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基于移相全桥的单级pfc变换器 近年来，作为减少波束污染和提高能源质量的主要手段之一，源间距校正（apf）技术已成为能源电子领域的研究热点。 单级功率因数校正(PFC)变换器采用开关管共用技术,使用一级主电路、一套控制电路,同时实现PFC与DC/DC变换,电路结构简单,效率较高。传统的单级桥式PFC电路适用于大功率场合,但是由于桥臂两端存在较高的电压尖峰,增大了开关管的电压应力。本文提出的变换器在全桥结构的基础上,通过增加有源箝位电路解决了桥臂存在电压尖峰的问题,同时能辅助桥臂开关管实现软开关。因为变换器所有开关管均能够实现软开关,所以能够降低开关管的开关损耗,提高系统的效率。为了提高电路效率,变换器的输入电感工作于电流断续模式,此时输入电流自动跟随输入电压变化,因此只要电压闭环即可实现PFC功能与DC/DC变换,控制电路设计较简单。 1 变换器的工作原则 1.1 变换器的输入电弧工作原理 本文提出的PFC变换器在Boost电路的基础上,利用全桥移相技术来实现PFC及DC/DC变换。通过增加有源箝位电路,消除变压器漏感在电路换流过程中产生的电压尖峰,开关管的电压应力显著降低,主、辅开关管均能实现零电压开通,开关损耗显著减小,变换器能以更高的转换效率实现功率变换。箝位电路由1个开关管和1个无感电容组成。输入、输出之间使用高频变压器进行隔离,输出端采用传统的LC滤波。变换器主电路结构如图1所示。 变换器的输入电感工作在不连续导电模式(DCM),开关周期为常数。当变换器全桥桥臂直通时(VT1、VT2同时导通或VT3、VT4同时导通),全桥的开关管将输入整流桥的输出端短路。此时的输入电源电压直接加在输入电感L上,电感储存能量,电感电流的绝对值从零开始线性增加(因为电感工作在电流断续模式),其增大的幅度与输入电压整流后的瞬时值成正比,电感电流峰值正比于输入电压。当变换器全桥对臂导通时(VT1、VT4同时导通或VT2、VT3同时导通),输入电感和交流电源通过桥臂开关管及高频变压器向负载释放能量,输入电感电流近似地线性下降,直至下降为零,波形如图2(a)所示。图中,uL、iL为输入电感的电压、电流,u′o为输出电压反射到变压器原边的电压值,TC为箝位开关管的开关周期,ton为1个箝位开关管开关周期内电感的充电时间,toff为1个箝位开关管开关周期内电感的放电时间。由此可见,输入电感的工作过程与DC/DC变换中的Boost电路的升压电感的工作过程相似。1个工频周期内的输入电压与输入电感电流波形如图2(b)所示。在每个开关周期内,输入电流的平均值近似地正比于输入电压;所以在整个工频周期内,输入电感电流峰值的包络线为正弦波,使用滤波器将输入电流中的高频谐波滤除,电流波形将变为正弦波。由于在工频周期各时刻输入电流平均值与输入电压近似成比例,输入电流波形自动地跟随输入电压波形,从而实现了PFC功能。 1.2 桥臂开关工作过程 为便于分析做以下假设及定义:桥臂开关管的开关周期设为T,箝位开关管的开关周期设为TC(TC=0.5 T);系统占空比D为1个开关周期内全桥电路上下桥臂直通时间与1个开关周期时间的比值;tz1为箝位开关管开通时刻滞后于桥臂开关管对臂导通时刻的时间;tz2为箝位开关管关断时刻超前于桥臂开关管上下桥臂直通时刻的时间。uG1~uG4为桥臂开关管控制信号,uGC为箝位开关管控制信号;iin为全桥变换器的输入电流,即输入整流桥的输出电流,iCc为流过箝位电容的电流,ip为变压器原边电流,UMN为桥臂母线电压,UCc为箝位电容的电压;Uo为系统输出电压,n为高频变压器原副边匝数比。 在1个开关周期(桥臂开关管开关周期)内,升压电感完成2次充放电过程。在这2个过程中,变压器原边电流的变化过程相似,方向相反。依据变换器的工作过程,可以将电路工作情况划分为14个工作模态,其中前7个工作模态与后7个工作模态工作过程相似。 在1个开关周期内,变换器开关管的驱动信号及其他主要波形如图3所示。 1.2.1 整流桥输出端短路 输入电感储能阶段。开关管VT1开通(超前臂开通),此前开关管VT2已导通,变换器全桥上下桥臂直通,相当于输入整流桥的输出端短路,此时交流电源为输入电感充电,该阶段输入电感电流从零开始线性增加。VT1开通前,开关管两端电压为零,开关管VT1零电压开通。该模态,桥臂母线电压UMN为零。 变压器原边电流降低,变压器漏感中的能量向副边传递,该阶段由输出滤波电感及输出滤波电容向负载提供能量。变压器原边电流ip为 该模态的持续时间为t0-1=DTC。 1.2.2 桥臂开关管非线电压开通 t1时刻开关管VT2关断,VT4开通(滞后臂开通)。此时,开关管VT1、VT4导通,VT2、VT3关断,变换器对臂导通。交流输入电源和输入电感通过整流桥、开关管V