UPS中一种软开关高功率因数蓄电池充电电路研究

朱永祥 张培亚 李宗银 肖强晖

（湖南工业大学电气与信息工程学院 湖南 株洲 412000）

0 引言

蓄电池是不间断电源（Uninterruptible Power Supply，UPS）重要组成部分，从其对UPS整机性能的影响和价格看，都是极其重要的。蓄电池常用的充电电源有：相控电源，采用工频变换，体积大、效率低、可靠性差；线性电源，采用的功率调整晶体管工作在放大区，自身功率损耗较大；开关电源，采用高频变换技术，使得蓄电池充电电源适应高频化、小型化发展趋势成为可能。

开关电源中正激式DC/DC变换器具有结构简单、工作可靠、输入输出电气隔离等优点，因而被广泛应用在中小功率变换场合[1-2]。正激式DC/DC变换器中需要使用复位机制使高频变压器在开关周期内进行自动复位，有源箝位技术能使励磁能量和漏感能量可以回馈至电网，但其主开关管为硬导通，损耗较高，效率低。

针对以上问题，本文设计一种将Boost升压型PFC电路与正激式DC/DC电路整合的有源箝位高功率因数充电电路，主开关管和辅助开关管零电压导通，实现开关管的软开关，能提高正激式DC/DC变换器的功率密度与效率[3]，可用作小功率单相UPS蓄电池恒压充电电路。

1 主电路设计

1.1 充电电路拓补结构

图1 电路原理图

有源箝位高功率因数充电电路的拓补结构（如图1所示）[4]。该电路主要有Boost型PFC电路、正激式DC/DC变换器、控制电路等三部分。L1为储能电感，Lm为励磁电感，Lr为变压器漏感；Q1为主开关管，箝位电容Cc和箝位开关管Q2构成有源箝位支路；C为中间储能电容，Cr是开关管Q1、箝位开关管Q2的输出电容和变压器绕组的寄生电容之和；T为正激式高频变压器；控制电路采用UC3843构成，MOS管驱动采用IR2110芯片。该电路巧妙地将PFC级和DC/DC级结合，共用开关管Q2及控制电路，快速对输入电流的整形和输出电压的调节。

1.2 充电电路工作模态

充电电路稳态时原理波形（如图2所示），在一个开关周期内，大致可分为4个工作模态[5]。

图2 稳态时箝位电路工作波形图

Mode 1[t0＜t＜t1]：Q1开通，箝位开关管 Q2关断，充电回路二极管 D1导通，电源给L1充电，电感电流iL1线性上升，电容 C经Lr和 T原边放电；T次边整流二极管D3导通，能量传输给负载。当t=t1时，Q1关断，该模态结束。

Mode 2[t1＜t＜t2]：Q1和箝位开关管 Q2均关断，电感 L1给储能电 C充电；当 Q1关断后，Lm、Lr、Cr开始谐振，UCr逐步升高。当 UCr=UC时，变压器短路，次边二极管D3、D4换流，输出端电感 L0和电容 C0为负载提供能量。

Mode 3[t2＜t＜t3]：当 UCr=UC+UCc时，箝位开关管 Q2的体二极管导通，对UCr箝位。储存在励磁电感和漏感中的能量通过Q2的体二极管给箝位电容Cc充电，变压器磁化电流iLm在箝位电容Cc的作用下线性降低，变压器进入磁复位过程。箝位开关管Q2两端电压接近零，箝位开关管Q2的开通过程为ZVS开通。当箝位开关管Q2关断，该模态结束。

Mode 4[t3＜t＜t4]：t3时刻，箝位开关管 Q2关断，变压器次边 D3关断，D4导通，Lm、Lr、Cr参与谐振。 当 UCr=UC时，变压器次边开始换流，D3的电流从零开始增加，D4电流逐渐减小，Lr、Cr参与谐振。 Q1、Q2继续保持关断，当UCr=0，变压器次边D3、D4都导通，因此变压器原边电压为零，ULr=UC，iLr线性增加。 当 UCr=0，Q1零电压开通，实现 Q1软开通。Q1开通时，该模态结束，进入下一周期。

2 主要参数设计

2.1 主电路参数设计

输入电感L1在功率因数校正电路设计中非常重要，设输入纹波电流为ΔiL1，开关频率为fs，D为电感电流出现最大峰值时的占空比，则：

设变换器最大占空比为Dmax，UD为二极管D2的导通压降，则正激式变压器T的变比n为：

输出端滤波电感Lo为：

2.2 谐振电路参数

谐振电容Cr就是主、辅开关MOSFET的输出电容及电路中的寄生电容之和。为了实现主开关管ZVS开通，必须保证UCr在Q2关断到主开关管Q1开通这段时间内下降到零，则谐振电感Lr应满足：

以CC与Lr的半个谐振周期大于主开关管Q1的截止时间为箝位电容CC的选取原则：

为保证主开关管实现ZVS开通，箝位开关管与主开关管之间延迟时间td必须满足：

3 实验结果及分析

表1 功率因数、效率测试结果

设计了一台额定输出功率60W的样机，输入电压为AC165V～265V，输出电压为DC 48V±5%。正激式变压器变比k=2:1，输入端电感L1=24mH，开关管选用MOSFET FQA8N80C，开关频率选择fs=40kHz；二极管D1～D4均选用快恢复二极管HFA15TB60，输出端滤波电感LO=2mH，输出端滤波电容Co选取33μF的电解电容，储能电容C为64μF，谐振电容 Cr约为 300PF，谐振电感 Lr=70μH，箝位电容 Cc选取0.67μF。

额定特性测试条件：输入电压AC220V，输出电压DC48V，负载为38Ω，输出电流为1.25A。实验波形采用Tekronix公司的TDS2014测量，并通过软件WaveStar捕获波形。主要实验实测波形（如图3（a）-（d）所示）。

输入电压变化时功率因数与效率测试条件：交流输入电压调整范围为165V～265V，调整步长为10V；输入电压有效值、输入电流有效值和功率因数均采用电能质量分析仪FLUKE 43B测量；输出电压采用FLUKE 17B；输出电流采用胜利4位半万用表测量；测试点为额定负载38Ω （用以替代4节标称电压为12V的阀控式密封铅酸蓄电池组）；功率、效率均为计算值。输入电压变化下的功率、效率数据（如表1所示）。

图3 主要实测波形

图3（a）为 Q1与 Q2的驱动波形，有约700ns的死区时间，Q1的驱动信号占空比约为22%；图3（b）为主开关管Q1的DS、GS电压波形，可以看出，在主开关管关断之后，其DS两端的电压被成功的箝位，实现ZVS软开通和关断，因而能够有效地减小主功率管的电压应力。图3（c）可以看出样机的输入电流能够很好的跟踪输入电压的波形，基本上无相位差，没有出现电流脉冲状严重畸变；图3（d）可以看出样机的输出电压为48.1V，满足输出电压波动48V±1%范围的要求。表1为样机功率、效率测试结果，额定的功率因数为98.9%，效率为91.6%，实现UPS蓄电池充电器电路高输入功率因数和高变换效率。

4 结论

本文将PFC变换器和有源箝位DC/DC变换器结合在一起，设计了一种有源箝位高功率因数充电电路，分析了该电路的工作原理，给出了一个开关周期中4个工作阶段的波形图以及主要参数的设计过程。通过理论分析和样机实验数据验证，该电路可实现主开关管、辅开关管ZVS导通与关断。该充电电路采用恒压充电控制方式，在蓄电池充电的初始阶段，充电电流较大，当蓄电池电压达到一定值之后，电流会迅速减小，快充满时实现涓流充电。不仅能够实现高输入功率因数和高效率的双重技术目标，还具有结构简单、成本低等优点，可用作小功率单相UPS蓄电池恒压充电电路。

［1］陈德锋，肖强晖，廖无限.一种BUCK型恒流源的输入特性研究[J].湖南工业大学学报，2009，23（6）：49-51.

［2］朱永祥.有源箝位正激式单级功率因数校正变换器的仿真实现[J].湖南工业大学学报，2012，26（3）：68－71.

［3］杨诗佳，钱照明，欧阳茜，等.改进型有源箝位正激电路的研究[J].电力电子技术，2008，42（5）：29-31.

［4］刘青移，王大庆，贲洪奇.新型有源箝位ZVS单级PFC变换器[J].电力自动化设备，2011，31（2）：62-67.

［5］刘克承，李斌.一种新颖的同步整流有源箝位正激变换器电路[J].电力电子技术，2011，45（4）：30-32.

［6］严伟加，谢运祥.一种新颖有源箝位ZVS正激变换器的研究[J].通信电源技术，2007，24（3）：8-11.