单级不对称半桥变换器的研究

摘要：单级PFC结构简单，成本低，详细地介绍了一种基于不对称半桥的单级不对称半桥变换器，分析了它的工作原理及主要参数选择，并用实验验证了其实现PFC和ZVS的特性。关键词：功率因数校正；不对称半桥；零电压开关 0 引言 目前比较成熟的PFC技术是两极PFC，前级用成熟的APFC电路(通常为Boost电路)实现功率因数校正，通过第二级DC／DC变换即可得到需要的输出，又可起到隔离的目的。两级电路都有各自的控制模块，电路较复杂，难以做到高功率密度。研究单级PFC技术的目的是减少元器件，节约成本，提高效率和简化控制。因此，目前对单级PFC的研究也成为重要的课题之一。单级PFC中电源控制器的作用是保证快速、稳定的输出，对于输入功率因数的要求则需功率级自身解决。适合单级隔离式PFC的结构有很多，但基于不对称半桥的单级PFC具有独特的特点，下面将对该变换器的工作原理作详尽的分析。 1 单级不对称半桥工作原理 单级不对称半桥是将Boost PFC电路与不对称半桥结合构成单级PFC，单级不对称半桥的主电路如图l所示，此电路既能实现PFC，同时也能实现开关管的ZVS。 图1中Vg是整流后的电压，Lb是Boost电感，Ca是储能电容，S1及S2为互补控制的MOS管，Ds1,Cs1,Cs2,Ca2分别为S1、S2的寄生二极管、寄生电容。Lr为谐振电感包括变压器漏感，Lm是励磁电感，Np，Ns变压器原副边匝数，副边接全波整流二极管D1及D2，输出滤波电感Lf，电容Co，负载RL。 其工作的理论相关波形如图2所示，其中Vgs是S1及S2的驱动波形，Vds1、Vds2分别是S1及S2漏源极电压波形，jp为变压器原边电流波形，iLb为电感Lb电流波形，其工作过程可分为9个模式。模式1[to"t1]如图3(a)所示，to时刻S1开通，Vg通过S1对Lb充能；同时储能电容ca通过S1．对Lr及Gb充能，并通过变压器向负载提供能量．这个过程直到t1时刻S1关断为止。 模式2[t1～t2]如图3(b)所示,t1时刻S1关断．Vg通过Cs1继续向Lb充能，Cs1两端电压(Vds1)持续上升，Cs2两端电压(Vds2)持续下降。Ca也继续通过变压器向负载释放能量，这个过程直到t2时刻Cs2两端的电压下降到等于Ch两端的电压Vcb结束。 模式3[t2～t3]如图3(c)所示，当Cs2两端的电压下降到等于Cb两端的电压Vcb时，副边进入续流状态，V通过Cs1一继续向Lb充能。Lr,Cs1,Cs2进行谐振，导致Cs1两端电压继续上升，Cs2两端电压继续下降，直到t3时刻Cs2两端的电压下降为零，同时Cs1两端的电压上升到等于Ca两端的电压Vca时结束。 模式4[t3～t5] 如图3(d)所示，当Cs2两端的电压下降为零时，谐振电感继续通过Ds2释放能量，在这个时间段的t4时刻开通S2，此时S2实现零电压开通。谐振电感通过S2将能量完全释放，电感Lb通过二极管Ds2向Ca充电。 模式5[t3～t6]如图3(e)所示，t5时刻谐振电感能量完全释放，隔直电容对Lr反向充能，直到变压器原副边电压等于匝数比后同时向负载释放能量，Lh能量完全释放，此过程结束。 模式6[ts～t7]如图3(f)所示，Lh能量完全释放后，隔直电容Ch继续向负载释放能量，直到t7时刻S2关断结束。 模式7[f7～t8]如图3(g)所示，S2关断，Cs2两端电压(Vds2)持续上升，Cs1两端电压(Vds1)持续下降，直到ts时刻CS2两端的电压上升到等于Cb两端的电压Vcb时结束。 模式8[t8～t9] 如图3(h)所示，Cs2两端的电压上升到等于Cb两端的电压Vcb副边进入续流状态，Lr，Cs1，Cs2再次谐振，使得Cs2两端电压继续上升，Cs1两端电压继续F降，直到t9时刻Cs1两端的电压下降为零，同时Cs2两端的电压上升到等于Ca两端的电压Vca时结束。 模式9[t9～t11] 如图3(i)所示，t9时刻Cs1两端的电压下降为零，Lr继续通过Ds1释放能量，在这个时间段的t10时刻开通S1，此时S1实现零电压开通。谐振电感通过S1将能量完全释放，且Ca对Lr反向充能，直到t11时刻变压器原副边电压等于匝数比，回到初始状态。 从以上分析町以看到，电感Lr工作在DCM状态,电流自动跟踪电压，从而达到PFC的目的，同时也实现了开关管的ZVS。 2 主要参数选择 在本文所提到的电路中，变压器采用带中心抽头的对称绕组，则 由不对称半桥输出电感的磁平衡可得到输出电压为 根据式(2)以及最小输入电压、最大输出电压和最大占空比可确定变压器匝数比。 工作在DCM状态的Boost型PFC电路从电网中吸收的能量可表示为 式中：Vo为输出电压； Io为输出电流； η为变换效率； Vg为输入电压幅值； D为占空比； T为开关周期。 由于谐振电感所储存的能量大于寄生电容所储存的能量是实现ZVS的条件，所以，可得谐振电感为 式中： 等苦为MOS管寄生电容。 3 实验结果 根据以上的分析，设计了一个输入电压110 V，输出电压18 V，输出电流5A，频率为100kHz的电路。原边开关选用4N60，功率变压选用EE33，Np=24，Ns=6，谐振电感Lr=10μH，Boost电感Lh=100μH。实验所得波形如图4所示，从图4中可以看到，电路即实现了功率因数校正，也实现了S1及S2的ZVS。 4 结语 单级PFC AC／DC变换器比两级变换器具有成本低，结构简单的优势，特别是在小功率的应用中。不对称半桥由于它内在的ZVS特性，能有效地降低开关损耗，将这种特性运用到AC／DC变换器中能提高它的效率。单级不对称半桥能够较好地实现功率因数校正和软开关。