0 引言
目前比較成熟的PFC技術(shù)是兩極PFC，前級(jí)用成熟的APFC電路(通常為Boost電路)實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正，通過第二級(jí)DC／DC變換即可得到需要的輸出，又可起到隔離的目的。兩級(jí)電路都有各自的控制模塊，電路較復(fù)雜，難以做到高功率密度。研究單級(jí)PFC技術(shù)的目的是減少元器件，節(jié)約成本，提高效率和簡(jiǎn)化控制。因此，目前對(duì)單級(jí)PFC的研究也成為重要的課題之一。單級(jí)PFC中電源控制器的作用是保證快速、穩(wěn)定的輸出，對(duì)于輸入功率因數(shù)的要求則需功率級(jí)自身解決。適合單級(jí)隔離式PFC的結(jié)構(gòu)有很多，但基于不對(duì)稱半橋的單級(jí)PFC具有獨(dú)特的特點(diǎn)，下面將對(duì)該變換器的工作原理作詳盡的分析。

1 單級(jí)不對(duì)稱半橋工作原理
單級(jí)不對(duì)稱半橋是將Boost PFC電路與不對(duì)稱半橋結(jié)合構(gòu)成單級(jí)PFC，單級(jí)不對(duì)稱半橋的主電路如圖l所示，此電路既能實(shí)現(xiàn)PFC，同時(shí)也能實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的ZVS。

圖1中Vg是整流后的電壓，Lb是Boost電感，Ca是儲(chǔ)能電容，S1及S2為互補(bǔ)控制的MOS管，Ds1,Cs1,Cs2,Ca2分別為S1、S2的寄生二極管、寄生電容。Lr為諧振電感包括變壓器漏感，Lm是勵(lì)磁電感，Np，Ns變壓器原副邊匝數(shù)，副邊接全波整流二極管D1及D2，輸出濾波電感Lf，電容Co，負(fù)載RL。

其工作的理論相關(guān)波形如圖2所示，其中Vgs是S1及S2的驅(qū)動(dòng)波形，Vds1、Vds2分別是S1及S2漏源極電壓波形，jp為變壓器原邊電流波形，iLb為電感Lb電流波形，其工作過程可分為9個(gè)模式。模式1[to~t1]如圖3(a)所示，to時(shí)刻S1開通，Vg通過S1對(duì)Lb充能；同時(shí)儲(chǔ)能電容ca通過S1．對(duì)Lr及Gb充能，并通過變壓器向負(fù)載提供能量．這個(gè)過程直到t1時(shí)刻S1關(guān)斷為止。

模式2[t1～t2]如圖3(b)所示,t1時(shí)刻S1關(guān)斷．Vg通過Cs1繼續(xù)向Lb充能，Cs1兩端電壓(Vds1)持續(xù)上升，Cs2兩端電壓(Vds2)持續(xù)下降。Ca也繼續(xù)通過變壓器向負(fù)載釋放能量，這個(gè)過程直到t2時(shí)刻Cs2兩端的電壓下降到等于Ch兩端的電壓Vcb結(jié)束。

模式3[t2～t3]如圖3(c)所示，當(dāng)Cs2兩端的電壓下降到等于Cb兩端的電壓Vcb時(shí)，副邊進(jìn)入續(xù)流狀態(tài)，V通過Cs1一繼續(xù)向Lb充能。Lr,Cs1,Cs2進(jìn)行諧振，導(dǎo)致Cs1兩端電壓繼續(xù)上升，Cs2兩端電壓繼續(xù)下降，直到t3時(shí)刻Cs2兩端的電壓下降為零，同時(shí)Cs1兩端的電壓上升到等于Ca兩端的電壓Vca時(shí)結(jié)束。

模式4[t3～t5] 如圖3(d)所示，當(dāng)Cs2兩端的電壓下降為零時(shí)，諧振電感繼續(xù)通過Ds2釋放能量，在這個(gè)時(shí)間段的t4時(shí)刻開通S2，此時(shí)S2實(shí)現(xiàn)零電壓開通。諧振電感通過S2將能量完全釋放，電感Lb通過二極管Ds2向Ca充電。

模式5[t3～t6]如圖3(e)所示，t5時(shí)刻諧振電感能量完全釋放，隔直電容對(duì)Lr反向充能，直到變壓器原副邊電壓等于匝數(shù)比后同時(shí)向負(fù)載釋放能量，Lh能量完全釋放，此過程結(jié)束。

模式6[ts～t7]如圖3(f)所示，Lh能量完全釋放后，隔直電容Ch繼續(xù)向負(fù)載釋放能量，直到t7時(shí)刻S2關(guān)斷結(jié)束。

模式7[f7～t8]如圖3(g)所示，S2關(guān)斷，Cs2兩端電壓(Vds2)持續(xù)上升，Cs1兩端電壓(Vds1)持續(xù)下降，直到ts時(shí)刻CS2兩端的電壓上升到等于Cb兩端的電壓Vcb時(shí)結(jié)束。

模式8[t8～t9] 如圖3(h)所示，Cs2兩端的電壓上升到等于Cb兩端的電壓Vcb副邊進(jìn)入續(xù)流狀態(tài)，Lr，Cs1，Cs2再次諧振，使得Cs2兩端電壓繼續(xù)上升，Cs1兩端電壓繼續(xù)F降，直到t9時(shí)刻Cs1兩端的電壓下降為零，同時(shí)Cs2兩端的電壓上升到等于Ca兩端的電壓Vca時(shí)結(jié)束。

模式9[t9～t11] 如圖3(i)所示，t9時(shí)刻Cs1兩端的電壓下降為零，Lr繼續(xù)通過Ds1釋放能量，在這個(gè)時(shí)間段的t10時(shí)刻開通S1，此時(shí)S1實(shí)現(xiàn)零電壓開通。諧振電感通過S1將能量完全釋放，且Ca對(duì)Lr反向充能，直到t11時(shí)刻變壓器原副邊電壓等于匝數(shù)比，回到初始狀態(tài)。

從以上分析町以看到，電感Lr工作在DCM狀態(tài),電流自動(dòng)跟蹤電壓，從而達(dá)到PFC的目的，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了開關(guān)管的ZVS。

2 主要參數(shù)選擇
在本文所提到的電路中，變壓器采用帶中心抽頭的對(duì)稱繞組，則


由不對(duì)稱半橋輸出電感的磁平衡可得到輸出電壓為

根據(jù)式(2)以及最小輸入電壓、最大輸出電壓和最大占空比可確定變壓器匝數(shù)比。

工作在DCM狀態(tài)的Boost型PFC電路從電網(wǎng)中吸收的能量可表示為

式中：Vo為輸出電壓；
Io為輸出電流；
η為變換效率；
Vg為輸入電壓幅值；
D為占空比；
T為開關(guān)周期。

由于諧振電感所儲(chǔ)存的能量大于寄生電容所儲(chǔ)存的能量是實(shí)現(xiàn)ZVS的條件，所以，可得諧振電感為

式中：等苦為MOS管寄生電容。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
根據(jù)以上的分析，設(shè)計(jì)了一個(gè)輸入電壓110 V，輸出電壓18 V，輸出電流5A，頻率為100kHz的電路。原邊開關(guān)選用4N60，功率變壓選用EE33，Np=24，Ns=6，諧振電感Lr=10μH，Boost電感Lh=100μH。實(shí)驗(yàn)所得波形如圖4所示，從圖4中可以看到，電路即實(shí)現(xiàn)了功率因數(shù)校正，也實(shí)現(xiàn)了S1及S2的ZVS。

4 結(jié)語(yǔ)
單級(jí)PFC AC／DC變換器比兩級(jí)變換器具有成本低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)，特別是在小功率的應(yīng)用中。不對(duì)稱半橋由于它內(nèi)在的ZVS特性，能有效地降低開關(guān)損耗，將這種特性運(yùn)用到AC／DC變換器中能提高它的效率。單級(jí)不對(duì)稱半橋能夠較好地實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正和軟開關(guān)。