• <pre id="1csle"><strong id="1csle"><xmp id="1csle"></xmp></strong></pre>
  • <td id="1csle"><strike id="1csle"></strike></td>
  • <acronym id="1csle"><label id="1csle"></label></acronym>
  • <td id="1csle"></td>

    具備高功率因數性能的單級 AC-DC 拓撲結構

    2023-11-03 10:44:55 來源: 英飛凌

    作者:

    王進 英飛凌電源與傳感系統事業部 首席工程師

    王志力 英飛凌電源與傳感系統事業部 首席工程師

    英飛凌電源與傳感系統事業部 主任工程師


    摘要:AC-DC SMPS應用中,通常會在輸入級使用功率橋式整流器,將交流電壓轉換為單向的直流電壓。在這種拓撲結構中,還會使用大容量電容器作為紋波濾波器,來穩定總線電壓,這會導致功率因數性能較差,并將諧波污染反饋到電網。為了改善功率因數和諧波電流,通常需要使用PFC電路。但額外增加一個功率級意味著會降低系統效率和可靠性。在本文中,我們提出了一種基于單電感結構的單級AC-DC拓撲結構,具備PFCLLC功能。該拓撲結構保留了傳統LLC諧振轉換器的零電壓開關(ZVS)優勢,同時實現了高功率因數性能。

     

    背景

    AC-DC SMPS應用中,橋式整流器被用于將交流輸入轉換為直流總線電壓,并為第二級的隔離DC-DC轉換器供電。其中,電流與輸入電壓的不匹配會給電網帶來大量的諧波反饋。因此,電子儀器在接入電網時,需要遵循相關標準規定的功率因數規范和諧波限制。為了解決這些問題,在大多數AC-DC應用中,通常會使用功率因數校正技術。

     

    單級AC-DC拓撲結構

    在本文中,我們提出了一種整合了PFC功能的單電感結構LLC諧振拓撲結構,如圖1所示。這個拓撲結構由升壓電路和半橋LLC電路組成,二者使用同一對開關MOS Q1Q2。L1是升壓電路的主電感。當升壓電路的MOSFET Q1Q2開始交替開關時,L1可以平滑輸入電流、減少相位失配、提高PF值,同時實現LLC諧振轉換。一次側的Q1、Q2均可在ZVS模式下工作,二次側SR MOS可以在ZCS(零電流開關)模式下工作。這可以有效地提高整個系統的效率。

     

     圖片7.png

    1 具有高功率因數的單級AC-DC拓撲結構

     

    工作原理與狀態分析

    在一個完整的開關周期中,我們可以將這個單極AC-DC轉換器分為8個工作狀態(包括死區時間)。為加深理解,我們將逐個分析這些工作狀態。

     

     圖片8.png

    2:工作狀態1(t0-t1)

     

    狀態1(t0-t1):如圖2所示,藍框圈出的部分不參與該工作狀態,彩色箭頭表示電流的流動方向,其中,紅色為PFC,綠色為LLC。在狀態1中,Q1Q2關斷,L1處于放電模式,連續的電感電流流經Qd1的體二極管、儲能電容C3,然后流經D6C2回到L1。同時,在LLC諧振回路中,電流從諧振回路的上端流過Qd1C3,回到諧振回路的另一端。在二次側,D7 導通,為輸出電容器C4充電并為負載供電。由于體二極管Qd1在導通模式下工作,Q1VDS被限制在體二極管正向電壓,在此周期結束時,Q1準備導通, ZVS實現。

     

     圖片9.png

    3:工作狀態1(t1-t2)

     

    狀態2(t1-t2):如圖3所示,在這個工作狀態中,Q1切換到導通狀態,L1繼續放電,電感電流流經Q1、C3、D6C2,然后回到L1。電容器C3仍處于充電模式。在LLC電路中,諧振回路繼續放電,直至耗盡,此時電流仍從LrCr流出,來對C3充電(如圖3a所示)。充電電流降到0后,耗盡的諧振網絡將得到升壓電感的短時間充電,電流變成反向(如圖3b所示)。在整個工作狀態2中,變壓器磁感Lm的極性保持在正極接地。在二次側,D7保持導通,并為輸出負載供電。

     

     圖片10.png

    4:工作狀態3(t2-t3)

     

    工作狀態3(t2-t3):如圖4所示,L1完全放電,C3變成放電模式,為整個系統供電。電容器C1放電電流流經Q1,為L1充電,并通過D5循環回來。C3的放電電流還經過諧振網絡,通過變壓器傳輸電能,一次側繞組的極性仍然保持為上面為正極,而二次側繞組電流繼續流經D7,為輸出負載供電。

     

     圖片11.png

    5:工作狀態4(t3-t4)

     

    工作狀態4(t3-t4):如圖5所示,t3期間,諧振電流等于勵磁電感Lm中的勵磁電流,不再有電流流向變壓器的一次側繞組,電能傳輸結束,二次側的二極管D7ZCS 模式中自然關閉,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 關斷,充電電流在C1、D5、Q1L1之間循環(如圖 5a 所示)。一旦Q1關斷,Q2Coss開始放電,并參與諧振。在t4期間,Q2Coss完全放電,VDS降至0,ZVS導通實現。

     

     圖片12.png

    6:工作狀態5(t4-t5)

     

    工作狀態5(t4-t5):如圖6所示,Q2Coss完全放電后,ZVSt4期間導通。L1開始放電并為系統供電,電感電流流經C1、D5、C3、Q2,然后循環回來。CrLr持續充電,Lm在退磁模式下工作,T1的一次側繞組的極性變成下正上負,整流器D8變成正向,電能通過D8傳輸到負載。

     

     圖片13.png

    7:工作狀態6(t5-t6)

     

    工作狀態6(t5-t6):如圖7所示,在此期間,L1放電回路與狀態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的一次側繞組的極性仍為下正上負,D8保持導通,二次側電流流過D8,為C4和負載供電。

     

     圖片14.png

    8:工作狀態7(t6-t7)

     

    工作狀態7(t6-t7):如圖8所示,此時Q1處于關斷狀態,Q2處于導通狀態。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之間循環流動。D5自然切斷。在LLC 諧振回路中,一次側繞組的極性為下正上負,電能輸送到二次側,同時電流通過 D8 流向負載。

     

     圖片15.png

    9:工作狀態8(t7-t8)

     

    工作狀態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 磁感應電流,沒有電能通過 T1 傳輸。在 ZCS 模式下,二次側的D8關閉。輸出電容器C4開始放電,并為負載供電。

     

    在上述操作狀態的描述中,我們沒有單獨分析死區時間。實際上,當兩個開關都關斷時,電感器 L1的電流將通過MOS體二極管繼續流動,并對 MOSFET 電容器放電,從而實現ZVS。諧振回路的工作模式與LLC 相同,此處不做過多描述。

     

    整個拓撲工作順序如圖10所示,周期從t0開始,到t8結束,分為8個工作狀態。死區時間的工作策略與傳統LLC相同,易于理解。在t0之前,Q1VDS已降至0,因此當Q1t0導通時, ZVS實現,然后一次側諧振電流上升,并伴隨整個諧振周期。

     

     圖片16.png

    10 工作順序圖

     

    仿真與驗證

    仿真

    為了驗證單級AC-DC轉換器的操作和控制原理,我們使用SIMetrix軟件進行了專業仿真。示意圖如圖11所示。

     

     圖片22.png

    11 仿真示意圖

     

    該示意圖包括橋式整流器D1-D4、濾波電容C1C2、續流二極管D5D6、開關MOS Q1Q2、大容量電容C3、諧振電容Cr、諧振電感Lr以及二次側整流二極管D7D8。仿真參數如下表1所示,其中,主要元件的參數為:C1、C2 330nF、L1 50uH、Lr 120uH、Cr 22nF、Lm 380uH,變壓器匝數比為8.5:1。仿真結果和波形如下所示。

     

     圖片17.png

    1:仿真參數

     

     圖片18.png

    12PFC 輸入電流 vs 輸入電壓

     

    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。該拓撲結構理想地實現了PFC功能。DCM工作策略使得該拓撲結構更適合有PFC功能需求的中小功率AC-DC SMPS應用。

     

     圖片19.png

    13ILAC 輸入的波形(放大后)

     

     圖片20.png

    14Q2 ZVS導通波形

     

     圖片21.png

    15Q1 ZVS導通波形

     

    Q1Q2ZVS導通特性如圖1415所示,當MOSVDS諧振達到0時,柵極導通,ZVS實現,ZVS的行為與 LLC 拓撲結構類似。

     

    演示功能驗證

    為了驗證該工作原理在實際案例中的有效性,我們構建了一個基于300w LLC演示板的高功率因數單級AC-DC轉換器。它的規格如下: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,測量結果均與仿真結果相符,實現了預期的PFC功能。諧振回路可以在一次側實現ZVS導通,在二次側實現SR二極管ZSC關斷。電能傳輸至二次側,不會與LLC功能產生任何沖突。此外,諧波電流也得到了很好的匹配。

     

    總結

    本文研究了一種具有PFC功能拓撲結構的單級 AC-DC 轉換器。與傳統的兩級拓撲結構相比,即經典的PFC+LLC,這種新拓撲結構將兩個電路結合在一起,并在半橋結構中共用一對 MOS,這有利于降低物料清單(BOM)成本和提高功率密度。由于該拓撲只有一個功率電感在DCM模式下工作,因此更適合需要高功率因數的中小型功率SMPS應用,例如:LED照明、快速充電器等。

     

    參考文獻

    [1]:https://www.infineon.com/cms/en/product/evaluation-boards/evalpfc2-ice2pcs01/#!boards

    [2]:https://www.infineon.com/cms/en/product/evaluation-boards/eval-2hs01g-300w-1/

    [3]: F.-S. Kang, S.-J. Park, C.-U. Kim, ZVZCS single-stage PFC AC-to-DC half-bridge converter, (2002)

    [4]:https://www.infineon.com/cms/en/product/power/ac-dc-power-conversion/ac-dc-pwm-pfc-controller/llc-resonant-mode-controller/ice2hs01g/


    1. EETOP 官方微信

    2. 創芯大講堂 在線教育

    3. 創芯老字號 半導體快訊

    相關文章

    全部評論

    • 最新資訊
    • 最熱資訊
    @2003-2023 EETOP
    ×
    国产白丝喷水娇喘视频|狠狠综合久久综合88亚洲|首发推荐国产AV巨作保洁员|欧美伊人色综合久久天天|精品国产免费第一区

  • <pre id="1csle"><strong id="1csle"><xmp id="1csle"></xmp></strong></pre>
  • <td id="1csle"><strike id="1csle"></strike></td>
  • <acronym id="1csle"><label id="1csle"></label></acronym>
  • <td id="1csle"></td>