谐振电感器与变压器兼用的复合谐振软开关正激式AC/DC变换器

概述
本文介绍了一种采用复合谐振式新型软开关DC/DC变换器的AC/DC变换器电路。该方式是在正激式DC/DC变换器的基础上，仅增加一只谐振电容器，去掉反馈二极管，在一定的开关频率下，通过复合谐振来获得高功率因数和软开关变换器的效果。本文阐述了复合谐振方式的AC/DC变换器的电路结构和工作原理，并通过SCAT模拟结果和实验结果说明了本电路的特性。

1． 前言
关于复合谐振式软开关正激式AC/DC变换器已经有所报导。这种复合谐振方式，仅在正向变换器的输入级连接谐振用电感和电容，使的充电电压高于电源电压，导通时产生电流谐振，截止时产生的充放电，以获得软开关的效果。另外，在每次开关频率为一定时，通过改变占空比D来控制输出电压。本文介绍的复合谐振软开关正激式AC/DC变换器，其谐振电感的功能由变换器变压器的复位线圈实现，这样，去掉反馈二极管，仅仅增加（不另接）就能获得高功率因数和软开关的效果。

2． 电路结构和工作原理
图1（a）所示为在变换器输入部分连接有谐振电感器和电容器的复合谐振正激式AC/DC变换器的基本电路。
如图所示，如果能通过变压器的反馈线圈实现谐振电感的功能，那么，就能去除，简单化电路结构。达到这种效果的复合谐振软开关正激式AC/DC变换器的基本回路中图1（b）所示。

图1复合谐振软开关型AC/DC变换器
这种回路，没有谐振电感以及反馈二极管DF，是一种非常简单的电路。在一定的开关频率下，通过占空比D控制输出电压，在电抗器L电流为不连续方式（DCM）时，软关通过导通时的电流谐振，截止时的电压谐振来实现。另外，高功率因数通过在每个开关周期内的充放电，产生输入电流iI而获得。
图2所示为为了实现开关元件的特性理想化，当紧密耦合时，DCM工作时的回路各部分电压、电流波形以及工作状态与产生时间。图2（a）表示对应于输入电压的各部分波形。图2（b）表示把上述波形的时间轴放大后，对应于开关周期的各部分波形。另外，为简单说明其动作，将主开关管的输出容量作为零。

普通型正向AC/DC变换器，产生如图2（a）所示的两种方式。即与换算成初级的输出电压（/）相比的电压比较小的（/）＞场合的A模式和（/）＞的B模式。对于A模式来说，能量不会从输入传递到输出，电抗器电流为零。在本电路中，由于谐振的缘故，比较高，几乎不发生A模式，能够达到高功率因数。在B模式的场合，将产生图2（b）及图3等效电路所示的四种工作状态。其中，用理想变压器和激磁电感来表示。在说明以下工作状态时，设==。
状态I：
主开关管导通，二极管导通。电压比输入电压高，由于全波整流二极管反向旁路，所以无输入电流流过。积蓄在中的能量，通过传递到输出端。此时，的漏极电流i在和以及输出电抗器L之间产生电流谐振，于是从零起动，实现电流软启动。
状态I在等于输出电压时结束。
状态II：
主开关管和二极管维持导通状态，的激磁能量P和L的能量PL通过电源环流。此时，由于L的电流几乎不变，所以，保持≈。在状态II的开始处，由于匝数比（+）/=2，所以，相对于的初级电流为iI/2。其结果，i==i+/2，在图示的开始点处，减少为阶跃状。
状态II在截止时结束。
状态III：
主开关管截止，通过线圈，向反馈充电。另外，由于=，所以，对应于的初级电流比状态II时要增加，==+，在开始点处增加成阶跃状。另外，的电压在与、L之间产生电压谐振，于是，从零电起动，实现电压软启动。
状态III在=0，截止后结果。
状态IV：
主开关管和二极管截止，导通。通过，的与之间产生谐振，并向充电，处于复位状态。状态IV在=0即==0时结束。在此期间，负载侧L的能量通过环流。这种能量在开始点处为零。而后，向负载R输出仅由电容器C所提供的能量。
状态V：
不表示等效电路，开关元件全部截止，仅从电容器C向负载R供给能量。此时，与的电压相等。=直至截止，并且一直保持峰值电压。
软开关条件：
从以说明可知，要想实现软开关，在开关管截止前，的电压必须放电，而且要与输出电压相等，即最小占空比由状态I的谐振周期决定。另外，在导通以前，的电流必须为零，即的复位应该结束，然后确定最大占空比。

3、实验结果
实验采用DCM工作时的普通型正激式变换器和复合谐振正激变换器，然后将试验结果与SCAT模拟器结果进行比较，表1所示为比较电路的电路参数。

以下所示所有特性图均以实线表示SCAT的试验值，并用符号表示。另外，图4~图15中，（a）图表示通用型正激式变换器，（b）图表示复合谐振型正激式变换器的特性。另外，试验中，软开关的最小占空比≈0.15，最大占空比≈0.4。
下述图4~图11的图（b）中，采用黑色标记表示软开关范围外的特性。

图4和图5为输出电压特性，参数分别为占空比D和负载电阻R。对于图4中特性来说，随着的上升，复合谐振型的从120V左右变化到20V左右，通用型的从60V左右变化到20V左右。复合谐振型与通用型相比，对的依赖性大。对于图5中的D特性来说，随着占空比D的上升，复合谐振型的从10V左右变化到60V左右，通用型的从10V变化到40V左右。复合谐振型与通用型相比，负载轻时，对D的依赖性大。
图6和图7为功率因数特性。对于图6的通用型来说，高的地方功率因数为98%，低的地方功率因数为87%。另外，对于图7的通用型来说D≈0.1处，功率因数为97%，D较高处功率因数为90%，功率因数与I和D的依赖性很大。对于复合谐振型来说功率因数与和D的依赖性很小，几乎均能获得98%以上的高功率因数。
图8和图9为失真度系数DF特性。对于图8复合振型来说，随着的上升，DF从20%左右降低到4%左右，对于通用型来说，随着的上升，DF从60%左右降低到20%左右。复合谐振型与通用型相比，它与的依赖性较小，而且DF值低，对于图9复合谐振型来说，与D无依赖性，DF地10%以下，同时与R也无依赖性。对于通用型来说，随着D的上升，DF从10%以下，同时与R也无依赖性。对于通用型来说，随着D的上升，DF从10%附近提高到45%左右，负载轻，DF高，复合谐振型比通用型的DF低。
图10所示为漏源极间电压特性。在本电路中，由于谐振提高了谐振电容器的电压，所以，与通用型相比，复合谐振型开关管的电压比较高。由特性可知，通用型的电压是输入电压|Ei|=50V的3倍以下，复合谐振型的电压高的地方为|Ei|的7倍，所以，必须注意开关元件的耐压性。
图11所示为效率η特性。由图可知，随着的上升，通用型和复合谐振型的η均降低，复合谐振型与通用型相比，η比较高。这主要是因为以下原因：
①软开关
②没有复位时的环流电流
③高压、低电流的输电效果
图12和图13所示为|Ei|=50，=0.9A，D=0.4A时输入电压和电流的波形。图12为实验波形，图13为使用SCAT模拟器的波形。从波形可知，图12所示通用型ii的波形，其电流截止时间比较长，复合谐振型ii波形其截止时间较短，所以，功率因数PF高，失真度DF小。
图14和图15所示|Ei|=50V，=0.9A，D=0.4，为最大值Qi导通时，漏源极间电压和漏极电流的波形。图14为实验波形，图15为采用SCAT模拟器的波形。图14中的通用型，截止时会发生230V高的浪涌电压，而复合谐振型，不会发生浪涌电压。这与的漏电、电感的有无无关，是由软开关实现的。另外，导通时的状态，利用SCAT时产生阶跃状的变化，然而实验中不会发生，这主要是的输出容量的影响。

4、结束语
以上介绍了极其简单的复合谐振软开关正激式AC/DC变换器。这种变换器是用变压器的反馈线圈代谐振电感，去除反馈二极管，连接1只电容器，以一定的开关频率，通过占空比来改变输出电压。
通过实验和SCAT模拟分析仪对该电路的特性作了比较，其结果是：本方式与原先的正激变换器相比，效率高，主开关管导通时电流谐振，截止时电压谐振，能够实现软开关和高功率因数。
本方式也适用于其他方式的变换器，关于这一方面，将在下次与定量分析一起介绍。
（原文参考文献7篇略）