基于Pspice的Boost-ZVT變換器的仿真研究

李一鳴

(湖南理工學院 計算機學院, 湖南 岳陽 414006)

基于Pspice的Boost-ZVT變換器的仿真研究

李一鳴

(湖南理工學院 計算機學院, 湖南 岳陽 414006)

討論了功率因數(shù)校正電路—Boost-ZVT變換器. 區(qū)別于以往的Boost變換器, 它實現(xiàn)了主開關管的軟關斷, 減少了開關損耗. 并利用Pspice軟件對主電路進行了仿真, 仿真結(jié)果表明Boost-ZVT變換器在功率因數(shù)校正設計中具有良好的的效果, 而且有很高的實用價值.

功率因數(shù)校正; Boost-ZVT; 仿真

引言

由整流二極管和濾波電容組成的整流濾波電路應用十分普遍, 價格低廉、可靠性高是它的突出優(yōu)點, 但是它對電網(wǎng)的諧波污染卻十分嚴重, 由整流二極管和濾波電容組成的整流濾波電路主要存在如下的問題[1]:

1. 啟動時產(chǎn)生很大的沖擊電流, 約為正常工作電流的十幾倍至數(shù)十倍;

2. 正常工作時, 由于整流二極管導通角很小, 形成一個幅度很高的窄脈沖, 電流波峰因數(shù)(CF)高、電流總諧波畸變率(THD)通常超過100%, 同時引起電網(wǎng)電壓波形的畸變;

3. 功率因數(shù)(PF)低, 一般約為0.5～0.6.

大量應用整流電路, 使供給電網(wǎng)產(chǎn)生了嚴重畸變的非正弦電流, 輸入電流中除含有基波外, 還含有很多的奇次、高次諧波分量, 這些高次諧波倒流入電網(wǎng), 引起嚴重的諧波“污染”, 造成嚴重危害. 為了減少AC/DC變流電路輸入端諧波電流造成的噪聲和對電網(wǎng)產(chǎn)生的諧波“污染”, 以保證電網(wǎng)供電質(zhì)量, 提高電網(wǎng)的可靠性, 同時也為了提高輸入端功率因數(shù), 以達到節(jié)能的效果, 必須限制AC-DC電路的輸入端諧波電流分量. 由此可知提高功率因數(shù)在AC/DC開關電源應用中具有重大的意義.

1 Boost ZVT-PWM變換器主電路拓撲及工作原理

1.1 Boost ZVT-PWM變換器工作原理

Boost ZVT-PWM變換電路[2]如圖1所示. Boost ZVT-PWM變換器不同于傳統(tǒng)的Boost 變換器[1], 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 變換器基礎上增加了一個ZVT網(wǎng)絡, 該網(wǎng)絡由輔助開關諧振電感諧振電容及二極管組成. 電路工作時, 輔助開關先于主開關開通, 使ZVT 諧振網(wǎng)絡工作, 電容上電壓(即主開關兩端電壓)下降到零,創(chuàng)造主開關QMAIN零電壓開通條件.

圖1 峰值電流模式控制PWM原理圖

1.2 運行模式分析

假設輸入電感足夠大, 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V0代替.設t ＜ t0時, QMAIN和QZVT均關斷, D1導通, 一個工作周期可分為七個工作模式[2]. 圖2為電路工作波形圖, 現(xiàn)分析如下:

圖2 Boost ZVT-PWM 變換器波形

1) t0～t1. 在t0之前, 主開關QMAIN和輔助開關QZVT關斷, 二極管D1導通, 負載電流全部流過D1.在t0時刻, 輔助開關QZVT導通, 隨著QZVT的開通,諧振電感Ir中的電流線性上升到IIN. 而二極管D1中的電流線性下降至零, 二極管D1零電流關斷, 即實現(xiàn)了二極管的軟關斷. 而在實際電路中, 二極管D1需要經(jīng)歷反向恢復以除結(jié)電荷. 此時, ZVT諧振電感Ir上的電壓為V0.

2) t1～t2. 在t1時刻, 諧振電感Lr中的電流線性上升到IIN, Lr和Cr開始諧振. 在諧振周期內(nèi), Cr放電直到電壓為零. 漏極電壓變換率ddut由Cr控制, Cr實際上是CDS與COSS的和. 在Cr放電的同時, 諧振電感中的電流則持續(xù)上升. 漏極電壓降至零所需的時間長度應是諧振周期的四分之一. 在諧振周期結(jié)束時, 主開關管的體二極管開通. 這一期間結(jié)束時, QMAIN的體二極管開通.

3) t2～t3. 這一期間開始時, 主開關QMAIN的漏極電壓降到零, 其體內(nèi)二極管開通. 流過體二極管的電流由ZVT電感提供. 由于電感兩端的電壓為零, 因此二極管處于續(xù)流狀態(tài). 而與此同時, 主開關管實現(xiàn)了零電壓開通.

4) t3～t4. 在t3時刻, 控制電路感應到主開關管QMAIN的漏極電壓降為零時開通主開關管QMAIN, 同時關斷輔助開關管QZVT. 在輔助開關管QZVT關斷后, Lr中的能量通過二極管D2向負載傳輸.

5) t4～t5. 在t4時刻, D2中的電流下降到零, 此時電路的工作狀態(tài)與普通的升壓變換器相同. 而實際當中, Lr將與輔助開關管QZVT的結(jié)電容COSS發(fā)生諧振, 使二極管D1陽極電壓為負.

6) t5～t6. 這個階段電路的工作過程和普通的Boost升壓變換幾乎完全一致, 主開關管QMAIN關斷, 其漏-源結(jié)電容被充至V0, 主二極管D1開始向負載供電. 由于一開始結(jié)電容使漏極電壓為零, 因此主開關管QMAIN的關斷損耗大大降低.

7) t6～t0. 這個階段處于續(xù)流狀態(tài), 二極管D1導通, 電路通過電感L為負載提供能量.

2 Boost ZVT-PWM變換器主電路參數(shù)計算

設計指標: 單相交流220±10%V, 輸入頻率50Hz/60Hz, 輸出電壓為直流380V, 變換器效率大于95%,功率因數(shù)大于98%.

2.1 升壓電感L的計算

最大峰值電流出現(xiàn)在電網(wǎng)電壓最小, 負載最大時[3]

假設容許20%的電流脈動, 則有

在最低線電壓時Boost變換器最小占空比

2.2 輸出濾波電容C0的選擇

輸出電容C0由兩個因數(shù)決定[3], 第一: 保持時間tH; 第二: 輸出電壓紋波的大小. 輸出電容由容許的輸出最大紋波電壓決定, 輸出紋波電壓頻率為2倍的基頻率, 設容許的最大輸出紋波電壓為

故可取C0= 2200. Fμ

2.3 諧振電感Lr的設計

諧振電感通過為升壓電感電流提供交替的電流通路控制著二極管的二極管的反向恢復時間是關閉時的局部函數(shù), 如果所控制的設定, 該二極管的反向恢復時間可近似估算出大約為60ns. 如果電感限制上升時間到因為

2.4 諧振電感 Lr 的設計

3 Boost ZVT-PWM變換器主電路參數(shù)計算

為了驗證主電路設計的可行性和參數(shù)選擇的正確性, 利用Pspice軟件對該主電路進行仿真和分析[5].

圖3為Boost ZVT-PWM變換器的Pspice仿真模型圖. 根據(jù)前面的理論計算, 最后的仿真參數(shù)為: 輸入電壓Vin為單相220V, 升壓電感L為470μH , 諧振電感Lr為8.3μ H, 諧振電感Cr為479pF, 輸出濾波電容C0為2200μF, 開關頻率f為100kHz.

圖3 Boost型ZVT-PWM Pspice仿真模型

圖4 為主開關管Tr和輔助開關管Tr1的驅(qū)動波形圖, 圖中顯示了主開關管Tr是在輔助開關管Tr1關斷后才開通的, 而且輔助開關管導通時間很短, 顯著地減少了開關管Tr1的損耗.

圖5為主開關管Tr驅(qū)動波形Vgs, 漏源電流波形Ids以及漏源電壓Vds仿真波形圖. 圖中我們可以看到主開關管在開通前先有電流反向流過其體內(nèi)二極管, 使漏極電壓箝位到零, 再加驅(qū)動脈沖從而實現(xiàn)零電壓開通. 當驅(qū)動脈沖變?yōu)榱銜r, 由于主開關管漏源極兩端并聯(lián)著諧振電容, 使得主開關管漏源兩端的電壓緩慢上升, 從而實現(xiàn)零電壓關斷.

圖4 主開關管Tr和輔助開關管Tr1驅(qū)動波形

圖5 主開關管Tr驅(qū)動波形、漏源電流波形和電壓波形

從圖6中我們清楚地看到輸入電流很好跟隨交流輸入電壓, 實現(xiàn)了功率因數(shù)校正的目的.

4 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PFC. 仿真結(jié)果表明該變換器能很好地達到功率因數(shù)校正的目的, 而且減少了開關管的損耗, 抑制了電磁干擾和提高了系統(tǒng)的效率.

圖6 輸入交流電壓和交流波形

[1] 周志敏, 周紀海, 紀愛華. 開關電源功率因數(shù)校正電路設計與應用[M]. 北京: 人民郵電出版社, 2004

[2] 胡雪梅, 孫旭松. 有源功率因數(shù)校正技術(shù)及發(fā)展[J]. 電氣時代. 2006(4): 116～118

[3] Jong-Lick Lin, Member, IEEE, and Chin-Hua Chang.Small-signal modeling and control ofZVT-PWMboost converter[J]. IEEE Transaction on Inductrial Electronics. 2003, (1): 210

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[5] 吳建強. Pspice仿真實踐[M]. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學出版社, 2001

The Simulation Research of Boost-ZVT Converter Based on Pspice

LI Yi-ming
(College of Computer Science, Hunan Institute of Science and Technology, Yueyang 414006, china)

This paper focuses on the power factor correction circuit—Boost-ZVT converter. Distinguished from the past Boost converter, the Boost-ZVT converter, it implements the main switch of the soft turn-off, reducing switching losses. Finally, Pspice software is carried out the main circuit simulation. The simulation results show that Boost-ZVT converter has a good effect in power factor correction design, but also a high practical value.

PFC; Boost-ZVT; simulation

TP311

A

1672-5298(2010)03-0034-05

2010-05-27

李一鳴(1979- ), 女, 湖南岳陽人, 碩士, 湖南理工學院計算機學院講師. 主要研究方向: 計算機硬件及DPS技術(shù)