栏目搜索
 
 
 
 

单级不对称半桥变换器的研究

更新日期:2006-10-06  作者:浙江大学电气工程学院 蒋 勇  来源:电源技术应用

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。

 etyjtykjuy