UPS中一種軟開關(guān)高功率因數(shù)蓄電池充電電路研究

朱永祥 張培亞 李宗銀 肖強暉

（湖南工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院 湖南 株洲 412000）

0 引言

蓄電池是不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS）重要組成部分，從其對UPS整機性能的影響和價格看，都是極其重要的。蓄電池常用的充電電源有：相控電源，采用工頻變換，體積大、效率低、可靠性差；線性電源，采用的功率調(diào)整晶體管工作在放大區(qū)，自身功率損耗較大；開關(guān)電源，采用高頻變換技術(shù)，使得蓄電池充電電源適應(yīng)高頻化、小型化發(fā)展趨勢成為可能。

開關(guān)電源中正激式DC/DC變換器具有結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、輸入輸出電氣隔離等優(yōu)點，因而被廣泛應(yīng)用在中小功率變換場合[1-2]。正激式DC/DC變換器中需要使用復(fù)位機制使高頻變壓器在開關(guān)周期內(nèi)進(jìn)行自動復(fù)位，有源箝位技術(shù)能使勵磁能量和漏感能量可以回饋至電網(wǎng)，但其主開關(guān)管為硬導(dǎo)通，損耗較高，效率低。

針對以上問題，本文設(shè)計一種將Boost升壓型PFC電路與正激式DC/DC電路整合的有源箝位高功率因數(shù)充電電路，主開關(guān)管和輔助開關(guān)管零電壓導(dǎo)通，實現(xiàn)開關(guān)管的軟開關(guān)，能提高正激式DC/DC變換器的功率密度與效率[3]，可用作小功率單相UPS蓄電池恒壓充電電路。

1 主電路設(shè)計

1.1 充電電路拓補結(jié)構(gòu)

圖1 電路原理圖

有源箝位高功率因數(shù)充電電路的拓補結(jié)構(gòu)（如圖1所示）[4]。該電路主要有Boost型PFC電路、正激式DC/DC變換器、控制電路等三部分。L1為儲能電感，Lm為勵磁電感，Lr為變壓器漏感；Q1為主開關(guān)管，箝位電容Cc和箝位開關(guān)管Q2構(gòu)成有源箝位支路；C為中間儲能電容，Cr是開關(guān)管Q1、箝位開關(guān)管Q2的輸出電容和變壓器繞組的寄生電容之和；T為正激式高頻變壓器；控制電路采用UC3843構(gòu)成，MOS管驅(qū)動采用IR2110芯片。該電路巧妙地將PFC級和DC/DC級結(jié)合，共用開關(guān)管Q2及控制電路，快速對輸入電流的整形和輸出電壓的調(diào)節(jié)。

1.2 充電電路工作模態(tài)

充電電路穩(wěn)態(tài)時原理波形（如圖2所示），在一個開關(guān)周期內(nèi)，大致可分為4個工作模態(tài)[5]。

圖2 穩(wěn)態(tài)時箝位電路工作波形圖

Mode 1[t0＜t＜t1]：Q1開通，箝位開關(guān)管 Q2關(guān)斷，充電回路二極管 D1導(dǎo)通，電源給L1充電，電感電流iL1線性上升，電容 C經(jīng)Lr和 T原邊放電；T次邊整流二極管D3導(dǎo)通，能量傳輸給負(fù)載。當(dāng)t=t1時，Q1關(guān)斷，該模態(tài)結(jié)束。

Mode 2[t1＜t＜t2]：Q1和箝位開關(guān)管 Q2均關(guān)斷，電感 L1給儲能電 C充電；當(dāng) Q1關(guān)斷后，Lm、Lr、Cr開始諧振，UCr逐步升高。當(dāng) UCr=UC時，變壓器短路，次邊二極管D3、D4換流，輸出端電感 L0和電容 C0為負(fù)載提供能量。

Mode 3[t2＜t＜t3]：當(dāng) UCr=UC+UCc時，箝位開關(guān)管 Q2的體二極管導(dǎo)通，對UCr箝位。儲存在勵磁電感和漏感中的能量通過Q2的體二極管給箝位電容Cc充電，變壓器磁化電流iLm在箝位電容Cc的作用下線性降低，變壓器進(jìn)入磁復(fù)位過程。箝位開關(guān)管Q2兩端電壓接近零，箝位開關(guān)管Q2的開通過程為ZVS開通。當(dāng)箝位開關(guān)管Q2關(guān)斷，該模態(tài)結(jié)束。

Mode 4[t3＜t＜t4]：t3時刻，箝位開關(guān)管 Q2關(guān)斷，變壓器次邊 D3關(guān)斷，D4導(dǎo)通，Lm、Lr、Cr參與諧振。 當(dāng) UCr=UC時，變壓器次邊開始換流，D3的電流從零開始增加，D4電流逐漸減小，Lr、Cr參與諧振。 Q1、Q2繼續(xù)保持關(guān)斷，當(dāng)UCr=0，變壓器次邊D3、D4都導(dǎo)通，因此變壓器原邊電壓為零，ULr=UC，iLr線性增加。 當(dāng) UCr=0，Q1零電壓開通，實現(xiàn) Q1軟開通。Q1開通時，該模態(tài)結(jié)束，進(jìn)入下一周期。

2 主要參數(shù)設(shè)計

2.1 主電路參數(shù)設(shè)計

輸入電感L1在功率因數(shù)校正電路設(shè)計中非常重要，設(shè)輸入紋波電流為ΔiL1，開關(guān)頻率為fs，D為電感電流出現(xiàn)最大峰值時的占空比，則：

設(shè)變換器最大占空比為Dmax，UD為二極管D2的導(dǎo)通壓降，則正激式變壓器T的變比n為：

輸出端濾波電感Lo為：

2.2 諧振電路參數(shù)

諧振電容Cr就是主、輔開關(guān)MOSFET的輸出電容及電路中的寄生電容之和。為了實現(xiàn)主開關(guān)管ZVS開通，必須保證UCr在Q2關(guān)斷到主開關(guān)管Q1開通這段時間內(nèi)下降到零，則諧振電感Lr應(yīng)滿足：

以CC與Lr的半個諧振周期大于主開關(guān)管Q1的截止時間為箝位電容CC的選取原則：

為保證主開關(guān)管實現(xiàn)ZVS開通，箝位開關(guān)管與主開關(guān)管之間延遲時間td必須滿足：

3 實驗結(jié)果及分析

表1 功率因數(shù)、效率測試結(jié)果

設(shè)計了一臺額定輸出功率60W的樣機，輸入電壓為AC165V～265V，輸出電壓為DC 48V±5%。正激式變壓器變比k=2:1，輸入端電感L1=24mH，開關(guān)管選用MOSFET FQA8N80C，開關(guān)頻率選擇fs=40kHz；二極管D1～D4均選用快恢復(fù)二極管HFA15TB60，輸出端濾波電感LO=2mH，輸出端濾波電容Co選取33μF的電解電容，儲能電容C為64μF，諧振電容 Cr約為 300PF，諧振電感 Lr=70μH，箝位電容 Cc選取0.67μF。

額定特性測試條件：輸入電壓AC220V，輸出電壓DC48V，負(fù)載為38Ω，輸出電流為1.25A。實驗波形采用Tekronix公司的TDS2014測量，并通過軟件WaveStar捕獲波形。主要實驗實測波形（如圖3（a）-（d）所示）。

輸入電壓變化時功率因數(shù)與效率測試條件：交流輸入電壓調(diào)整范圍為165V～265V，調(diào)整步長為10V；輸入電壓有效值、輸入電流有效值和功率因數(shù)均采用電能質(zhì)量分析儀FLUKE 43B測量；輸出電壓采用FLUKE 17B；輸出電流采用勝利4位半萬用表測量；測試點為額定負(fù)載38Ω （用以替代4節(jié)標(biāo)稱電壓為12V的閥控式密封鉛酸蓄電池組）；功率、效率均為計算值。輸入電壓變化下的功率、效率數(shù)據(jù)（如表1所示）。

圖3 主要實測波形

圖3（a）為 Q1與 Q2的驅(qū)動波形，有約700ns的死區(qū)時間，Q1的驅(qū)動信號占空比約為22%；圖3（b）為主開關(guān)管Q1的DS、GS電壓波形，可以看出，在主開關(guān)管關(guān)斷之后，其DS兩端的電壓被成功的箝位，實現(xiàn)ZVS軟開通和關(guān)斷，因而能夠有效地減小主功率管的電壓應(yīng)力。圖3（c）可以看出樣機的輸入電流能夠很好的跟蹤輸入電壓的波形，基本上無相位差，沒有出現(xiàn)電流脈沖狀嚴(yán)重畸變；圖3（d）可以看出樣機的輸出電壓為48.1V，滿足輸出電壓波動48V±1%范圍的要求。表1為樣機功率、效率測試結(jié)果，額定的功率因數(shù)為98.9%，效率為91.6%，實現(xiàn)UPS蓄電池充電器電路高輸入功率因數(shù)和高變換效率。

4 結(jié)論

本文將PFC變換器和有源箝位DC/DC變換器結(jié)合在一起，設(shè)計了一種有源箝位高功率因數(shù)充電電路，分析了該電路的工作原理，給出了一個開關(guān)周期中4個工作階段的波形圖以及主要參數(shù)的設(shè)計過程。通過理論分析和樣機實驗數(shù)據(jù)驗證，該電路可實現(xiàn)主開關(guān)管、輔開關(guān)管ZVS導(dǎo)通與關(guān)斷。該充電電路采用恒壓充電控制方式，在蓄電池充電的初始階段，充電電流較大，當(dāng)蓄電池電壓達(dá)到一定值之后，電流會迅速減小，快充滿時實現(xiàn)涓流充電。不僅能夠?qū)崿F(xiàn)高輸入功率因數(shù)和高效率的雙重技術(shù)目標(biāo)，還具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低等優(yōu)點，可用作小功率單相UPS蓄電池恒壓充電電路。

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