一种新型单级半桥式开关电源的设计

彭波张正文杨思学齐剑

(安徽理工大学电气工程学院，安徽淮南232001)

【摘要】提出了一种新型单级半桥式开关电源，其输出电压可以稳定在48V，可以作为LED灯的电源使用。该开关电源的单级结构由一个半桥AC/DC功率因数校正电路（PFC）[1-3]和一个半桥DC/DC电源转换器融合而成。通过采用在不连续导通模式（DCM）下具有功率因数校正功能的PFC功率校正电路调节开关电源的输出。相比于传统的两级电源，这种单级半桥式结构提高了系统稳定性，提高了工作效率，降低了产品成本和尺寸，简化了设计。详细介绍新型开关电源的工作原理，并通过仿真验证系统的可行性。

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关键词 单级开关电源；半桥；电感设计标准

０简介

一个直流输出需要一个二级开关电源：一个AC/DC电源转换器和一个连接功率校正的独立控制的次级DC/DC稳压电路。二级开关管电源的主要优点是具有较高的功率因数和较低的电流源谐波。许多二级开关电源，都是在第一阶段进行PFC调控，在随后的二级稳压DC/DC电路中将电力直接向负载提供控制。这样的二级结构却有一些缺点，如效率低下，较多的PWM控制器所带来的功率损耗和较大的电路结构。而且二级结构总是使用独立的反馈电路和独立的控制系统，而这些系统的供电都需要二级电源来提供，这些系统包括了隔离电路、误差放大器、PWM控制器等；因此二级的开关电源结构与一级的开关电源结构相比有比较差的效率。而半桥式开关电源具有较高的功率因数，因此半桥式开关电源是比较受欢迎的一种电路结构。

１电力供应

所提出的单级开关电源如图1所示。所有组件均假定在理想的状态下分析。由于开关频率比工作频率高得多，电压源认为在一个开关周期内恒定。功率因数校正电路中的电感L和输出电感L0均工作在离散状态下以降低感应电压[4]。

模态3（d3Ts）如图2(c）所示，开关S1、S2和二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6仍然关闭，此时iL=0。该阶段只有一个导电回路，电流iL0流经L0、负载、D7、D8和变压器副边。

模态4（d4Ts）如图2（d）所示，这时开关S1、S2和二极管D1、D2、D3、D4、D5和D6仍不导通，电感电流iL0此时为0，所以D7和D8也不导通。这时除了电容C0向负载供电，其他没有任何导电回路。

３仿真设计

本文所提出的单级半桥是开关电源的模拟参数如下所示，输入电压Vs为110V，电感L为470uH，占空比d1为0.172，滤波电容C1、C2为650uF，输出电感L0为270uH，开关频率fs为45kHz，输出电容C0为470uF，输出电压V0为48V。所用的仿真软件为Matlab。需要注意的是电感L和输出电感L0遵循以下设计规则，L必须小于4.3mH，而L0必须小于2.2mH。在具体实验中取L为0.47mH，L0取0.27mH。任何低于设计标准的值均可用来在此电路中进行模拟。在半桥电路中最大占空比必须低于0.5，可变负载的工作点选择为0.25。考虑到寄生效应选择工作点应低于0.25。所以选择的占空比为0.172。

４实验结果

用Matlab[15]仿真后所得实验结果如图4所示，输出结果可以看出能够得到稳定的48V电压。

５结论

本文提出了一种新型的单级半桥式开关电源。该开关电源的新颖之处在于它可以再所需求的功率因数校正所需要的输出负载调节性能良好。分析的结果与预定的规格特别适合作为LED灯的驱动电源[5]。该开关电源的好处是降低了成本和尺寸，简化了设计。

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参考文献

［１］沙占友,王彦朋,马洪涛.开关电源优化设计[M].中国电力出版社,2009.

［２］沙占友,安国成.LED驱动电源PFC电路的设计[J].电源技术应用,2011,14(6):52-56.

［３］沙占友，文环明.DC/DC电源变换器的拓扑类型[J].电源技术应用，2006，9（6）:1-3.

［４］Y.Qiu,X.Chen,andH.Liu.Digitalaveragecurrent-modecontrolusingcurrentestimationandcapacitorchargebalanceprincipleforDC-DCconvertersoperatinginDCM[J].IEEETrans.PowerElectron.,2010,25(6):1537-1545.

［５］祝龙记，石晓艳.电气工程与自动化控制系统的Matlab仿真[M].中国矿业大学出版社，2014.

［责任编辑：曹明明］