【導(dǎo)讀】在AC-DC SMPS應(yīng)用中,通常會(huì)在輸入級使用功率橋式整流器,將交流電壓轉(zhuǎn)換為單向的直流電壓。在這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中,還會(huì)使用大容量電容器作為紋波濾波器,來穩(wěn)定總線電壓,這會(huì)導(dǎo)致功率因數(shù)性能較差,并將諧波污染反饋到電網(wǎng)。為了改善功率因數(shù)和諧波電流,通常需要使用PFC電路。但額外增加一個(gè)功率級意味著會(huì)降低系統(tǒng)效率和可靠性。在本文中,我們提出了一種基于單電感結(jié)構(gòu)的單級AC-DC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),具備PFC和LLC功能。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)保留了傳統(tǒng)LLC諧振轉(zhuǎn)換器的零電壓開關(guān)(ZVS)優(yōu)勢,同時(shí)實(shí)現(xiàn)了高功率因數(shù)性能。
摘要
在AC-DC SMPS應(yīng)用中,通常會(huì)在輸入級使用功率橋式整流器,將交流電壓轉(zhuǎn)換為單向的直流電壓。在這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中,還會(huì)使用大容量電容器作為紋波濾波器,來穩(wěn)定總線電壓,這會(huì)導(dǎo)致功率因數(shù)性能較差,并將諧波污染反饋到電網(wǎng)。為了改善功率因數(shù)和諧波電流,通常需要使用PFC電路。但額外增加一個(gè)功率級意味著會(huì)降低系統(tǒng)效率和可靠性。在本文中,我們提出了一種基于單電感結(jié)構(gòu)的單級AC-DC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),具備PFC和LLC功能。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)保留了傳統(tǒng)LLC諧振轉(zhuǎn)換器的零電壓開關(guān)(ZVS)優(yōu)勢,同時(shí)實(shí)現(xiàn)了高功率因數(shù)性能。
關(guān)鍵詞: 單級轉(zhuǎn)換器、AC-DC、功率因數(shù)、LLC
背景
在AC-DC SMPS應(yīng)用中,橋式整流器被用于將交流輸入轉(zhuǎn)換為直流總線電壓,并為第二級的隔離DC-DC轉(zhuǎn)換器供電。其中,電流與輸入電壓的不匹配會(huì)給電網(wǎng)帶來大量的諧波反饋。因此,電子儀器在接入電網(wǎng)時(shí),需要遵循相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的功率因數(shù)規(guī)范和諧波限制。為了解決這些問題,在大多數(shù)AC-DC應(yīng)用中,通常會(huì)使用功率因數(shù)校正技術(shù)。
單級AC-DC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
在本文中,我們提出了一種整合了PFC功能的單電感結(jié)構(gòu)LLC諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),如圖1所示。這個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由升壓電路和半橋LLC電路組成,二者使用同一對開關(guān)MOS Q1和Q2。L1是升壓電路的主電感。當(dāng)升壓電路的MOSFET Q1和Q2開始交替開關(guān)時(shí),L1可以平滑輸入電流、減少相位失配、提高PF值,同時(shí)實(shí)現(xiàn)LLC諧振轉(zhuǎn)換。一次側(cè)的Q1、Q2均可在ZVS模式下工作,二次側(cè)SR MOS可以在ZCS(零電流開關(guān))模式下工作。這可以有效地提高整個(gè)系統(tǒng)的效率。
圖1 具有高功率因數(shù)的單級AC-DC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
工作原理與狀態(tài)分析
在一個(gè)完整的開關(guān)周期中,我們可以將這個(gè)單極AC-DC轉(zhuǎn)換器分為8個(gè)工作狀態(tài)(包括死區(qū)時(shí)間)。為加深理解,我們將逐個(gè)分析這些工作狀態(tài)。
圖2:工作狀態(tài)1(t0-t1)
狀態(tài)1(t0-t1):如圖2所示,藍(lán)框圈出的部分不參與該工作狀態(tài),彩色箭頭表示電流的流動(dòng)方向,其中,紅色為PFC,綠色為LLC。在狀態(tài)1中,Q1和Q2關(guān)斷,L1處于放電模式,連續(xù)的電感電流流經(jīng)Qd1的體二極管、儲能電容C3,然后流經(jīng)D6和C2回到L1。同時(shí),在LLC諧振回路中,電流從諧振回路的上端流過Qd1和C3,回到諧振回路的另一端。在二次側(cè),D7 導(dǎo)通,為輸出電容器C4充電并為負(fù)載供電。由于體二極管Qd1在導(dǎo)通模式下工作,Q1的VDS被限制在體二極管正向電壓,在此周期結(jié)束時(shí),Q1準(zhǔn)備導(dǎo)通, ZVS實(shí)現(xiàn)。
圖3:工作狀態(tài)1(t1-t2)
狀態(tài)2(t1-t2):如圖3所示,在這個(gè)工作狀態(tài)中,Q1切換到導(dǎo)通狀態(tài),L1繼續(xù)放電,電感電流流經(jīng)Q1、C3、D6和C2,然后回到L1。電容器C3仍處于充電模式。在LLC電路中,諧振回路繼續(xù)放電,直至耗盡,此時(shí)電流仍從Lr和Cr流出,來對C3充電(如圖3a所示)。充電電流降到0后,耗盡的諧振網(wǎng)絡(luò)將得到升壓電感的短時(shí)間充電,電流變成反向(如圖3b所示)。在整個(gè)工作狀態(tài)2中,變壓器磁感Lm的極性保持在正極接地。在二次側(cè),D7保持導(dǎo)通,并為輸出負(fù)載供電。
圖4:工作狀態(tài)3(t2-t3)
工作狀態(tài)3(t2-t3):如圖4所示,L1完全放電,C3變成放電模式,為整個(gè)系統(tǒng)供電。電容器C1放電電流流經(jīng)Q1,為L1充電,并通過D5循環(huán)回來。C3的放電電流還經(jīng)過諧振網(wǎng)絡(luò),通過變壓器傳輸電能,一次側(cè)繞組的極性仍然保持為上面為正極,而二次側(cè)繞組電流繼續(xù)流經(jīng)D7,為輸出負(fù)載供電。
圖5:工作狀態(tài)4(t3-t4)
工作狀態(tài)4(t3-t4):如圖5所示,t3期間,諧振電流等于勵(lì)磁電感Lm中的勵(lì)磁電流,不再有電流流向變壓器的一次側(cè)繞組,電能傳輸結(jié)束,二次側(cè)的二極管D7在ZCS 模式中自然關(guān)閉,正半周功率傳輸完成。輸出電容C4開始放電,并保持恒定的輸出功率。L1仍由輸入電壓充電,直至 Q1 關(guān)斷,充電電流在C1、D5、Q1和L1之間循環(huán)(如圖 5a 所示)。一旦Q1關(guān)斷,Q2的Coss開始放電,并參與諧振。在t4期間,Q2的Coss完全放電,VDS降至0,ZVS導(dǎo)通實(shí)現(xiàn)。
圖6:工作狀態(tài)5(t4-t5)
工作狀態(tài)5(t4-t5):如圖6所示,Q2的Coss完全放電后,ZVS在t4期間導(dǎo)通。L1開始放電并為系統(tǒng)供電,電感電流流經(jīng)C1、D5、C3、Q2,然后循環(huán)回來。Cr對Lr持續(xù)充電,Lm在退磁模式下工作,T1的一次側(cè)繞組的極性變成下正上負(fù),整流器D8變成正向,電能通過D8傳輸?shù)截?fù)載。
圖7:工作狀態(tài)6(t5-t6)
工作狀態(tài)6(t5-t6):如圖7所示,在此期間,L1放電回路與狀態(tài)5相同,不同之處在于諧振回路電流方向相反,Lr開始對Cr充電,Lm反向磁化。T1的一次側(cè)繞組的極性仍為下正上負(fù),D8保持導(dǎo)通,二次側(cè)電流流過D8,為C4和負(fù)載供電。
圖8:工作狀態(tài)7(t6-t7)
工作狀態(tài)7(t6-t7):如圖8所示,此時(shí)Q1處于關(guān)斷狀態(tài),Q2處于導(dǎo)通狀態(tài)。L1存儲的電能完全耗盡,電感器開始由輸入電壓源通過C2充電。充電電流在C2、L1、Q2、D6之間循環(huán)流動(dòng)。D5自然切斷。在LLC 諧振回路中,一次側(cè)繞組的極性為下正上負(fù),電能輸送到二次側(cè),同時(shí)電流通過 D8 流向負(fù)載。
圖9:工作狀態(tài)8(t7-t8)
工作狀態(tài)8(t7-t8):如圖9所示,L1充電回路不變。 在t7期間,諧振電流等于 Lm 磁感應(yīng)電流,沒有電能通過 T1 傳輸。在 ZCS 模式下,二次側(cè)的D8關(guān)閉。輸出電容器C4開始放電,并為負(fù)載供電。
在上述操作狀態(tài)的描述中,我們沒有單獨(dú)分析死區(qū)時(shí)間。實(shí)際上,當(dāng)兩個(gè)開關(guān)都關(guān)斷時(shí),電感器 L1的電流將通過MOS體二極管繼續(xù)流動(dòng),并對 MOSFET 電容器放電,從而實(shí)現(xiàn)ZVS。諧振回路的工作模式與LLC 相同,此處不做過多描述。
整個(gè)拓?fù)涔ぷ黜樞蛉鐖D10所示,周期從t0開始,到t8結(jié)束,分為8個(gè)工作狀態(tài)。死區(qū)時(shí)間的工作策略與傳統(tǒng)LLC相同,易于理解。在t0之前,Q1的VDS已降至0,因此當(dāng)Q1在t0導(dǎo)通時(shí), ZVS實(shí)現(xiàn),然后一次側(cè)諧振電流上升,并伴隨整個(gè)諧振周期。
仿真與驗(yàn)證
a.仿真
為了驗(yàn)證單級AC-DC轉(zhuǎn)換器的操作和控制原理,我們使用SIMetrix軟件進(jìn)行了專業(yè)仿真。示意圖如圖11所示。
該示意圖包括橋式整流器D1-D4、濾波電容C1和C2、續(xù)流二極管D5和D6、開關(guān)MOS Q1和Q2、大容量電容C3、諧振電容Cr、諧振電感Lr以及二次側(cè)整流二極管D7和D8。仿真參數(shù)如下表1所示,其中,主要元件的參數(shù)為:C1、C2 330nF、L1 50uH、Lr 120uH、Cr 22nF、Lm 380uH,變壓器匝數(shù)比為8.5:1。仿真結(jié)果和波形如下所示。
圖12:PFC 輸入電流 vs 輸入電壓
圖12提供了交流輸入電壓與交流輸入電流的對比波形。圖13顯示了放大后的電感器電流和輸入電壓。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)理想地實(shí)現(xiàn)了PFC功能。DCM工作策略使得該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更適合有PFC功能需求的中小功率AC-DC SMPS應(yīng)用。
圖13:IL和AC 輸入的波形(放大后)
圖14:Q2 ZVS導(dǎo)通波形
圖15:Q1 ZVS導(dǎo)通波形
Q1和Q2的ZVS導(dǎo)通特性如圖14和15所示,當(dāng)MOS的VDS諧振達(dá)到0時(shí),柵極導(dǎo)通,ZVS實(shí)現(xiàn),ZVS的行為與 LLC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)類似。
b.演示功能驗(yàn)證
為了驗(yàn)證該工作原理在實(shí)際案例中的有效性,我們構(gòu)建了一個(gè)基于300w LLC演示板的高功率因數(shù)單級AC-DC轉(zhuǎn)換器。它的規(guī)格如下:輸入電壓180Vac,輸出功率12V/25A,諧振電容Cr 66nF,諧振電感Lr 54uH,變壓器磁感690uH,匝數(shù)比16.5:1。
在演示中,我們測量了交流輸入電壓和電流,測量結(jié)果均與仿真結(jié)果相符,實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的PFC功能。諧振回路可以在一次側(cè)實(shí)現(xiàn)ZVS導(dǎo)通,在二次側(cè)實(shí)現(xiàn)SR二極管ZSC關(guān)斷。電能傳輸至二次側(cè),不會(huì)與LLC功能產(chǎn)生任何沖突。此外,諧波電流也得到了很好的匹配。
總結(jié)
本文研究了一種具有PFC功能拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的單級 AC-DC 轉(zhuǎn)換器。與傳統(tǒng)的兩級拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比,即經(jīng)典的PFC+LLC,這種新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將兩個(gè)電路結(jié)合在一起,并在半橋結(jié)構(gòu)中共用一對 MOS,這有利于降低物料清單(BOM)成本和提高功率密度。由于該拓?fù)渲挥幸粋€(gè)功率電感在DCM模式下工作,因此更適合需要高功率因數(shù)的中小型功率SMPS應(yīng)用,例如:LED照明、快速充電器等。
參考文獻(xiàn)
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