一種改進的ZCT無橋功率因數(shù)校正電路設計

李彥斌，張安堂，韓 闖，王君力

（空軍工程大學防空反導學院，西安 710051）

電力電子裝置的廣泛使用給電網(wǎng)帶來了嚴重的諧波污染，增加了電網(wǎng)損耗，嚴重影響了電網(wǎng)質量［1-3］。如何消除電網(wǎng)諧波、提高電網(wǎng)效率和電網(wǎng)容量已經(jīng)成為國內外研究的重點。功率因數(shù)校正PFC（Power Factor Correction）技術因為能夠使輸入電流的相位和形狀跟蹤輸入電壓，從而消除電網(wǎng)諧波、提高電網(wǎng)功率因數(shù)，已經(jīng)成為了電力電子技術研究的熱點［4-6］。

傳統(tǒng)的全橋功率因數(shù)校正電路如圖1所示，主要由整流橋和Boost變換器組成。然而隨著輸出功率的增加，整流橋的二極管的壓降將會嚴重影響PFC電路的效率［7-8］。無橋PFC電路通過減少半導體器件的數(shù)量，從而減少PFC電路的損耗，提高PFC電路的效率，因而得到了廣泛地研究［9-10］。為了進一步提高PFC電路的效率，軟開關技術因其能夠降低開關損耗而被大量應用到了PFC電路中。文獻［11］中提出的軟開關無橋PFC電路雖然實現(xiàn)了主開關的零電壓導通，但是其關斷過程卻是典型的硬關斷；文獻［12］中，主開關實現(xiàn)了零電流關斷，但是增加了主開關的電流應力。文獻［13］中提出的改進的無橋功率因數(shù)校正電路，在滿載時的效率最高可達98%，不適適應用大功率場合。文獻［14］中提出的改進型雙升壓功率因數(shù)校正電路，其輸出功率比文獻［13］中設計的電路輸出功率高，但是電路的效率有所下降。

本文在無橋軟開關PFC電路的基礎上，提出了一種改進的零電流轉換ZCT（Zero Current Transi?tion）開關的無橋PFC電路。該無橋PFC電路減少了半導體器件的數(shù)量，并且實現(xiàn)了主開關和輔助開關的零電流導通和零電流關斷，減小了PFC電路的損耗，提高了PFC電路的效率。

圖1 傳統(tǒng)的全橋功率因數(shù)校正電路

1 拓撲結構及工作原理

1.1 改進ZCT無橋PFC的拓撲結構

改進ZCT無橋PFC電路的拓撲結構如圖2所示。該電路用兩個IGBT開關管S1、S2取代了傳統(tǒng)整流橋中的兩個整流二極管，D1、D2為開關管IGBT的內置續(xù)流二極管。虛線框內為改進ZCT的諧振回路，由輔助開關管Sr、諧振電感Lr、諧振電容Cr、輔助整流二極管Dr以及Sr反并的二極管Dx組成。

圖2 基于改進型ZCT無橋PFC電路

當輸入電壓UAC＞0時，二極管Sa導通，Sb截止，諧振回路與開關管S1構成ZCT軟開關，開關管S2關斷，S2的內置二極管D2處于續(xù)流狀態(tài)。升壓電感L、開關管S1和輔助諧振回路、二極管D1、S2的內置二極管D2一起構成Boost升壓PFC電路。當輸入電壓UAC＜0時，工作過程與之類似。因此僅對UAC＞0時電路的工作模態(tài)進行分析。

圖3 UAC＞0時改進ZCT無橋PFC電路的工作過程

為了簡化分析，作如下假設：①所有元器件都是理想元件；②由于開關頻率遠大于輸入電壓的工頻頻率，升壓電感L足夠大，故在一個開關周期內，輸入電壓源UAC及升壓電感可以用恒流源Ii代替；③濾波電容C足夠大，故在一個開關周期內濾波電容C和負載R可以等效為一個恒壓源。

該電路在一個工作周期內可分為10個工作模態(tài)，詳細分析如下：工作波形如圖4所示。設初始狀態(tài)時（t0時刻），主開關管S1處于截止狀態(tài)，升壓電感L通過二極管VD1向負載放電，輔助諧振回路不工作，電路工作在常規(guī)PWM模式。諧振電感Lr上的電流iLr(t0)=0，諧振電容Cr上的電壓VCo=IiZr。

圖4 電路的工作波形

2 電路的分析與設計

2.1 主開關管零電流關斷的條件

2.2 諧振元件Lr、Cr的選取

為了不影響主開關的正常工作，諧振電路的諧振周期不能太長，否則將延長主開關的工作周期，或者影響主開關的零電流關斷的條件，一般要求諧振周期為，

由式（35）、式（36）可以確定出合適的諧振電感值和諧振電容值。

2.3 開關管的損耗分析

諧振回路的加入實現(xiàn)了主開關管的零電流導通和零電流關斷，大大減小了主開關管的導通損耗和關斷損耗。相對于硬開關而言，諧振回路的諧振卻會增加主開關管的通態(tài)損耗。主開關的通態(tài)損耗為，

通常情況下，諧振回路增加的通態(tài)損耗要遠小于在硬開關下的導通損耗和關斷損耗。

2.4 升壓電感和濾波電容的選擇

升壓電感值的取值決定了輸入電流的紋波，因此采用限制電流脈動的原則來確定升壓電感的值?？紤]最差情況，當輸出功率達到額定功率，電感電流的紋波為峰值電流的20%時，升壓電感的取值為，

濾波電容取值主要由輸出功率、輸出電壓和電壓紋波決定，其典型值為1μF/W～2μF/W。通常，在設計濾波電容時還應兼顧到輸出電壓的保持時間，保持時間與濾波電容的關系式為

式中，Δt為保持時間，Vomin為輸出電壓的最小值，通常要求在輸出電壓的10%以內。

3 仿真與實驗驗證

在MATLAB軟件中搭建了改進ZCT無橋PFC電路模型，對電路進行仿真驗證。仿真的條件為：輸入電壓為220 V市電，輸出電壓400 V，輸出功率1 000 W，主開關管工作頻率100 kHz，仿真結果如圖7所示。

從圖5（a）中可以看出，該PFC電路在仿真條件下實現(xiàn)了輸入電流對輸入電壓的良好跟蹤，功率因數(shù)為0.992，且輸入電流的紋波較小。從圖5（b）中可以看出，輸入電流的諧波成分小，諧波畸變率THD=8.7%，有效地抑制輸入電流中的諧波。

圖5 電路的仿真結果

為了驗證理論分析和仿真結果，制作一臺輸入電壓為220 V市電，輸出電壓400 V，輸出額定功率為1000 W，工作頻率為100 kHz的改進型ZCT無橋PFC樣機。其參數(shù)為：主開關管S1、S2選用IXGH10N60A；輔助開關管Sr選用IRG4BC30UD；二極管VD1、VD2選用DSEI12-10A；二極管Sa、Sb選用MUR360；二極管Dr選用MUR860；升壓電感L為1.2 mH濾波電容C為2 000 μF/500 V；諧振電感Lr為5.2 μH；諧振電容Cr為4.3 nH/1 000 V。

電路采用CCM控制模式，控制電路由TI公司的UCC3818控制芯片及其外圍控制電路，兩片單穩(wěn)態(tài)集成芯片CD4098以及驅動電路構成。CD4098作用是利用UCC 3818產(chǎn)生的PWM控制信號來產(chǎn)生輔助開關管的控制信號。

圖6為輸入電壓為220 V，輸出電壓為400 V，輸出額定功率為1000 W時輸入電壓和輸入電流的波形。該工作條件下，電路的功率因數(shù)為0.987，諧波畸變率為10.1%，實現(xiàn)了輸入電流對輸入電壓的良好跟蹤。

圖6 輸入電壓波形和輸入電流波形

圖7（a）為主開關管開關過程中的電壓電流波形，圖7（b）為輔助開關管開關過程中的電壓電流波形。從圖中可以看出，主開關管和輔助開關管的開通和關斷都是在零電流下完成的，有效減小了開關管的損耗。

圖8為文獻［13］中設計的改進無橋Boost功率因數(shù)校正電路的效率η和功率因數(shù)λ值的變化曲線，該樣機輸入為85 VAC～265 VAC，輸出為400 V/300 W，由圖8分析可知，在全電壓范圍內，效率η保持在92.5%以上，最大可達98%。

圖7 主開關管和輔助開關管的關鍵波形

圖8 電路效率η和功率因數(shù)λ值的變化曲線

圖9為本文所設計的改進ZCT無橋PFC電路與全橋PFC電路的效率對比關系圖，樣機輸入電壓為220 V，輸出電壓為400 V，工作頻率為100 kHz。從圖中可以看出，在額定功率范圍內，改進ZCT無橋PFC電路的效率高達98.15%，要明顯高于全橋PFC電路，同時也高于文獻［13］中所設計功率因數(shù)校正電路的最大效率98%，且輸出功率為1 000 W，電路效率獲得了顯著提高，該功率因數(shù)校正電路適用于大功率場合。

圖9 效率與輸出功率的關系

圖10為輸入電壓為220 V，輸出電壓為400 V，輸出額定功率1 000 W時，工作頻率變化時，改進ZCT無橋PFC電路與全橋PFC電路的效率對比。當頻率由50 kHz增加到150 kHz，ZCT無橋PFC電路的效率略有下降，而全橋PFC電路當工作頻率超過120 kHz時，效率下降明顯。

圖10 效率與工作頻率的關系

4 結論

提出了一種改進型ZCT無橋PFC電路，實現(xiàn)了主開關管和輔助開關管的零電流導通和零電流關斷。本文對提出的PFC電路進行了工作模態(tài)、工作條件和損耗分析。最后通過仿真和實驗表明，該PFC電路相對于傳統(tǒng)全橋PFC電路效率有顯著的提高，相比于其他的功率因數(shù)校正電路的效率也有所提高，與理論分析相符，并且適用于大功率場合。

［1］吳新科，張軍明，錢照明，等.互補控制的有源鉗位型零電壓開關功率因數(shù)校正器［J］.電工技術學報，2011，26（2）：132-128.

［2］Hussain S.Athab，Dylan Dah-Chuan Lu.A High-Efficiency AC/DC Converter with Quasi-Active Power Factor Correction［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2010，25（5）：1103-1109.

［3］賁洪奇，王大慶，孟濤，等.基于輔助繞組的單級橋式PFC變換器紋波抑制策略［J］.電工技術學報，2013，28（4）：58-64.

［4］潘飛蹊，涂祺鎧，梁昆凱，等.一種Boost型PFC電路在DCM下的恒頻控制方案［J］.電子器件，2011，34（4）：453-458.

［5］高潮，陸治國.一種新穎有源功率因數(shù)校正開關變流器電路的設計［J］.電工技術學報，2008，23（4）：98-103.

［6］Burak Ak?n，Hac? Bodur.A New Single-Phase Soft-Switching Power Factor Correction Converter［J］.IEEE Transactions on Pow ?er Electronics，2011，26（2）：436-443.

［7］Choi W Y，Kwon J M，Kwon B H.Bridgeless Dual-Boost Rectifier with Reduced Diode Reverse-Recovery Problems for Power-Fac?tor Correction［J］.IET Power Electron，2008，1（2），194-202.

［8］郭睿東，張晶晶，劉搖欣，等.一種功率因數(shù)數(shù)字化測量算法的設計與實現(xiàn)［J］.電子器件，2014，37（4）：750-753.

［9］王議鋒，徐殿國，徐博，等.圖騰柱式無橋零紋波交錯并聯(lián)Boost功率因數(shù)校正器［J］.電工技術學報，2011，26（9）：175-182.

［10］Ismail E H.Bridgeless SEPIC Rectifier with Unity Power Factor and Reduced Conduction Losses［J］.IEEE Transactions on Indus?trial Electronics，2009，56（4）：1147-1157.

［11］Wang C M.A Novel Zero-Voltage-Switching PWM Boost Rectifier with High Power Factor and Low Conduction Losses［J］.IEEE Trans Ind Electron，2005，52（2），427-435.

［12］Zhang Junming，Xie Xiaogao，Wu Xinke，et al.A Novel Zero-Cur?rent-Transition Full Bridge DC/DC Converter［J］.IEEE Transac?tions on Power Electronics，2006，21（2）：354-360.

［13］李鎮(zhèn)福，林維明.一種改進的無橋Boost功率因數(shù)校正電路［J］.電力電子技術，2012，46（2）：96-98.

［14］胡瑋，康勇，王學華，等.一種改進型雙升壓功率因數(shù)校正電路［J］.電機與控制學報，2013，17（3）：40-48.

李彥斌（1990-），男，漢族，陜西府谷縣人，空軍工程大學，碩士研究生，研究方向為電力電子及電力傳動，924099918@qq.com；

韓 闖（1989-），男，漢族，河南駐馬店人，空軍工程大學，碩士研究生，研究方向為電力電子的電磁兼容；

張安堂（1960-），男，漢族，陜西戶縣人，空軍工程大學，副教授，研究方向為電力電子及電力傳動、開關電源技術，zhangantang@163.com；

王君力（1991-），男，漢族，山東威海人，空軍工程大學，碩士研究生，研究方向為開關電源技術。