單級不對稱半橋變換器的研究

0 引言
目前比較成熟的PFC技術(shù)是兩極PFC，前級用成熟的APFC電路(通常為Boost電路)實現(xiàn)功率因數(shù)校正，通過第二級DC／DC變換即可得到需要的輸出，又可起到隔離的目的。兩級電路都有各自的控制模塊，電路較復(fù)雜，難以做到高功率密度。研究單級PFC技術(shù)的目的是減少元器件，節(jié)約成本，提高效率和簡化控制。因此，目前對單級PFC的研究也成為重要的課題之一。單級PFC中電源控制器的作用是保證快速、穩(wěn)定的輸出，對于輸入功率因數(shù)的要求則需功率級自身解決。適合單級隔離式PFC的結(jié)構(gòu)有很多，但基于不對稱半橋的單級PFC具有獨特的特點，下面將對該變換器的工作原理作詳盡的分析。

1 單級不對稱半橋工作原理
單級不對稱半橋是將Boost PFC電路與不對稱半橋結(jié)合構(gòu)成單級PFC，單級不對稱半橋的主電路如圖l所示，此電路既能實現(xiàn)PFC，同時也能實現(xiàn)開關(guān)管的ZVS。

圖1中Vg是整流后的電壓，Lb是Boost電感，Ca是儲能電容，S1及S2為互補控制的MOS管，Ds1,Cs1,Cs2,Ca2分別為S1、S2的寄生二極管、寄生電容。Lr為諧振電感包括變壓器漏感，Lm是勵磁電感，Np，Ns變壓器原副邊匝數(shù)，副邊接全波整流二極管D1及D2，輸出濾波電感Lf，電容Co，負載RL。

其工作的理論相關(guān)波形如圖2所示，其中Vgs是S1及S2的驅(qū)動波形，Vds1、Vds2分別是S1及S2漏源極電壓波形，jp為變壓器原邊電流波形，iLb為電感Lb電流波形，其工作過程可分為9個模式。模式1[to~t1]如圖3(a)所示，to時刻S1開通，Vg通過S1對Lb充能；同時儲能電容ca通過S1．對Lr及Gb充能，并通過變壓器向負載提供能量．這個過程直到t1時刻S1關(guān)斷為止。

模式2[t1～t2]如圖3(b)所示,t1時刻S1關(guān)斷．Vg通過Cs1繼續(xù)向Lb充能，Cs1兩端電壓(Vds1)持續(xù)上升，Cs2兩端電壓(Vds2)持續(xù)下降。Ca也繼續(xù)通過變壓器向負載釋放能量，這個過程直到t2時刻Cs2兩端的電壓下降到等于Ch兩端的電壓Vcb結(jié)束。

模式3[t2～t3]如圖3(c)所示，當Cs2兩端的電壓下降到等于Cb兩端的電壓Vcb時，副邊進入續(xù)流狀態(tài)，V通過Cs1一繼續(xù)向Lb充能。Lr,Cs1,Cs2進行諧振，導(dǎo)致Cs1兩端電壓繼續(xù)上升，Cs2兩端電壓繼續(xù)下降，直到t3時刻Cs2兩端的電壓下降為零，同時Cs1兩端的電壓上升到等于Ca兩端的電壓Vca時結(jié)束。

模式4[t3～t5] 如圖3(d)所示，當Cs2兩端的電壓下降為零時，諧振電感繼續(xù)通過Ds2釋放能量，在這個時間段的t4時刻開通S2，此時S2實現(xiàn)零電壓開通。諧振電感通過S2將能量完全釋放，電感Lb通過二極管Ds2向Ca充電。

模式5[t3～t6]如圖3(e)所示，t5時刻諧振電感能量完全釋放，隔直電容對Lr反向充能，直到變壓器原副邊電壓等于匝數(shù)比后同時向負載釋放能量，Lh能量完全釋放，此過程結(jié)束。

模式6[ts～t7]如圖3(f)所示，Lh能量完全釋放后，隔直電容Ch繼續(xù)向負載釋放能量，直到t7時刻S2關(guān)斷結(jié)束。

模式7[f7～t8]如圖3(g)所示，S2關(guān)斷，Cs2兩端電壓(Vds2)持續(xù)上升，Cs1兩端電壓(Vds1)持續(xù)下降，直到ts時刻CS2兩端的電壓上升到等于Cb兩端的電壓Vcb時結(jié)束。

模式8[t8～t9] 如圖3(h)所示，Cs2兩端的電壓上升到等于Cb兩端的電壓Vcb副邊進入續(xù)流狀態(tài)，Lr，Cs1，Cs2再次諧振，使得Cs2兩端電壓繼續(xù)上升，Cs1兩端電壓繼續(xù)F降，直到t9時刻Cs1兩端的電壓下降為零，同時Cs2兩端的電壓上升到等于Ca兩端的電壓Vca時結(jié)束。

模式9[t9～t11] 如圖3(i)所示，t9時刻Cs1兩端的電壓下降為零，Lr繼續(xù)通過Ds1釋放能量，在這個時間段的t10時刻開通S1，此時S1實現(xiàn)零電壓開通。諧振電感通過S1將能量完全釋放，且Ca對Lr反向充能，直到t11時刻變壓器原副邊電壓等于匝數(shù)比，回到初始狀態(tài)。

從以上分析町以看到，電感Lr工作在DCM狀態(tài),電流自動跟蹤電壓，從而達到PFC的目的，同時也實現(xiàn)了開關(guān)管的ZVS。

2 主要參數(shù)選擇
在本文所提到的電路中，變壓器采用帶中心抽頭的對稱繞組，則


由不對稱半橋輸出電感的磁平衡可得到輸出電壓為

根據(jù)式(2)以及最小輸入電壓、最大輸出電壓和最大占空比可確定變壓器匝數(shù)比。

工作在DCM狀態(tài)的Boost型PFC電路從電網(wǎng)中吸收的能量可表示為

式中：Vo為輸出電壓；
Io為輸出電流；
η為變換效率；
Vg為輸入電壓幅值；
D為占空比；
T為開關(guān)周期。

由于諧振電感所儲存的能量大于寄生電容所儲存的能量是實現(xiàn)ZVS的條件，所以，可得諧振電感為

式中：等苦為MOS管寄生電容。

3 實驗結(jié)果
根據(jù)以上的分析，設(shè)計了一個輸入電壓110 V，輸出電壓18 V，輸出電流5A，頻率為100kHz的電路。原邊開關(guān)選用4N60，功率變壓選用EE33，Np=24，Ns=6，諧振電感Lr=10μH，Boost電感Lh=100μH。實驗所得波形如圖4所示，從圖4中可以看到，電路即實現(xiàn)了功率因數(shù)校正，也實現(xiàn)了S1及S2的ZVS。

4 結(jié)語
單級PFC AC／DC變換器比兩級變換器具有成本低，結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)勢，特別是在小功率的應(yīng)用中。不對稱半橋由于它內(nèi)在的ZVS特性，能有效地降低開關(guān)損耗，將這種特性運用到AC／DC變換器中能提高它的效率。單級不對稱半橋能夠較好地實現(xiàn)功率因數(shù)校正和軟開關(guān)。