無整流橋Boost PFC軟開關(guān)電路的研究

李方元，楊　艷，劉曉東，王景兵

(青島大學(xué) 自動(dòng)化工程學(xué)院，山東 青島 266071)

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無整流橋Boost PFC軟開關(guān)電路的研究

李方元，楊艷，劉曉東，王景兵

(青島大學(xué) 自動(dòng)化工程學(xué)院，山東 青島 266071)

摘要:在硬開關(guān)條件下，功率器件的開關(guān)頻率越高，其開關(guān)損耗越大，致使變流電路的效率降低，并且功率器件的發(fā)熱量增大，溫升提高，這極大限制了變換電路在大功率場合的應(yīng)用。據(jù)此，文章研究了無整流橋Boost軟開關(guān)PFC電路。該電路省去了傳統(tǒng)PFC電路中的整流橋，導(dǎo)通元件減少，導(dǎo)通損耗降低。同時(shí)，該電路引入了諧振網(wǎng)絡(luò)，僅用一個(gè)有源輔助開關(guān)管實(shí)現(xiàn)了主功率開關(guān)管的軟開關(guān)狀態(tài)，輔助開關(guān)管也工作在軟開關(guān)狀態(tài)，提高了電路的效率。文中分析了主拓?fù)涞墓ぷ髟砑捌涮匦裕⑦M(jìn)行了仿真試驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了理論分析的正確性。

關(guān)鍵詞：無輸入整流橋；功率因數(shù)；軟開關(guān)

0　引　言

電力電子器件的高頻化發(fā)展，促使電力電子裝置在電網(wǎng)中得到大量應(yīng)用，然而由其導(dǎo)致的電網(wǎng)諧波污染和無功功率污染也引起了人們的普遍關(guān)注。在各種單相PFC電路中，Boost電路具有輸入電流連續(xù)、電路結(jié)構(gòu)簡單、變換效率高等優(yōu)點(diǎn)，因而應(yīng)用廣泛。

在硬開關(guān)狀態(tài)下，功率器件開關(guān)損耗大，降低了電路的變換效率。續(xù)流二極管的反向恢復(fù)問題也給電路的正常工作造成干擾。因此本文討論了無整流橋Boost軟開關(guān)電路，軟開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的引入使兩個(gè)主開關(guān)管均工作在軟開關(guān)狀態(tài)，并且兩個(gè)開關(guān)管共用一個(gè)輔助開關(guān)。此種設(shè)計(jì)降低了主開關(guān)管的開關(guān)損耗，提高了開關(guān)管的開關(guān)頻率。同時(shí)，使二極管的反向恢復(fù)不再干擾電路的正常工作，降低了電路的EMI，提高了電路的變換效率。

1　無整流橋Boost PFC軟開關(guān)電路的工作原理

無整流橋Boost PFC軟開關(guān)電路的主拓?fù)淙鐖D1所示。此電路由整流電路、升壓電路和諧振網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。輸入電感L，主開關(guān)管S1、S2，續(xù)流二極管D1、D2與輸出濾波電容Co在電感電流連續(xù)狀態(tài)下，可實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正；輔助開關(guān)管S3、二極管D3～D6、諧振電感Lr與諧振電容Cr構(gòu)成軟開關(guān)網(wǎng)絡(luò)，使主開關(guān)管S1、S2與續(xù)流二極管D1、D2均工作在軟開關(guān)狀態(tài)。同時(shí)，輔助開關(guān)管S3也工作在軟開關(guān)狀態(tài)。

圖1 無整流橋BoostPFC軟開關(guān)電路的主拓?fù)?/p>

2　軟開關(guān)工作過程

鑒于電路結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，只分析電路工作在工頻正半周內(nèi)主開關(guān)管S1和續(xù)流二極管D1的換流過程。每周期的工作過程可分為7個(gè)模態(tài)，其工作模態(tài)如圖2所示。軟開關(guān)實(shí)現(xiàn)過程具體如下：

(1)開關(guān)模態(tài)1 [t0～t1]

圖2 軟開關(guān)電路工作模態(tài)

在t0時(shí)刻之前，所有的開關(guān)管均處于關(guān)斷狀態(tài)，續(xù)流二極管D1導(dǎo)通，輸入電感電流等于續(xù)流二極管D1上的電流。此時(shí)，電路工作在由二極管D1和S2的反并聯(lián)二極管導(dǎo)通續(xù)流的普通升壓電路的狀態(tài)。

t0時(shí)刻，觸發(fā)開關(guān)管S3開通。此時(shí)，續(xù)流二極管D1向諧振電感Lr和輔助開關(guān)管S3換流。通過電感Lr的電流呈線性緩慢增長，因此，開關(guān)管S3的開通近似于零電流開通。隨著諧振電感電流的線性增長，續(xù)流二極管D1的電流則隨之緩慢下降。因此，續(xù)流二極管D1的關(guān)斷實(shí)現(xiàn)了軟關(guān)斷，其反向恢復(fù)損耗也因此降低。

為便于理論分析計(jì)算，假設(shè)通過輸入電感的電流不變，即iL。

則諧振電感電流為：

(1)

諧振電容電壓為：

(2)

(3)

(2) 開關(guān)模態(tài)2[t1～t2]

在t1時(shí)，續(xù)流二極管D1關(guān)斷。與此同時(shí)，諧振電感Lr與電容Cs1發(fā)生串聯(lián)諧振，諧振回路為Lr-D3-S3-Cs1。諧振過程中，電容Cs1放電，而諧振電感Lr的電流則持續(xù)增大。至t2時(shí)，電容Cs1的端電壓降為零。與此同時(shí)， S1的體內(nèi)二極管開始準(zhǔn)備導(dǎo)通。這一階段諧振電感Lr的電流為：

(4)

電容Cs1的電壓為：

(5)

(6)

諧振電容Cr的電壓為：

(7)

式中，

(8)

電容CS1上的端電壓在t2時(shí)降為零。同時(shí)，諧振電感Lr上的電流值增至最大，且

(9)

(3)開關(guān)模態(tài)3[t2～t3]

t2時(shí)，電容CS1上的電壓降為零，于是S1的體內(nèi)反并聯(lián)二極管導(dǎo)通，主開關(guān)管S1的端電壓被鉗位至約-0.7 V。此時(shí)，主開關(guān)管S1的開通可以近似為零電壓開通。此階段，諧振電感Lr的電流為：

(10)

諧振電容Cr的電壓為：

(11)

(4)開關(guān)模態(tài)4[t3～t4]

t3時(shí)，輔助開關(guān)管S3關(guān)斷。因?yàn)橹C振電容Cr的電壓不能突變，所以輔助開關(guān)管S3的電壓緩慢上升，因此S3的關(guān)斷特性得到改善。此刻，諧振電感Lr、諧振電容Cr及二極管D5發(fā)生串聯(lián)諧振。輔助二極管D5因其開通前端電壓為零，所以輔助二極管D5的開通可視為零電壓開通。

在此過程中，

(12)

(13)

(14)

式中，

(15)

在諧振過程中，Lr存儲(chǔ)的能量轉(zhuǎn)移至諧振電容Cr中。若Cr的端電壓值大于輸出電壓Uo的值，則電容的電壓將被鉗位于輸出電壓Uo。

(5)開關(guān)模態(tài)5 [t4～t5]

t4時(shí)，諧振電感Lr的電流降為零。因此，流過輔助二極管D5的電流在此時(shí)也變?yōu)榱?。所以二極管D5的關(guān)斷可看做零電流關(guān)斷。此時(shí)，觸發(fā)主開關(guān)管S1開通。在這一階段，軟開關(guān)網(wǎng)絡(luò)處于不工作狀態(tài)。電路的工作過程類似于單開關(guān)升壓電路。

電路的相關(guān)方程為：

(16)

(6)開關(guān)模態(tài)6[t5～t6]

在t5時(shí)，主開關(guān)管S1關(guān)斷，輸入電感L上的電流開始對(duì)電容CS1進(jìn)行充電。主開關(guān)管S1兩端的電壓呈線性增長(從零開始緩慢上升)并等于電容CS1上的電壓。與此同時(shí)，諧振電容開始放電。至t6時(shí)刻，電容CS1的電壓上升到Uo,而諧振電容的電壓則降為零。此刻，續(xù)流二極管D1開通，輔助二極管D3與D6關(guān)斷。因此，二極管D1的開通為零電壓開通，D3與D6的關(guān)斷則為零電壓關(guān)斷。若諧振電容的電壓為輸出電壓，則

(17)

(18)

(7)開關(guān)模態(tài)7 [t6～t7]

電感L的電流經(jīng)續(xù)流二極管D1向負(fù)載續(xù)流。此過程中，軟開關(guān)網(wǎng)絡(luò)不參與工作。

在此過程中：

(19)

至t7時(shí)刻，輔助開關(guān)管S3導(dǎo)通。進(jìn)入下一個(gè)開關(guān)階段。

因?yàn)殡娐方Y(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，主開關(guān)管S2、續(xù)流二極管D2的開關(guān)過程與主開關(guān)管S1、續(xù)流二極管D1的開關(guān)過程類似，不再討論。

3　控制電路的設(shè)計(jì)

本電路的PFC電路采用平均電流模式控制，電路工作在CCM(電感電流連續(xù)模式)下。在交流輸入的正半周，主開關(guān)管S1工作，并且主開關(guān)管S2的體內(nèi)反并聯(lián)二極管導(dǎo)通，因此主開關(guān)管S2有門極信號(hào)也不影響電路的正常工作。同樣的道理在交流輸入的負(fù)半周，給主開關(guān)管S1施加門極信號(hào)，對(duì)電路的工作也無影響。因此，主開關(guān)管S1和S2的驅(qū)動(dòng)信號(hào)可同時(shí)給出。輔助開關(guān)管S3的驅(qū)動(dòng)信號(hào)可由主開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)移相得到。

4　實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)分析計(jì)算，試驗(yàn)電路的相關(guān)參數(shù)如下：輸入電壓為220 VAC,輸出電壓為400 V，輸入電感L=1 mH,諧振電感Lr=10 μH,諧振電容Cr=10 nF,輸出濾波電容Co=10 μF。試驗(yàn)波形如圖4所示。由圖4(a)可知主開關(guān)管S1的開通與關(guān)斷均處于軟開關(guān)狀態(tài)；圖4(b)為主開關(guān)管S1的門極電壓與續(xù)流二極管D1的電壓波形，由圖可得D1關(guān)斷后S1開通，所以二極管的反向恢復(fù)電流所帶來的問題得以解決；由圖4(c)可以看出電路實(shí)現(xiàn)了較好的PFC。該試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了理論分析的正確性。

圖4 試驗(yàn)結(jié)果

5　結(jié)束語

本文提出了無整流橋Boost軟開關(guān)PFC電路。該電路直接通過交流輸入進(jìn)行PFC校正，省掉了整流橋，導(dǎo)通器件減少，通態(tài)損耗也得到降低。輔助諧振網(wǎng)

絡(luò)的引入實(shí)現(xiàn)了Boost電路主開關(guān)管的軟開關(guān)狀態(tài)，并解決了由電流連續(xù)狀態(tài)下二極管反向恢復(fù)所帶來的干擾問題。

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研制開發(fā)

Study of a Soft-Switching Bridgeless Boost PFC

LI Fang-yuan, YANG Yan, LIU Xiao-dong, WANG Jing-bing

(College of Automation Engineering，Qingdao University，Qingdao 266071，China)

Abstract:Under the condition of hard switching, higher switching frequency of power devices will bring about more switching loss, which leads to lower efficiency and higher temperature rise. These greatly limit the switching frequency of converters in high power applications. Therefore, a soft switching bridgeless Boost PFC circuit is proposed in this article. It leaves out the rectifier bridge in conventional PFC circuit, and reduces device count and conduction loss. Meanwhile, an active auxiliary switch is added to the main switch to realize soft switching of both the main and auxiliary switches, which improves the efficiency of the circuit. Operating principle and characteristics of the main circuit are analyzed, and simulation results that verify the theoretical analysis are presented.

Key words:no input rectifier bridge; power factor; soft switching

中圖分類號(hào)：TM741.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3664(2015)02-0004-03

作者簡介：李方元(1990-)，女，山東聊城人，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)。

收稿日期：2014-11-24