電 容(C2)的另一端和整流橋(QD的共陽極連接；第二電感(L2)的另一端、第二電容(Q)的另一端和全橋逆變器(Q2)中的第三開關管(S3)的源極、第四開關管(S4)的源極連接；第一開關管(SD的漏極、第一二極管(DD的陰極、第二二極管(D2)的陽極和第三電容(CsD的一端連接；第三開關管(S3)的源極、第四開關管(S4) 的源極、第三二極管(D3)的陽極和第四電容(Cs2)的一端連接；第一開關管(S^的源極、第一二極管(Di)的陽極、第三電容(Csi)的另一端、第三開關管(S3)的漏極、第三二極管(D3)的陰極和第四電容(Cs2)的另一端連接，然后和變壓器(T) 的同名端連接；第二二極管(D2)的陰極與第二開關管(S2)的漏極連接；第四二 極管(D4)的陰極與第四開關管(S4)的漏極連接；第四二極管(D4)的陽極與第二開 關管(S2)的源極連接，然后再與變壓器(T)的異名端連接。
4、根據權利要求2所述的一種Z源軟開關功率因數校正全橋變換器電路，其特征在于，第一電容(d)、第二電容(C2)、第三電容(CsO和第四電容(Cs2)均為無極性電容。
專利摘要本實用新型涉及一種Z源軟開關功率因數校正全橋變換器，包括整流橋(Q₁)、全橋逆變器(Q₂)和變壓器(T)，其特征在于還包括阻抗網絡(Z)，所述阻抗網絡(Z)并聯在整流橋(Q₁)和全橋逆變器(Q₂)的兩逆變橋臂之間。阻抗網絡(Z)的存在避免了因全橋逆變器(Q₂)的兩逆變橋臂直通而遭到損毀。當全橋逆變器(Q₂)的上、下橋臂直通時，阻抗網絡(Z)與全橋逆變器(Q₂)構成升壓電路，而且通過控制上、下橋臂直通時間可以實現輸入功率因數校正。本實用新型通過阻抗網絡(Z)與全橋逆變器(Q₂)構成一次升壓電路，并由變壓器(T)的二次升壓，極易實現輸出電壓的提升，因而非常適用于需要輸出高電壓的臭氧發生器電源。
文檔編號H02M5/458GK201345615SQ20092005073
公開日2009年11月11日 申請日期2009年1月23日 優先權日2009年1月23日
發明者波 張, 張桂東, 肖文勛, 維 胡 申請人:華南理工大學