华纳国际娱乐开元国际娱乐平台高开元国际娱乐平台开元国际娱乐平台的单级 AC-DC 拓扑结构

2023-11-03 10:44:55 来源：英飞凌

作者：

王进英飞凌电源与传感系统事业部首席工程师

王志力英飞凌电源与传感系统事业部首席工程师

齐跃英飞凌电源与传感系统事业部主任工程师

摘要： 在AC-DC SMPS应用中，通常会在输入级使用功率桥式整流器，将交流电压转换为单向的直流电压。在这种拓扑结构中，还会使用大容量电容器作为纹波滤波器，来稳定总线电压，这会导致开元国际娱乐平台开元国际娱乐平台较差，并将谐波污染反馈到电网。为了改善开元国际娱乐平台和谐波电流，通常需要使用PFC电路。但额外增加一个功率级意味着会降低系统效率和可靠性。在本文中，我们提出了一种基于单电感结构的单级 AC-DC 拓扑结构，开元国际娱乐平台 PFC 和 LLC 功能。该拓扑结构保留了传统 LLC 谐振转换器的零电压开关 (ZVS) 优势，同时实现了高开元国际娱乐平台开元国际娱乐平台。

背景

在AC-DC SMPS应用中，桥式整流器被用于将交流输入转换为直流总线电压，并为第二级的隔离 DC-DC 转换器供电。其中，电流与输入电压的不匹配会给电网带来大量的谐波反馈。因此，电子仪器在接入电网时，需要遵循相关标准规定的开元国际娱乐平台规范和谐波限制。为了解决这些问题，在大多数AC-DC应用中，通常会使用开元国际娱乐平台校正技术。

单级AC-DC拓扑结构

在本文中，我们提出了一种整合了PFC功能的单电感结构 LLC 谐振拓扑结构，如图 1 所示。这个拓扑结构由升压电路和半桥 LLC 电路组成，二者使用同一对开关 MOS Q1 和 Q2 。 L1 是升压电路的主电感。当升压电路的 MOSFET Q1 和 Q2 开始交替开关时， L1 可以平滑输入电流、减少相位失配、提高 PF 值，同时实现 LLC 谐振转换。一次侧的 Q1 、 Q2 均可在 ZVS 模式下工作，二次侧 SR MOS 可以在 ZCS( 零电流开关 ) 模式下工作。这可以有效地提高整个系统的效率。

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图1 具有高开元国际娱乐平台的单级 AC-DC 拓扑结构

工作原理与状态分析

在一个完整的开关周期中，我们可以将这个单极AC-DC转换器分为 8 个工作状态 ( 包括死区时间 ) 。为加深理解，我们将逐个分析这些工作状态。

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图2：工作状态 1(t0-t1)

状态1(t0-t1)：如图 2 所示，蓝框圈出的部分不参与该工作状态，彩色箭头表示电流的流动方向，其中，红色为 PFC ，绿色为 LLC 。在状态 1 中， Q1 和 Q2 关断， L1 处于放电模式，连续的电感电流流经 Qd1 的体二极管、储能电容 C3 ，然后流经 D6 和 C2 回到 L1 。同时，在 LLC 谐振回路中，电流从谐振回路的上端流过 Qd1 和 C3 ，回到谐振回路的另一端。在二次侧， D7 导通，为输出电容器 C4 充电并为负载供电。由于体二极管 Qd1 在导通模式下工作， Q1 的 VDS 被限制在体二极管正向电压，在此周期结束时， Q1 准备导通， ZVS 实现。

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图3：工作状态 1(t1-t2)

状态2(t1-t2)：如图 3 所示，在这个工作状态中， Q1 切换到导通状态， L1 继续放电，电感电流流经 Q1 、 C3 、 D6 和 C2 ，然后回到 L1 。电容器 C3 仍处于充电模式。在 LLC 电路中，谐振回路继续放电，直至耗尽，此时电流仍从 Lr 和 Cr 流出，来对 C3 充电 ( 如图 3a 所示 ) 。充电电流降到 0 后，耗尽的谐振网络将得到升压电感的短时间充电，电流变成反向 ( 如图 3b 所示 ) 。在整个工作状态 2 中，变压器磁感 Lm 的极性保持在正极接地。在二次侧， D7 保持导通，并为输出负载供电。

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图4：工作状态 3(t2-t3)

工作状态3(t2-t3)：如图 4 所示， L1 完全放电， C3 变成放电模式，为整个系统供电。电容器 C1 放电电流流经 Q1 ，为 L1 充电，并通过 D5 循环回来。 C3 的放电电流还经过谐振网络，通过变压器传输电能，一次侧绕组的极性仍然保持为上面为正极，而二次侧绕组电流继续流经 D7 ，为输出负载供电。

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图5：工作状态 4(t3-t4)

工作状态4(t3-t4)：如图 5 所示， t3 期间，谐振电流等于励磁电感 Lm 中的励磁电流，不再有电流流向变压器的一次侧绕组，电能传输结束，二次侧的二极管 D7 在 ZCS 模式中自然关闭，正半周功率传输完成。输出电容 C4 开始放电，并保持恒定的输出功率。 L1 仍由输入电压充电，直至 Q1 关断，充电电流在 C1 、 D5 、 Q1 和 L1 之间循环 ( 如图 5a 所示 ) 。一旦 Q1 关断， Q2 的 Coss 开始放电，并参与谐振。在 t4 期间， Q2 的 Coss 完全放电， VDS 降至 0 ， ZVS 导通实现。

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图6：工作状态 5(t4-t5)

工作状态5(t4-t5)：如图 6 所示， Q2 的 Coss 完全放电后， ZVS 在 t4 期间导通。 L1 开始放电并为系统供电，电感电流流经 C1 、 D5 、 C3 、 Q2 ，然后循环回来。 Cr 对 Lr 持续充电， Lm 在退磁模式下工作， T1 的一次侧绕组的极性变成下正上负，整流器 D8 变成正向，电能通过 D8 传输到负载。

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图7：工作状态 6(t5-t6)

工作状态6(t5-t6)：如图 7 所示，在此期间， L1 放电回路与状态 5 相同，不同之处在于谐振回路电流方向相反， Lr 开始对 Cr 充电， Lm 反向磁化。 T1 的一次侧绕组的极性仍为下正上负， D8 保持导通，二次侧电流流过 D8 ，为 C4 和负载供电。

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图8：工作状态 7(t6-t7)

工作状态7(t6-t7)：如图 8 所示，此时 Q1 处于关断状态， Q2 处于导通状态。 L1 存储的电能完全耗尽，电感器开始由输入电压源通过 C2 充电。充电电流在 C2 、 L1 、 Q2 、 D6 之间循环流动。 D5 自然切断。在 LLC 谐振回路中，一次侧绕组的极性为下正上负，电能输送到二次侧，同时电流通过 D8 流向负载。

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图9：工作状态 8(t7-t8)

工作状态8(t7-t8)：如图 9 所示， L1 充电回路不变。在 t7 期间，谐振电流等于 Lm 磁感应电流，没有电能通过 T1 传输。在 ZCS 模式下，二次侧的 D8 关闭。输出电容器 C4 开始放电，并为负载供电。

在上述操作状态的描述中，我们没有单独分析死区时间。实际上，当两个开关都关断时，电感器 L1的电流将通过 MOS 体二极管继续流动，并对 MOSFET 电容器放电，从而实现 ZVS 。谐振回路的工作模式与 LLC 相同，此处不做过多描述。

整个拓扑工作顺序如图10所示，周期从 t0 开始，到 t8 结束，分为 8 个工作状态。死区时间的工作策略与传统 LLC 相同，易于理解。在 t0 之前， Q1 的 VDS 已降至 0 ，因此当 Q1 在 t0 导通时， ZVS 实现，然后一次侧谐振电流上升，并伴随整个谐振周期。

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图10 工作顺序图

仿真与验证

仿真

为了验证单级AC-DC转换器的操作和控制原理，我们使用 SIMetrix 软件进行了专业仿真。示意图如图 11 所示。

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图11 仿真示意图

该示意图包括桥式整流器D1-D4、滤波电容 C1 和 C2 、续流二极管 D5 和 D6 、开关 MOS Q1 和 Q2 、大容量电容 C3 、谐振电容 Cr 、谐振电感 Lr 以及二次侧整流二极管 D7 和 D8 。仿真参数如下表 1 所示，其中，主要元件的参数为： C1 、 C2 330nF 、 L1 50uH 、 Lr 120uH 、 Cr 22nF 、 Lm 380uH ，变压器匝数比为 8.5:1 。仿真结果和波形如下所示。

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表1：仿真参数

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图12： PFC 输入电流 vs 输入电压

图12提供了交流输入电压与交流输入电流的对比波形。图 13 显示了放大后的电感器电流和输入电压。该拓扑结构理想地实现了 PFC 功能。 DCM 工作策略使得该拓扑结构更适合有 PFC 功能需求的中小功率 AC-DC SMPS 应用。

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图13： IL 和 AC 输入的波形 ( 放大后 )

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图14： Q2 ZVS 导通波形

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图15： Q1 ZVS 导通波形

Q1和 Q2 的 ZVS 导通特性如图 14 和 15 所示，当 MOS 的 VDS 谐振达到 0 时，栅极导通， ZVS 实现， ZVS 的行为与 LLC 拓扑结构类似。

演示功能验证

为了验证该工作原理在实际案例中的有效性，我们构建了一个基于300w LLC演示板的高开元国际娱乐平台单级 AC-DC 转换器。它的规格如下：输入电压 180Vac ，输出功率 12V/25A ，谐振电容 Cr 66nF ，谐振电感 Lr 54uH ，变压器磁感 690uH ，匝数比 16.5:1 。

在演示中，我们测量了交流输入电压和电流，测量结果均与仿真结果相符，实现了预期的PFC功能。谐振回路可以在一次侧实现 ZVS 导通，在二次侧实现 SR 二极管 ZSC 关断。电能传输至二次侧，不会与 LLC 功能产生任何冲突。此外，谐波电流也得到了很好的匹配。

总结

本文研究了一种具有PFC功能拓扑结构的单级 AC-DC 转换器。与传统的两级拓扑结构相比，即经典的 PFC+LLC ，这种新拓扑结构将两个电路结合在一起，并在半桥结构中共用一对 MOS ，这有利于降低物料清单 (BOM) 成本和提高功率密度。由于该拓扑只有一个功率电感在 DCM 模式下工作，因此更适合需要高开元国际娱乐平台的中小型功率 SMPS 应用，例如： LED 照明、快速充电器等。