文獻筆記12---一種單級隔離型軟開關PFC變換器

前言

許多場合變換器需要隔離，通常使用到高頻變壓器，市電為交流電，無法直接供給給直流負荷，常用的做法是將AC轉換為DC，常用的方式是經過兩級轉換，即AC/DC，DC/DC，這樣雖然達到了目的，但是使用的器件多、轉換效率和功率密度都會降低，所以在對紋波要求較低的場合嘗試采用單級既實現電能轉換又實現電氣隔離，即單級隔離型AC/DC變換器成為了研究的方向，已有學者提出了單級軟開關功率因數校正變換器，對該變換器的工作原理及控制方法進行了解和學習。

1 概述

在大功率應用場合，AC/DC變換器通常采用兩級架構，但在小功率場合采用兩級式架構器件成本高、功率密度低，其控制也相對復雜。為了降低成本、控制復雜度、提高功率密度等，已有學者開始著手研究單級軟開關PFC變換器，該拓撲利用Boost變換器工作于DCM模式來實現PFC功能，利用隔離變壓器的漏感與電容的諧振實現二極管ZCS，同時原邊開關和有源鉗位開關均實現ZVS，確保所有開關管實現軟開關。拓撲如圖1所示。該變換器主開關管開通和關斷時均可以向副邊傳輸能量，兼顧正激變換器和反激變換器的性能，磁芯利用率高。

2 電路拓撲及其控制

工作在穩態時，一個開關周期變換器有八個工作模態，其電壓峰值和電壓過零點附近的主要工作波形如圖2所示。

根據分析，當Boost變換單元工作于DCM模式時，占空比基本保持不變的條件下，可以自動實現PFC功能，已有文獻推導了整流橋輸出電壓與電容電壓之比m與功率因數PF的關系，如圖3所示。從圖中可以看出當m<0.9時，能確保PF>0.9。

由電感伏秒平衡和功率守恒原理推導出電感LB的需滿足

電壓增益為

原邊開關管滿足ZVS的條件：一是電流i1在t0時刻必須是反向的；二是開關管在t3～t5時間段斷開，勵磁電感上的能量可將Coss電容上的電壓泄放到零。因此原邊開關管實現ZVS的條件為

副邊二極管實現ZCS的條件為

3 實驗驗證

為了驗證所提出的拓撲，該文中搭建了220VAC輸入，108V/035A輸出的實驗樣機，其工作頻率為100kHz。通過文中理論分析，m取值0.78，LB取值650uH，勵磁電感取值972uH，諧振電容Cs取值0.1uF。原邊S1、S2軟開關波形如圖4所示。

圖5可以看出副邊二極管均實現了ZCS。

該文章通過實驗證明了所提出的變換器單級實現了軟開關，全負載范圍內效率為約82%，額定工況下PF為0.943。該結果是七年前所得，可以看出效率較低，可能原因為額定功率較小，損耗占比較大導致，現在器件和控制技術的進步，效率可能會得以提高。該變換器單級實現了隔離、軟開，其優勢較大。促進了單級PFC的發展，該拓撲也值得學習和思考，方法值得借鑒。