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使用前置稳压器交错式升压
与软转换校正高频开关电源的功率因数
文摘
这项工作提出了如何操作和设计高功率因数电源。一个好的电源要素包含使用了一个交错使用无损耗缓冲器的预稳压电路来提高交直流并且每个单元工作在100KHz的频率上。通过使用交错转换器，可以在整体上使得升压电感和开关的损耗减少。一个无损耗开关连同提供软转换开关的的正激变换器被用来作为斩波转换器。它也提出，输出电压为用恒定频率的脉冲宽度控制。完整的工作原理、理论分析、相关方程和仿真结果也被提出。原型额定500瓦，150 V的输入交流电压和50V的输出直流电压的实验结果已在实验室中实现。
1.介绍
电源单元是所有电子设备的主电路，因为它提供给电子设备或者仪器正常工作所必须的电压，无论专业或者娱乐，例如计算机，电信设备、航空和军事、游戏等。这些设备很是复杂，致使他们需要更小尺寸，更轻重量，更有效率的电源。一般来说，这样的设备使用交流电作为主要动力能源，因此，交流线路必须转换成直流能量，因为大多数系统需要直流电源。
线性电源适合低功耗应用，但对于高功耗应用却是不划算的、低效率的。另一选择是使用开关模块电源（SMPS）。这种电源表现在：多输出直流电压，恒定开关频率，相比线性电源缩减了的尺寸和重量。但开关电源是众所周知的谐波发生器。最近，人们对如何减少输入电流谐波与功率因数校正（PFC）有了极大的兴趣。此外，在许多单相应用中，主要集中在电源，功率等级可以达到几千瓦；并且在某些情况下，输入电压可以说是相当高。由于具有直流电压增益的特性，常规升压PFC变换器已经用于高功率和高电压应用，更小体积和重量的感应器以及同样变得小巧的电源设备，会影响转换器成本，效率和功率密度【1】这是相当完美的调节器，但是，它表现在交换和传导上的损耗带来效率的显著降低。
交互式功率转换器技术是转换频率相同的多个开关单元的互联方式，但对于内部开关瞬间是依次在一个相同的开关周期内分段结束。【2】 使用交互式转换技术的主要优点是因为操作降低了净纹波幅度和提高了整个转换器的有效纹波频率且不增加开关损耗或装置应力。在参考文献【2】提出了8升压拓扑结构和非连续导通模式（DCM）下工作在低频（每单元25千赫）的开关单元，并在【3】中提出一个在连续电感电流模式（CICM）下交错升压的PFC。这些布局导致了换向和传导损耗并且它们要求复杂的电路控制，从而导致更高的部件和组装成本和可靠性的降低。常规谐振和准谐振转换器【4】提供ZCS（零电流开关）和零电压开关（零电压开关）以及可以在高频下操作的转换器，但这些技术具有负荷限制, 因为开关的电流和电压峰值和频率控制的范围，使得过滤器组件设计困难。一个达到高频率和高功率运行的好方法是使用参考文献【5.7,8】给出的非缓冲耗散。
开关电源需要转换一个等级的直流电压到另一个等级,那么最后可以使用一个直流-直流转换器。在这种情况下，可以使用几个的DC-DC转换器，但是必须使该转换器呈现减少开关高频损耗，调节多输出并且隔离输出。
在高频率和高功率下运行非耗散缓冲器的直流 - 直流正激转换器被用于SMPS。
该转换器可提供：
--全负载范围内软开关
--可以在硬脉宽调制转换器中观察到传导损耗是几乎相同的
2使用一个具有非耗散缓冲器的前置直流-直流转换器进行交流-直流交互式升压的开关电源的功率因数校正
图1和图4展示了交流-直流和直流-直流非耗散转换器。这两个转换器操作时可以降低转换损耗。在开关电源的这些转换器中，开关M1，M2，M3，M4由共振电感L4、L5和LF3以ZCS形式打开, 由电容器C4，C5和Cfr以ZVS形式关闭。Unitrodersquo;s UC3854（Unitrode公司的高功率前置稳压器）致力于以一种简单的低成本的方式减少线电流波形的扭曲量【6】该IC包含了所有获得接近功率因数要求的主动控制装置。
为了简化分析转换器而分析研究，但这并不影响其操作。
3操作原理的AC / DC交叉提升
图1显示了软转换升压交错类似一个使用前置调节器
图2显示了每个操作阶段的等效电路。
下面的理论为软转换型的PFC AC-DC交互式升压转换器单元进行了分析
第一阶段(t0,t1)——开始时,开关M1由L5磁化接通V0，D6和DM1 以ZCS形式打开。在这一阶段，辅助源（沃克斯霍尔）馈送C4和L7之间的共振。在这一阶段，电感电流il7以谐振方式从零上升到IL7。当电容器C4的电压从VDC2上升，直到达到输出电压Vi使D9导通这个阶段完成。
第一阶段（t0,t1）
第二阶段(t1,t2) 这一阶段开始时，C4（VC4）的电压被固定在V0，并且谐振电感器L7通过D10，D9，V0和Vauxl线性消磁。这个阶段是负责在PWM特性。开关M1关闭时，该阶段结束时。
第二阶段(t1,t2)
第三阶段(t2,t3) 在这个阶段，开关MI以ZVS形式关闭时，由于谐振电容器C4通过L3（升压电感器）线性排出所储存的能量，V0and D9最终达到零伏。
第三阶段（t2,t3）
第四阶段(t3,t4)在这个阶段, 在此阶段，电容器C4，D6和D9达到达负载电流（I 0）时电感器L5振荡。
第四阶段（t3,t4）
第五阶段(t4,t5) 在此阶段，L5和L7通过D6，V0，Vauxl和D10直到L5再次达到负载电流时电容器C4振荡。
第五阶段（t4,t5）
第六阶段(t5,t6) 在此阶段谐振电容器C4（VC4）的电压被钳位在前一阶段的谐振最终电压，直到开始下一个开关周期。
其他单元(M2)的分析是相同的。
第六阶段（t5,t6）
图3显示了开关周期的理论波形。
图3-理论波形
在本文所提出的分析是基于在以下假设：
1)开关和二极管是理想。
2)输入（Vdc）和输出电压(V0)是无波纹。
3)该电感器和电容器是无损。
4)在操作过程中,输出（V 0）的电流假设连续。
图2所示的模型可以用于获得下面的公式
V0和Vdc之间的传递函数由下式给出：
当FS =开关频率和TS =开关周期
4拟议正向转换器
图4显示了操作时无转换损耗的正向转换器的一个非耗散缓冲简化示意电路在该转换器中开关M3和M4因为电感LF3以ZCS形式同时被接通。开关M3和M4以ZVS形式关闭。
以下关于正向转换器相关的非缓冲耗散理论分析将在图4中展现。
图5一个开关周期的等效电路
这个转换器开关周期内有6个操作阶段,这些阶段如下:
第一阶段（t0,t1）开始时,由LF3以ZCS形式导通开关M3和M4。在这一阶段，CFr的电压被LFr以谐振方式从-Vdc上升到 Vdc。在这个阶段，ILR也以谐振方式从零上升到iLR1。
第二阶段（t1,t2）这一阶段开始时LF3负载电流的电流达到。在这个阶段，功率被转移到变压器次级，这个电压以谐振方式上升到Vdc。当开关M3和M4以ZVS形式关闭时，此阶段结束。
第三阶段（t2,t3）此阶段开始时，M3和M4由电容器CF以ZVS形式被关闭。在这个阶段中，谐振电容器电压与恒定负载电流线性下降，当这个阶段完成时达到零（0）。
第四阶段（t3,t4）当VCR电压与恒定电流I0线性达到0（零）这一阶段开始。在这个阶段，CFR与LFr一起振荡的（磁化电感），当VcR=-Vdc时并转向DF1和DF2结束。没有功率转移到变压器次级是由于二极管DF5是反转极性。
第五阶段（t4,t5）在这一阶段，电压VcR值是-Vrsquo;dc. 励磁电流通过DF1、DF2和VDC 重置。
第六阶段（t5,t6）这一阶段开始时，励磁电流被重置，结束时开关M3和M4被导通并且开始一个新的开关周期。
图6显示出了针对每个操作阶段的等效电路。
图6--理论波形
输出电压Vo可以通过操作阶段中的分析研究和下面的假设获得：
-所有部件和开关都是理想的；
-输入电压Vrsquo;dc是无波纹的；
-磁化电感Lm非常大的；
-变压器的漏感是微不足道的，在同一的变压器匝数比下假设。
5-仿真和实验结果
为了验证升压转换器的可行性，图1显示了使用的PSPICE在计算机上仿真的结果。电压源的组件和电路的参数如下：
为了达到比较的目的，在图7中显示了仿真结果。
图7 仿真结果
a)输入电压和输入电流
b)开关M1转换
c)谐振元件上的电压和电流
d)谐振电感L5上的开关（M1）电压和电流。
原型是使用下面参数设定的电路实验板。
图8显示了实验结果与原型。
- 输入电压和电流
- 开关M1转换
c)电流和电压上的元素共振电压（100V / DIV），电流（2A/ DIV），时间（为2mu;s/格）
图9显示了软升压转换器和硬升压转换器的比较试验结果
图9—效率曲线
仿真和实验结果表明显示了软转换流程。相同负载下（500瓦），使用相同参数的软硬开关效率近似相同。这些开关没有使用过电压。
提出的非耗散缓冲器与相关的图5中的正向转换器用仿真进行研究且原型是电路实验板使用如下参数设定进行仿真
图10显示了仿真结果
相对于所述开关周期，时间间隔t1至t0（谐振间隔）可以根据需要尽可能缩短，这取决于在LR和CR的值。所以，所提出的转换器在大部分周期内可以作为常规的硬PWM变换器进行操作，但没有换向损耗。
图10—这是图4周期的仿真结果
图11绘制了开关电源的效率曲线
图11—电路实验板结构的效率
图12中所提出的开关电源就是使用了如下参数设定的电路实验板
图12显示了开关电源的简化示意性电路
图12 开关电源的简化电路
6结论
本文报道采用PFC AC-DC升压转换器交错开关电源的分析，仿真与试验发展。已经证实的是，组合使用交织使用UNITRODE的UC3854的控制电路允许高效的功率因数校正前置调节器且没有同数目的硬交错升压开关的转换损耗。提出的方法操作在高频下有不错的表现。
开关电源使用两个正向变换器开关作为DC-DC转换器。这个转换器由于采用一个非耗散缓冲器可以软换向工作。在两个转换器中同时使用软开关技术，由于较低的导通和开关损耗，改善了它们在高电压，高功率，高开关频率下的表现。这些结果使得开关电源的尺寸和成本得到降低。
7致谢
作者向提供了铁氧体磁芯支持的THORNTON INPEC致谢。
8 参考文献
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