- 頭條AC-DC變換器的新設計方法，功率因數高，效率高2020-12-06 作者：呂清松 許宜申 等 | 來源： | 點擊率：導語蘇州大學光電科學與工程學院的研究人員呂清松、許宜申、倪兆麟、馬仕哲，在2019年第10期《電氣技術》雜志上撰文指出（論文題目為“AC-DC變換器的新設計方法，功率因數高，效率高”），隨著電力電子技術的飛速發展，高效、高功率密度已成為功率變換器的主要發展方向，而傳統脈沖寬度調制功率變換器采用硬開關技術，開關損耗大、效率較低。 本文針對這一實際問題以及適應寬范圍電壓輸入的應用需求，采用“APFC+LLC+SR”拓撲結構，設計了一款具備寬電壓輸入、高功率因數和高效率特點的AC-DC變換器，并完成了200W/24V系統樣機設計。 測試結果表明，當市電輸入時，樣機功率因數可達0.98，且系統在全負載范圍內的平均效率達到92%以上，驗證了設計方案的有效性，可滿足一定范圍內的實際應用需求。
隨著能源緊缺問題日益嚴峻，如何有效提高功率變換器的效率、以緩解能源危機顯得尤為重要。傳統脈沖寬度調制（pulse width modulation, PWM）功率變換器采用硬開關技術，在開關管導通和關斷的過程中，其漏源電壓與電流波形存在一定程度的交疊，從而造成較大的開關損耗。隨著功率變換技術逐漸向高頻化發展，開關頻率的增高使得這一問題顯得日益突出。
為了提高功率變換效率，國內外學者開展了大量研究工作。
- 有學者設計了一種準諧振反激式變換器，其輸入交流電壓范圍為95～260V，但最高效率只能達到86%。
- 有學者在準諧振反激式變換器中引入同步整流技術，使得變換效率達到88.3%。
- 有學者提出了一種改進型零電壓轉換PWM軟開關功率變換器，其采用負載分段的方式實現電路軟開關，變換效率可達91.5%。
但對于AC-DC變換器而言，上述設計方案在效率表現方面仍顯不足。
LLC諧振變換器作為一種軟開關技術，具備工作頻率調整范圍小、輸入電壓范圍寬等特點[6-7]。而且其可實現原邊開關管的零電壓開通（zero voltage switch, ZVS）和副邊整流二極管的零電流關斷（zero current switch，ZCS），從而有效提升功率變換效率。同時，其平滑變化的波形也有利于改善變換器的電磁兼容性能。
因此，本文結合當前AC-DC變換技術的發展趨勢，加入有源功率因數校正（active power factor correction, APFC）的概念，即采用“APFC+半橋LLC”兩級電路結構，設計了一套適應寬范圍電壓輸入、且具有高功率因數和高效率特點的AC-DC變換器。系統樣機測試結果表明，在全負載范圍內的平均效率達到92%以上，驗證了所提方案的可行性和有效性。
圖1 系統總體設計方案
結論
本文針對傳統硬開關功率變換器能量轉換效率較低的問題，利用半橋LLC諧振和同步整流技術設計了一套高效AC-DC變換器。
測試結果表明：系統樣機可實現原邊半橋功率MOS管的零電壓導通以及副邊同步整流MOS管的零電流關斷，全負載范圍內樣機的平均效率達92%以上，相較于硬開關和準諧振變換器，變換效率得到了較大提升。同時，變換器能夠適應寬范圍交流輸入電壓90～305V，且市電輸入時，樣機功率因數可達0.98，實現了預期的設計目標。
