改進(jìn)型無橋Boost PFC 軟開關(guān)技術(shù)的研究*

曾怡達(dá)，楊岳毅，王寅浩

(西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，成都 610031)

隨著功率等級的提高和電流的增大，無橋拓?fù)湓谛噬嫌泻艽蟮膬?yōu)勢［1－4］，但它不能有效降低通態(tài)損耗，無法提高能量傳輸?shù)男省?/p>

為了降低無橋拓?fù)涞拈_關(guān)損耗和器件應(yīng)力，減小di/dt和dU/dt，常采用無源無損軟開關(guān)［5］方法，它是通過在主電路拓?fù)渲性黾佑奢^小的電感、電容和二極管組成無源電路網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)有源開關(guān)的零電壓關(guān)斷ZVS(Zero-voltage Switching)和零電流開通ZCS(Zero-Current Switching)。與有源軟開關(guān)技術(shù)相比，無源無損軟開關(guān)具有更高的可靠性和效率，不會增加控制電路的復(fù)雜度。

同最小電壓應(yīng)力相比，非最小電壓應(yīng)力軟開關(guān)技術(shù)具有更大的占空比范圍、開關(guān)管電流應(yīng)力小等優(yōu)點(diǎn)［6］，本文以非最小電壓應(yīng)力拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，提出了一種改進(jìn)型無橋Boost 拓?fù)?，本文對工作原理進(jìn)行了詳細(xì)的分析，同時給出了軟開關(guān)實(shí)現(xiàn)的條件和參數(shù)設(shè)計方法。

1 無源無損拓?fù)涞姆诸?/h2>

眾多不同的無源無損緩沖電路和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它們可以用一套屬性來描述。為此，可劃分為兩類:一類是最小電壓應(yīng)力單元(MVS)，如圖1(a)，圖1(b)所示;另一類是非最小電壓應(yīng)力單元(Non-MVS)，如圖1(c)，圖1(d)，圖1(e)所示。最小電壓應(yīng)力單元僅使用一個電感和電容值較小的電容就能使主開關(guān)管電壓應(yīng)力最小，但實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)的范圍不大;非最小電壓應(yīng)力單元增加了一個電感，同時也增加了主開關(guān)管的電壓應(yīng)力，但與最小電壓應(yīng)力單元相比，在同樣的電感和電容下，其軟開關(guān)范圍較大。而且，在小功率情況下，具有較高的效率［7］。

圖1 無源無損緩沖電路拓?fù)?/p>

無緣無損緩沖電路通過將開關(guān)期間的電壓與電流波形錯開，使二者的重疊面積最小，可以顯著降低開通和關(guān)斷損耗，提高電路整體效率［8］。根據(jù)以上無緣無損的優(yōu)點(diǎn)，本文選用如圖1(d)的非最小電壓應(yīng)力單元，將其應(yīng)用在改進(jìn)型無橋Boost PFC 電路［7］中，進(jìn)一步降低了主電路的開關(guān)損耗，提高了整體效率。

2 改進(jìn)型無橋Boost PFC 變換器軟開關(guān)技術(shù)

2.1 帶非最小電壓應(yīng)力軟開關(guān)的無橋Boost PFC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

如圖2所示，改進(jìn)型軟開關(guān)無橋Boost PFC 拓?fù)渚哂型☉B(tài)損耗低，電流采樣簡單，EMI 噪聲低等優(yōu)點(diǎn)。虛線框內(nèi)電路即為所改進(jìn)的最小電壓應(yīng)力無源軟開關(guān)電路。由于無橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以等效為兩個電源相反的Boost PFC 電路組合，磁性利用率更高。其基本原理是Lr和CS分別實(shí)現(xiàn)開關(guān)管VS 的零電流開通和零電壓關(guān)斷。Cr調(diào)節(jié)Lr上的能量，并且輔助CS復(fù)位;Cr比CS大得多，所以儲存在Cr中的能量在每個開關(guān)周期內(nèi)部完全回饋輸入和輸出端，并且它的端電壓可看作恒定的。LS將Cr的部分能量傳遞到輸出端。

圖2 帶非最小電壓應(yīng)力軟開關(guān)無橋Boost PFC

2.2 電路模態(tài)分析

下面對圖2所示非最小電壓應(yīng)力無橋Boost PFC 電路進(jìn)行模態(tài)分析，為便于分析，假設(shè)在一個開關(guān)周期內(nèi)，保持下面的條件，

(1)輸入電流可視為恒定不變;

(2)輸出電容足夠大，在每個開關(guān)周期可假設(shè)輸出電壓恒定。

在以上兩個條件下，分析當(dāng)輸入電壓為正半周期時的工作模態(tài)，圖3和圖4 分別給出了電路工作時的各個工作模態(tài)的等效電路和理論波形。該電路在一個工作周期內(nèi)可分為7個模態(tài)，詳細(xì)分析如下:

圖3 電路工作模式圖

模態(tài)1(t0～t1)軟開關(guān)導(dǎo)通階段。在t0時刻，開關(guān)管VS1開通，流過Lr中的電流iLr線性減小，流過VS1中的電流ivs線性增加，開關(guān)管的電流上升速率較慢，二極管VD0由于電流反向恢復(fù)而不能立刻關(guān)斷，電感Lr抑制了開關(guān)管電流的上升速率，為開關(guān)管VS1零電流開通提供了條件。在t2時刻，VD0完成反向恢復(fù)，其反向恢復(fù)電流的最大值為Irr。儲存在Ls中的能量為VD0的反向恢復(fù)電流。

模態(tài)2(t1～t2)在t1時刻，VD0關(guān)斷，Lr，Cs，Cr1通過VDs3和VS1開始諧振工作，Cr1放電，Cs充電，Cr1中的能量轉(zhuǎn)移到Cs中，iLr進(jìn)一步減小。在t2時刻，Cr1上的電壓UCs為零，為開關(guān)管VS1的零電壓關(guān)斷創(chuàng)造條件。因?yàn)長s比Lr大很多，該階段中Ls電流可看成恒定的。在t2時刻開關(guān)管VS1承受最大電流應(yīng)力:

模態(tài)3(t2～t4)Lr和Ls復(fù)位。t2時刻當(dāng)Cr1電壓降為0 后，VDs1導(dǎo)通。儲存在Lr中的能量釋放到Cs中，Lr和Ls的電流都下降。若Ls上的電流比Lr上的電流先降為0，則進(jìn)入模態(tài)3b 階段，Lr中的能量繼續(xù)釋放到Cs中直到t4時刻Lr上的電流降為0;否則進(jìn)入模態(tài)3c 階段。Ls上的電流是否比Lr上的電流先降到0 由下面的不等式?jīng)Q定:

模態(tài)4(t4～t5)軟開關(guān)電路停止工作，電路進(jìn)入正常的PWM 開通階段。軟開關(guān)電路在開關(guān)管VS1 開通過程的工作時間:

模態(tài)5(t5～t6)零電壓關(guān)斷。在模態(tài)5a 中，t5時刻開關(guān)管VS1兩端電壓UVS1為0，由于Cr的存在，開關(guān)管VS1零電壓關(guān)斷。開關(guān)管VS1關(guān)斷后，電流I 全部轉(zhuǎn)移到Cr1中，其兩端電壓迅速上升。當(dāng)Cr1的端電壓上升至U0UCs時，VDS0導(dǎo)通，進(jìn)入模態(tài)5b，然后進(jìn)入模態(tài)5c。除非電流I 非常小，模態(tài)5b和5c 的時間極短。在t6時刻Cr的端電壓升至U0+UCs，VDS3導(dǎo)通，進(jìn)入模態(tài)6，此時開關(guān)管VS1 承受最高電壓為U0+UCs。

模態(tài)6(t6～t7)該模態(tài)中，Lr和Ls上的電流繼續(xù)上升。在t7時刻Lr上的電流升至I，此時VDS1和VDS3自然關(guān)斷。

模態(tài)7(t7～t8)等待下一次VS1導(dǎo)通時，重復(fù)以上工作模態(tài)。主電路進(jìn)入下一個工作階段，開關(guān)管VS2將導(dǎo)通，電路工作情況同開關(guān)管VS1相同。本模態(tài)中，存儲在Cr中的部分能量通過LS回饋到輸出端。

軟開關(guān)電路在開關(guān)管VS1關(guān)斷過程的工作時間:

各個模態(tài)相應(yīng)的主要工作波形如圖4所示。

圖4 工作過程各模態(tài)的理論波形

3 無源無損軟開關(guān)電路的設(shè)計

整合開關(guān)管開通和關(guān)斷時的損耗，并忽略漏源寄生電源中儲存的能量，可得加入該非最小電壓應(yīng)力電路后開關(guān)管的總開關(guān)損耗［9］:

由式得，Cr和Lr的值越大，開關(guān)管的開關(guān)損耗越小，但是，由式知，Cr和Lr的值越大Tr－on和Tr-off越長，這就限制了占空比的大小。

式(6)中的Cr和Lr可以用諧振頻率ωr和諧振阻抗Zr:

由于ωr相對于時間是定值Tr－on和Tr-off有直接關(guān)系，假設(shè)Tr－on和Tr-off小于開關(guān)周期的某一比值kTS，0 ＜k ＜1，則可得到下式:

只要求出的k 就可以確定Cr和Lr的最優(yōu)值，從而確保Tr－on和Tr-off足夠小并能滿足軟開關(guān)。

4 仿真結(jié)果分析

為了驗(yàn)證原理的可行性，使用Saber 軟件仿真。參數(shù)設(shè)置如下:Cr=32 nF，Lr=3μH，Ls=46μH，Cs=6.8μF。輸入電壓范圍為:85 VAC～264 VAC，輸出電壓為385 VDC，開關(guān)頻率為100 kHz。仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5(a)和圖(b)所示，在開關(guān)管開通時刻，開關(guān)管的電流上升率明顯降低。關(guān)斷時開關(guān)管兩端的電壓上升率也得到了有效抑制。從圖5(c)中得:主電路具有很好的功率因數(shù)。

圖5 仿真波形

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文主電路采用圖2所示的帶非最小電壓應(yīng)力電路網(wǎng)絡(luò)的無橋Boost PFC 電路，采用IR1150 設(shè)計了300 W 的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，輸入電壓220 V，輸出電壓400 V，開關(guān)頻率為100 Hz，開關(guān)管采用不帶體二極管的IGBT(IRG4PC50W)，續(xù)流二極管采用快恢復(fù)二極管30ETP06，無源無損軟開關(guān)電路的參數(shù):Cr=32 nF，Lr=3μH，Ls=46μH，Cs=6.8μF。

實(shí)驗(yàn)波形見圖6(a)、圖6(b)，與圖5 中理論波形一致，實(shí)現(xiàn)了零電流開通和零電壓關(guān)斷。圖7為輸入電壓和輸入電流實(shí)驗(yàn)波形圖。

實(shí)驗(yàn)波形表明，該改進(jìn)的無橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，不僅具有很好的功率因數(shù)，而且與原無橋拓?fù)湎啾?，由于?shí)現(xiàn)了零電流開通和零電壓關(guān)斷，進(jìn)一步的降低了通態(tài)損耗，提高了能量傳遞效率。

圖6 開關(guān)管電壓電流波形

圖7 輸入電壓和電流波形

6 結(jié)論

本文在分析無源無損軟開關(guān)拓?fù)涞幕A(chǔ)上，設(shè)計了一種非最小電壓應(yīng)力的改進(jìn)型無橋Boost PFC拓?fù)?，該拓?fù)渚哂薪Y(jié)構(gòu)簡化、通態(tài)損耗低、能實(shí)現(xiàn)開關(guān)管零電流開通和零電壓關(guān)斷、同時實(shí)現(xiàn)續(xù)流二極管零電壓導(dǎo)通。結(jié)果驗(yàn)證了理論的可行性。

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