Boost ZVT-PWM變換器在單相功率因數(shù)校正的應(yīng)用

榮軍 李一鳴

（1. 湖南理工學院信息與通信工程學院；2. 湖南理工學院計算機學院，湖南岳陽 414006）

1 引言

目前，Boost電路已廣泛應(yīng)用于單相整流電源的功率因數(shù)校正技術(shù)中。傳統(tǒng)的 Boost電路工作在硬開關(guān)狀態(tài)，其特點是工作在不連續(xù)導電模式時，電感電流峰值正比于輸入電壓，輸入電流波形跟隨輸入電壓波形，因而控制簡單。但是缺點是開關(guān)不僅要通過較大的通態(tài)電流，而且關(guān)斷較大的峰值電流引起很大的關(guān)斷損耗，同時還會產(chǎn)生嚴重的電磁干擾。因此在Boost電路中采用軟開關(guān)技術(shù)不但可以提高開關(guān)頻率，而且可以解決開關(guān)開通與關(guān)斷損耗，容性開通，感性關(guān)斷和二極管反相恢復(fù)四大缺陷。然而在軟開關(guān)技術(shù)方面前人已經(jīng)提出好幾種電路，比如說諧振型變換器，準諧振變換器和零開關(guān)PWM變換器等電路，雖然在單相功率因數(shù)校正電路中采用這些電路可以提高功率因數(shù)和提高系統(tǒng)的效率，但是總體上并不理想。本文采用 Boost ZVT-PWM[1]變換電路，使其工作軟開關(guān)狀態(tài)，特點是工作在連續(xù)導電模式，優(yōu)點是功率開關(guān)管開通損耗和二極管的反向恢復(fù)損耗都大大降低，較之采用傳統(tǒng)硬開關(guān)控制技術(shù)的功率因素校正提高了一大步。通過電路仿真和實際電路設(shè)計，發(fā)現(xiàn)都可以很好達到功率因數(shù)校正的目的，而且顯著減少了功率管的開關(guān)損耗，抑制了電磁干擾，可獲得較高的效率。

2 幾種Boost軟開關(guān)電路介紹

2.1 Boost諧振變換器

Boost諧振變換器[1]利用諧振現(xiàn)象，開關(guān)器件中的電流可以減小到零以后而實現(xiàn)開關(guān)器件的關(guān)斷，這種變換器電路克服了功率開關(guān)管開關(guān)損耗隨開關(guān)頻率成正比提高的缺點，能使開關(guān)損耗減小，工作頻率提高，為高壓大功率開關(guān)電源的高頻化實現(xiàn)提供了可能。該類變換器實際上是負載諧振型變換器，按照諧振元件的諧振方式，分為串聯(lián)諧振變換器和并聯(lián)諧振變換器兩類。按負載與諧振電路的連接關(guān)系，諧振變換器可分為兩類:一類是負載與諧振回路相串連，稱為串聯(lián)負載諧振變換器；另一類是負載與諧振回路相并聯(lián)，稱為并聯(lián)負載諧振變換器。在諧振變換器中，諧振元件一直諧振工作，參與能量變換的全過程。該變換器與負載關(guān)系很大，對負載的變化很敏感，一般采用頻率調(diào)制方法。

2.2 Boost準諧振變換器

Boost準諧振變換器(Quasi-resonant converters，QRCs)和多諧振變換器(Multi-resonant converters，MRCs)，是軟開關(guān)技術(shù)的一次飛躍。這類變換器的特點是諧振元件參與能量變換的某一階段，不是全程參與。在變換器的開關(guān)管中加入一個諧振電感和一個諧振電容構(gòu)成諧振開關(guān)(Resonant switch)，根據(jù)開關(guān)管與諧振電感和諧振電容的不同組合，諧振開關(guān)可分為零電流諧振開關(guān)(Zero-current resonant switch)和零電壓諧振開關(guān)(Zero-voltage resonant switch)。根據(jù)諧振開關(guān)的用途，準諧振變換器分為零電流開關(guān)準諧振變換器和零電壓開關(guān)準諧振變換器。多諧振變換器是為了同時實現(xiàn)功率開關(guān)管和二極管的軟開關(guān)而發(fā)展起來的一種新型軟開關(guān)技術(shù)，可以降低二極管的開關(guān)損耗和開關(guān)管的電壓應(yīng)力，進一步提高效率。一般應(yīng)用零電壓多諧振變換器，因為它可以直接利用開關(guān)管和二極管的結(jié)電容，形成零電壓諧振開關(guān)QRCs和MRCS由于實現(xiàn)了開關(guān)管的軟開關(guān)，可以將開關(guān)頻率提高到幾 MHz甚至幾十MHz。但是由于它們的開關(guān)頻率是變化的，很難優(yōu)化設(shè)計濾波器，而且電壓和電流應(yīng)力很大[1]。

2.3 Boost零開關(guān)PWM變換器

Boost零開關(guān) PWM變換器[2]可分為零電壓開關(guān)PWM變換器(Boost ZVS-PWM)和零電流開關(guān)PWM變換器(Boost ZCS-PWN)。該類變換器是在準諧振變換器的基礎(chǔ)上，加入一個輔助開關(guān)管，來控制諧振元件的諧振過程，實現(xiàn)恒定頻率控制，即實現(xiàn)PWM控制。與準諧振變換器不同的是，諧振元件的諧振工作時間與開關(guān)周期相比短，一般為開關(guān)周期的1/10至1/50。

2.4 Boost諧振變換器

Boost諧振變換器(包括準諧振和多諧振變換器)的諧振電感和諧振電容一直參與能量傳遞，而且它們的電壓和電流應(yīng)力很大。而零開關(guān)PWM變換器中，雖然諧振元件不是一直諧振工作，但諧振電感卻串聯(lián)在主功率回路中，它的損耗較大，同時，開關(guān)管和諧振元件的電壓應(yīng)力和電流應(yīng)力與準諧振變換器的完全相同，為此提出了零轉(zhuǎn)換PWM變換器[2]。它可分為零電壓轉(zhuǎn)換PWM變換器(Boost ZVT-PWM)和零電流轉(zhuǎn)換PWM變換器(Boost ZCT-PWM)。這類變換器是軟開關(guān)技術(shù)的又一飛躍。它的特點是變換器工作在PWM方式下，輔助諧振電路只是在主開關(guān)管開關(guān)時工作一段時間實現(xiàn)開關(guān)管的軟開關(guān)，其它時候不工作，從而減小了輔助電路的損耗，而且輔助電路并聯(lián)在主功率回路中，輔助電路的工作不會增加主開關(guān)管的電壓和電流應(yīng)力，主開關(guān)管的電壓和電流應(yīng)力很小。下面重點分析Boost ZVT-PWM變換器。

3 Boost ZVT-PWM變換器主電路拓撲及工作原理

3.1 電路零轉(zhuǎn)換工作原理

Boost ZVT-PWM變換電路[2]如圖1所示，下面來分析所采用電路的工作原理和電路運行模式：Boost ZVT-PWM變換器不同于傳統(tǒng)的Boost變換器，圖1和圖2分別為它的電路圖及波形圖。Boost ZVT-PWM 變換器在傳統(tǒng)的 Boost 變換器基礎(chǔ)上增加了一個 ZVT 網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)由輔助開關(guān) QZVT、諧振電感Lr、諧振電容Cr及二極管D2和D3組成。電路工作時，輔助開關(guān)QZVT先于主開關(guān) QMAIN開通，使 ZVT 諧振網(wǎng)絡(luò)工作，電容Cr上電壓（即主開關(guān)QMAIN兩端電壓）下降到零，創(chuàng)造主開關(guān)QMAIN零電壓開通條件。

3.2 運行模式分析

假設(shè)輸入電感足夠大，可以用恒流源IIN代替，而輸出濾波電容足夠大，輸出端可用恒壓源VO代替。設(shè)T＜T0時，QMAIN和QZVT均關(guān)斷，D1導通，一個工作周期可分為七個工作模式[3]，其中每個工作模式可以等效一個電路。圖 2為Boost ZVT-PWM變換器工作波形圖。下面是一個周期內(nèi)Boost型ZVT-PWM變換器各個階段的運行模式分析，一周期內(nèi)7個運行模式的等效電路如圖3所示。

圖1 Boost ZVT-PWM 變換器主電路

圖2 Boost ZVT-PWM 變換器波形圖

（1）T0 ～T1Lr電流線形上升階段

t=T0，輔助開關(guān) Tr1開通，諧振電感電流 iLr線形上升，t=T1時達Is，二極管D的電流ID則由Is線形下降，t=T1時降到零電流下關(guān)斷。若采用快速恢復(fù)二極管，可忽略D的反向恢復(fù)電流。這一階段Vds不變，等效電路如圖3（a）。

（2）T1～T2諧振階段

LrCr諧振，電流iLr諧振上升，而電壓Vds由Vo諧振下降。T=T2時，Vds=0，Tr的反并聯(lián)二極管導通。等效電路如圖3（b）。

（3）T2～T3主開關(guān)Tr開通

由于Tr的體二極管已導通，創(chuàng)造了 ZVS條件，因此應(yīng)當利用這個機會，在t=T3時給Tr加驅(qū)動信號，使Tr在零電壓下導通，等效電路如圖3（c）。

（4）T3～T4iLr線形下降階段

t=T3，Tr1關(guān)斷，由于 D1導通，Tr1的電壓被鉗在V0值，Lr的儲能釋放給負載，其電流線形下降。T=T4時，iLr=0，等效電路圖如圖3（d）。

（5）T4～T5ids恒流階段

T=T4，D1關(guān)斷，這時Boost型ZVT-PWM變換器如同普通Boost型變換器的開關(guān)管導通的情況一樣，ids=Is，等效電路如圖3（e）。

（6）T5～T6Cr線形充電階段

t=T5，Tr關(guān)斷，恒流源Is對Cr線形充電，直至t=T6時，VCr=Vo。等效電路圖如3（f）。

（7）T6～T7續(xù)流階段

這個階段如同普通Boost型變換器開關(guān)管關(guān)斷的情況一樣，處于續(xù)流狀態(tài)，直到t=T0，下一周期開始，等效電路圖如圖3（g）。

圖3 Boost型ZVT-PWM變換器一周期內(nèi)各運行模式的等效電路

4 參數(shù)設(shè)計以及仿真驗算

4.1 電路參數(shù)設(shè)計

設(shè)計指標：單相交流輸入220 V，上下波動15%，輸出功率為2000 W，效率為90%，輸出電壓為380 V，變換器工作頻率為100 kHz。

4.2 仿真結(jié)果

在計算機仿真軟件Matlab的Simulink中建立仿真模型進行仿真[4]。仿真參數(shù)：Vin=220 V；L=200 μH；fk=100 kHz；Lr=4.7 μH；Cr=470 pF在 Matlab的 Simulink中仿真得到仿真圖如圖 3所示。

4.3 仿真結(jié)果分析

從圖4可以看出輸入電流較好的跟蹤了輸入電壓，達到了功率因數(shù)校正的目的。

5 結(jié)論

綜上所述：在單相功率因數(shù)校正電路中采用Boost ZVT-PWM 變換器，可以實現(xiàn)軟開關(guān)PFC。

圖4 輸入電壓電流仿真圖

實驗結(jié)果表明很好的達到功率因數(shù)校正的目的，而且減少了開關(guān)管的損耗，抑制了電磁干擾和提高了系統(tǒng)的效率。

[1] 王增福, 李旭, 魏永明. 軟開關(guān)電源原理與應(yīng)用[M].電子工業(yè)出版, 2006.

[2] 路秋生. 功率因素校正技術(shù)與應(yīng)用[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社,2006.

[3] M. L. Martins, J.L. Russi and H.L. Hey. Zero-voltage transition PWM converters: A Classification Methodology. IEE Proc.-Electr. 2005,152(2): 323-334.

[4] 林飛, 杜欣. 電力電子技術(shù)與 MATLAB仿真[M].北京: 中國電力出版社, 2005.