单级桥式有源功率因数校正变换器拓扑研究

1、-单级桥式有源功率因数校正变换器拓扑研究 第卷第期电力电子技术， 年月 贲洪奇，金祖敏，刘 宇 （哈尔滨工业大学，黑龙江哈尔滨；北京新雷能有限责任公司，北京） 摘要：单级桥式有源功率因数校正（变换器具有应用于中大功率领域的良好前景。在分析几种单级桥式有） 介绍了一种结构简单的单级桥式变换器。该变换器能在实现功率因数校正、源变换器的基础上，转换、输出电压调节和电气隔离的同时，实现功率开关的零电流开关或零电压开关；由于采用了恒频控制策略，使得对滤波环节和磁性器件的设计变得容易了。与普通单相电路相比，该变换器的控制电路只需增加一级移相环节就能很容易地实现控制。 关键词：功率因数；变换器；滤波器中图分

2、类号：， 文献标识码： 文章编号：（） ， （，； ，） ：， ， ， ， ：； ：， 引言 目前，对单级功率因数校正（技术的研究报） 道很多，早期的单级拓扑一般由变换器和反激或者正激变换器组合而成，共用一个开关管来实现和输出电压调节的功能，主要用于中小功率场合。为了得到较好的输入电流波形，这种变换器一般工作在电流断续模式（，比起两级结构，其控）制简单，成本低，也便于应用，但因工作在模式下，所以增大，给滤波器的设计带来困难。另外，出于平衡输入输出功率的需要，这种结构的内部都含有一个储能电容，而该电容上的电压将随负载和输入电压的变化而变化，在输入电压较高和负载较轻时，该电容上的电压可能达到上千伏

3、。为了满足大功率应用场合的需要，提出了适用于中大功率场合的单级全桥 该电路的基本结构是在全桥变换器电路。 基金项目：台达电力电子科教发展基金资助项目定稿日期： 作者简介：贲洪奇（），男，黑龙江双城人，博士，教授。 研究方向为高频功率变换技术及有源功率因数校正技术。 的整流桥和桥臂之间串联一个升压电感，通过特定的 控制方式，可同时实现和输出电压调节的功能。 单级桥式有源变换器 国外对这方面的研究较多，其研究重点是如何在全桥电路的基础上既能实现功能，又能实现软开关，同时又能获得较低的输出电压。 硬开关方式下的单级 图示出一种单相全桥变换器电路。该变换器的开关管采用只功率，这只功率基本上都工作在硬开

4、关方式。 图一种单相全桥变换器电路 变压器初级的箝位电路能在一定程度上消除桥臂开关的电压尖峰；变压器次级串联的两个二极管辅助开关能在桥对臂导通期间把功率内 部寄生电容上的能量转移到输出端，从而消除漏感和结电容的寄生振荡，同时也抑制了开关管上的电压应力，提高了效率。该变换器的功率在实验室中能做到效率能达到。， 采用移相控制方式的单级全桥变换器 主电路拓扑结构 图示出新型全桥软开关变换器拓扑结 构。该变换器可采用移相控制策略来完成和进行功率变换。由于和的驱动信号分别超前于和的驱动信号，因此称和超前管的控制为超前管，和为滞后管。信号之间要求有一个重叠时间，以实现零电流开关；滞后管的零电压开关则是通过

5、的结电容和移相控制方式来实现的，所以该变换器实现软开关不需要通常情况下实现软开关所必需的谐振元件，因而可使电路更加简单，容易控制。利用功率变压器既可实现低电压输出，又可作为输入与输出的电气隔离，提高了电路的可靠性。 图示出采用移相控制方式的单级全桥电路。它是一种结构较为简单的全桥电路，具有较低的直流母线电压，较小的保持时间和低频输出电压纹波，其输出功率能达，但输入电流存在死区，功 率因数只有，其最大效率只有，因此无法满足大功率高功率因数场合的要求。文献提出了一种基于上述电路结构的改进电路，在变压器初级增加两个绕组及两个开关管，以形成有源谐振网络，这种改进电路在整个负载范围内都能实现软开关，其功

6、率因数达到，但输出功率却未能进一步提高。 图采用移相控制方式的单级全桥 电路 采用控制方式的单级全桥变换器 图示出一种单级全桥软开关电路的拓扑结构。通过在变压器的初级和桥臂之间并联一个 就能同时实现：谐振网络，功率因数校正；输 出电压调节；因其电气隔离；高效率；软开关。开关损耗非常小，可使电路工作在非常高的开关频率下，且功率因数能达到，功率则可达到 来实现。由于该电路必须通过频率调节（） 功能，因此一定程度上会影响到电路的动态性能，给电路的优化设计带来了困难。 图主电路结构 图中升压电感，即输入滤波电感 主开关，由功率构成 内部漏源间寄生的二极管 内部漏源间寄生的等效电容 高频变压器的漏感输出

7、回路的整流二极管， 滤波电容 负载 图单级全桥软开关 电路 上述均为近几年国外学者提出的用于的全 桥变换器。为了实现软开关，通常需增加以辅助开关为中心的辅助网络或使用控制方式。 新型单级全桥变换器 为了在实现和变换的同时，既实 功能实现 要使图的变换器实现功能，必须给个桥臂加上合适的驱动脉冲信号。图示出控制信号时序图。为控制芯片产生的按一定规律变化的控制信号，由它衍生出路信号来驱动。在为高电平期间，不是和同时导通、和关断，就是和同时导通、和 图 控制信号时序图 关断。这时 相当于电路的主开关导通，电网电压对电感充电，中的电流近似线性上升，储能增加。在为低电平期间，不是和同时导通、和 关断，就是

8、和同时导通、和关断。这时相当于电路中的主开关断开，输出二极管导通，电感和电网同时向负载供电，电感中的电 现软开关，又不增加复杂的谐振电路或相应的辅 助开关管，提出了一种新型全桥软开关变换器拓扑。 第卷第期电力电子技术， 年月 流近似线性下降，储能减少。所以，当的占空比按照既定规律变化时，图所示的变换器就能实现电感中的电流平均值跟随输入交流电压的变化，达到的目的，同时也实现了变换。控制电路结构 控制电路以有源控制芯片为核心构成。它的外围控制电路基本上与单相型相同。通常输出的控制信号能直接驱动单相型电路中的功率，实现 这里提出的变换器是全桥结构，所功能。但是， 以如何把控制芯片的一路特定控制信号变

9、成路控制信号，便成为设计的重要环节。图示出移相控制电路。它能把的一路控制信号变成路不同时序的控制信号，其时序关系见图。该电路的基本思想是利用触发器把输入信号二分频，而集成单稳态触发器，则实现其中两路脉冲信号的延迟，以适应电路实现特殊功能的需要，其延迟时间分别由，决定。路控制信号再经过驱动电路就能驱动功率。 变压器初次级变比， 开关频率。图示出实验电路中电流误差放大器的输出电压实验波形。由图可见，在坐标线所示位置，电压幅值总是处于最大值，这就使驱动信号的占空比接近。因为此时的输入电压幅值很小，所以只有很大的占空比，才能使输入电流跟踪输入电压。但实际上，占空比不能是，所以在这个时刻，输入电流波形总

10、是会存在或多或少的畸变。图示出变换器的输入端电压和输出端电流波形。由图可见，电流波形能很好地跟踪电压波形，且与是同频同相的正弦波，具有较好的效果。 图 实验结果 结论 图移相控制电路 图示出带隔离的功率驱动电路。在 晶体管推挽输出和隔离变压器之间接有隔直电容，以得到正负向的驱动脉冲。由于隔直电容的作用，使加在隔离变压器上正负向脉冲的伏秒积平衡。但如果输入脉冲占空比很大，隔离变压器的输出脉冲正向幅值 就会很小；负向幅值却很大。而正向幅值太小就驱动不了功率 图带隔离的功率 驱动电路；负向幅值太大又会击穿功率。由图可知，加在每个桥臂上的驱动信号的占空比基本上都为，所以图电路是比较适合该变换器的。变换器的工作模态及实验分析 变换器中的功率开关实现软开关的过程及工作模态分析见文献。实验电路的主要参数：输出功率 基于几种单级桥式有源变换器的分析，介 绍了一种新型单级全桥变换器。通过对其理论分析和电路实验可知：在控制电路方面，与典型单相型电路相比，只需增加一个移相控制环节，其他部分与典型的单相电路基