文献笔记12---一种单级隔离型软开关PFC变换器

前言

许多场合变换器需要隔离，通常使用到高频变压器，市电为交流电，无法直接供给给直流负荷，常用的做法是将AC转换为DC，常用的方式是经过两级转换，即AC/DC，DC/DC，这样虽然达到了目的，但是使用的器件多、转换效率和功率密度都会降低，所以在对纹波要求较低的场合尝试采用单级既实现电能转换又实现电气隔离，即单级隔离型AC/DC变换器成为了研究的方向，已有学者提出了单级软开关功率因数校正变换器，对该变换器的工作原理及控制方法进行了解和学习。

1 概述

在大功率应用场合，AC/DC变换器通常采用两级架构，但在小功率场合采用两级式架构器件成本高、功率密度低，其控制也相对复杂。为了降低成本、控制复杂度、提高功率密度等，已有学者开始着手研究单级软开关PFC变换器，该拓扑利用Boost变换器工作于DCM模式来实现PFC功能，利用隔离变压器的漏感与电容的谐振实现二极管ZCS，同时原边开关和有源钳位开关均实现ZVS，确保所有开关管实现软开关。拓扑如图1所示。该变换器主开关管开通和关断时均可以向副边传输能量，兼顾正激变换器和反激变换器的性能，磁芯利用率高。

2 电路拓扑及其控制

工作在稳态时，一个开关周期变换器有八个工作模态，其电压峰值和电压过零点附近的主要工作波形如图2所示。

根据分析，当Boost变换单元工作于DCM模式时，占空比基本保持不变的条件下，可以自动实现PFC功能，已有文献推导了整流桥输出电压与电容电压之比m与功率因数PF的关系，如图3所示。从图中可以看出当m<0.9时，能确保PF>0.9。

由电感伏秒平衡和功率守恒原理推导出电感LB的需满足

电压增益为

原边开关管满足ZVS的条件：一是电流i1在t0时刻必须是反向的；二是开关管在t3～t5时间段断开，励磁电感上的能量可将Coss电容上的电压泄放到零。因此原边开关管实现ZVS的条件为

副边二极管实现ZCS的条件为

3 实验验证

为了验证所提出的拓扑，该文中搭建了220VAC输入，108V/035A输出的实验样机，其工作频率为100kHz。通过文中理论分析，m取值0.78，LB取值650uH，励磁电感取值972uH，谐振电容Cs取值0.1uF。原边S1、S2软开关波形如图4所示。

图5可以看出副边二极管均实现了ZCS。

该文章通过实验证明了所提出的变换器单级实现了软开关，全负载范围内效率为约82%，额定工况下PF为0.943。该结果是七年前所得，可以看出效率较低，可能原因为额定功率较小，损耗占比较大导致，现在器件和控制技术的进步，效率可能会得以提高。该变换器单级实现了隔离、软开，其优势较大。促进了单级PFC的发展，该拓扑也值得学习和思考，方法值得借鉴。