一種單級(jí)全橋PFC變換器電壓尖峰抑制方法

賁洪奇 丁明遠(yuǎn) 范會(huì)爽 孟濤

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)單級(jí)單相全橋功率因數(shù)校正（power factor correction，PFC）變換器在換流過程中存在較高母線電壓尖峰的問題，提出一種在其母線上并入改進(jìn)型RCD（resistance capacitance diode）箝位環(huán)節(jié)的方法加以抑制。在深入研究箝位環(huán)節(jié)對(duì)母線電壓尖峰抑制機(jī)理的基礎(chǔ)上，對(duì)改進(jìn)型RCD箝位環(huán)節(jié)的能量傳輸過程進(jìn)行分析，得到峰值電壓與箝位環(huán)節(jié)參數(shù)之間的定量關(guān)系，進(jìn)而給出箝位環(huán)節(jié)各參數(shù)的設(shè)計(jì)方法，并對(duì)所提出方法進(jìn)行性能測(cè)試，討論箝位環(huán)節(jié)各參數(shù)對(duì)母線電壓尖峰抑制效果以及變換器性能的影響規(guī)律，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所提出方法可在不影響功率因數(shù)校正效果的情況下有效控制母線電壓峰值，實(shí)現(xiàn)電壓尖峰的抑制。

關(guān)鍵詞：單級(jí)單相全橋PFC變換器;改進(jìn)型RCD箝位環(huán)節(jié);母線電壓尖峰;抑制機(jī)理;參數(shù)設(shè)計(jì)方法

DOI：10.15938/j.emc.2019.10.003

中圖分類號(hào)：TM 461文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1007-449X（2019）10-0023-10

0引言

由于傳統(tǒng)的AC/DC變換電路的輸入端多由不可控器件組成，造成了輸入電流有較大的諧波失真，給電網(wǎng)帶來了諧波“污染”。為從根本上治理電力電子設(shè)備對(duì)電網(wǎng)的諧波污染，目前最為廣泛應(yīng)用的便是有源功率因數(shù)校正（active power factor eor-rection，APFC）技術(shù)。由于基于Boost結(jié)構(gòu)的單級(jí)全橋PFC變換器具有變壓器雙端勵(lì)磁，可通過控制開關(guān)管的開通時(shí)序?qū)崿F(xiàn)開關(guān)管的軟開關(guān)等優(yōu)勢(shì)，因而在中大功率領(lǐng)域且要求輸入輸出具有電氣隔離的場(chǎng)合，基于Boost結(jié)構(gòu)的單級(jí)全橋PFC變換器是較好的選擇。

然而，對(duì)于傳統(tǒng)的單級(jí)單相全橋PFC變換器，由于實(shí)際電路中變壓器原邊漏感以及開關(guān)管結(jié)電容的存在，在變換器換流的過程中會(huì)發(fā)生諧振，引起母線電壓產(chǎn)生電壓尖峰，導(dǎo)致開關(guān)管的電壓應(yīng)力升高，影響了單級(jí)單相全橋PFC變換器在中大功率場(chǎng)合的應(yīng)用。為此，學(xué)者們提出了不同的解決方案。文獻(xiàn)提出了一種基于有源箝位的單級(jí)全橋PFC變換器，在母線上并聯(lián)了由箝位開關(guān)管和箝位電容構(gòu)成的有源箝位電路，將母線電壓箝位在較小的范圍內(nèi)，以降低開關(guān)管的電壓應(yīng)力，但加入了箝位開關(guān)管，控制環(huán)節(jié)相對(duì)復(fù)雜。文獻(xiàn)中提出了一種用于三相全橋PFC變換器的無源無損緩沖方法，利用緩沖電路中的箝位電容吸收變壓器漏感在換流過程中產(chǎn)生的母線電壓尖峰，并通過變壓器將能量釋放到負(fù)載側(cè)，理論上并不消耗額外能量。但是對(duì)于單相系統(tǒng)，輸入電壓變化范圍很大，對(duì)于諧振參數(shù)的選取造成很大困難，因此該方案并不適合單相系統(tǒng)。文獻(xiàn)通過降低變壓器漏感后使用有損緩沖電路吸收母線電壓尖峰。由于該文獻(xiàn)的高頻變壓器為升壓變壓器，比較容易降低漏感，通過優(yōu)化變壓器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以使變壓器漏感很小。但是該方案對(duì)變壓器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求較高，通常用于升壓場(chǎng)合，在降壓場(chǎng)合很難將變壓器漏感降低到理想范圍，所以該方案的應(yīng)用受到限制。文獻(xiàn)將改進(jìn)型RCD箝位環(huán)節(jié)應(yīng)用于DC/DC變換器中，該文獻(xiàn)主要對(duì)該DC/DC變換器的工作原理進(jìn)行了分析，但是并沒有具體分析改進(jìn)型RCD箝位環(huán)節(jié)對(duì)母線電壓尖峰的抑制機(jī)理，也沒有給出在考慮輸入電壓大范圍變化的情況下箝位環(huán)節(jié)參數(shù)的設(shè)計(jì)方法。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)母線電壓尖峰的抑制，鑒于文獻(xiàn)，本文將改進(jìn)型RCD箝位環(huán)節(jié)應(yīng)用到單級(jí)單相全橋PFC變換器，并以改進(jìn)型RCD箝位環(huán)節(jié)為研究對(duì)象，通過搭建變換器換流過程的等效電路模型，在分析改進(jìn)型RCD箝位環(huán)節(jié)對(duì)母線電壓尖峰的抑制機(jī)理的基礎(chǔ)上，對(duì)箝位環(huán)節(jié)吸收的尖峰能量及箝位環(huán)節(jié)的能耗進(jìn)行深入分析，推導(dǎo)出在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)箝位環(huán)節(jié)的能耗與箝位環(huán)節(jié)各參數(shù)之間的關(guān)系，并在考慮輸入電壓變化的前提下，給出箝位環(huán)節(jié)參數(shù)的設(shè)計(jì)方法，并討論各參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的影響規(guī)律。最終，通過實(shí)驗(yàn)對(duì)上述內(nèi)容進(jìn)行驗(yàn)證。

1母線電壓尖峰抑制機(jī)理的分析

1.1變換器主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在單級(jí)單相全橋PFC變換器中引入改進(jìn)型RCD箝位環(huán)節(jié)，主電路如圖l所示。箝位環(huán)節(jié)由箝位電容C_c、箝位二極管D_c以及箝位電阻只.組成。由于僅對(duì)主電路進(jìn)行改進(jìn)，因此，控制電路可保持不變。

變換器工作時(shí)序波形如圖2所示。其中，i_L表示輸入電感電流，i_Dc表示箝位二極管的電流，i_P表示變壓器的原邊電流，i_m表示變壓器的勵(lì)磁電流，u_MN表示變換器的母線電壓。

理想情況下，該變換器主要有橋臂直通和對(duì)臂導(dǎo)通2種工作模態(tài)。橋臂直通（Q₁、Q₂開通或Q₃、Q₄開通，對(duì)應(yīng)圖2中t₀-t₂和t₅-t₇階段）時(shí)，輸入電感L_in儲(chǔ)能，變壓器勵(lì)磁電流續(xù)流，負(fù)載由輸出濾波電容C_o提供能量;對(duì)臂導(dǎo)通（Q₁、Q₂開通或Q₂、Q₄開通，對(duì)應(yīng)圖2中t₃-t₅和t₉-t₁₁階段）時(shí)，變壓器原邊電壓為nU_o，輸入電感L_in通過變壓器向輸出側(cè)濾波電容和負(fù)載傳遞能量。若定義在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，橋臂直通時(shí)間所占比例為占空比D，只需讓占空比按照類似Boost型PFC電路的占空比規(guī)律變化該變換器就能實(shí)現(xiàn)PFC功能。

1.2箝位環(huán)節(jié)對(duì)電壓尖峰的抑制機(jī)理分析

以圖2中t₁-t₅階段為例，對(duì)箝位環(huán)節(jié)的母線電壓尖峰抑制機(jī)理進(jìn)行具體分析。為便于分析，做出如下假設(shè)：1）電路中的開關(guān)管和二極管均視為理想器件，導(dǎo)通壓降為0;2）輸入電感工作于CCM模式;3）輸入電感電感量較大，在開關(guān)管狀態(tài)切換（電路發(fā)生換流瞬間）時(shí)間極短的模態(tài)期間可認(rèn)為輸入電感電流為恒值;4）箝位電容C_c、輸出濾波電容C_o較大，忽略其上電壓紋波。

t₁時(shí)刻，Q₂關(guān)斷，Q₄開通，但由于變壓器負(fù)向勵(lì)磁電流的存在，導(dǎo)致Q₄不能立即開通，而是與其反并聯(lián)的二極管繼續(xù)導(dǎo)通續(xù)流，其電路的工作狀態(tài)如圖3（a）所示。此時(shí)，Q₂、Q₃真的結(jié)電容并聯(lián)在母線上，與變壓器漏感L_1k與勵(lì)磁電感L_m發(fā)生諧振。由于該諧振過程（t₁-t₂）時(shí)間極短，可認(rèn)為輸入電感電流不變，輸入電感可視作恒流源。t₁-t₂期間，i_p=i_m，母線電壓u_MN諧振上升。其諧振過程的等效電路如圖4所示，其中，I_Lmax為輸入電感等效的恒流源，C_Q表示Q₂、Q₃2只開關(guān)管結(jié)電容并聯(lián)的等效電容，L_1k表示變壓器漏感，L_m表示變壓器勵(lì)磁電感。

建立諧振方程。

從母線電壓的解析表達(dá)式可以看出，其母線電壓尖峰與系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)（漏感大小、結(jié)電容大小等）有關(guān)，因此難以控制。由于此階段母線電壓未達(dá)到箝位電容兩端電壓，因此箝位二極管未開通，箝位環(huán)節(jié)未工作。

t₂時(shí)刻，L_m兩端電壓達(dá)到nU_o，副邊整流二極管Do₁、Do₄導(dǎo)通，變壓器原邊開始向副邊傳遞能量，其電路的工作狀態(tài)如圖3（b）所示。同時(shí)，變壓器原邊電壓固定為nU。，Q₂、Q₃真的結(jié)電容并聯(lián)在母線上，與變壓器漏感L_1k繼續(xù)諧振，母線電壓繼續(xù)諧振上升。由于該諧振過程（t₃-t₄）時(shí)間極短，輸入電感電流變化不大，因此在該階段仍可將輸入電感視作恒流源。其諧振過程的等效電路如圖5所示，其中，nU。表示變壓器副邊折算到原邊的電壓。

該階段母線電壓仍未達(dá)到箝位電容兩端電壓，箝位環(huán)節(jié)仍未工作。直到t₃時(shí)刻，u_MN諧振到U_Cc，即箝位電容電壓，箝位環(huán)節(jié)開始工作，箝位二極管D_c導(dǎo)通，為箝位電容C_c提供充電通路，箝位電容C_c開始吸收尖峰能量。其電路的工作狀態(tài)如圖3（c）所示。此時(shí)，箝位二極管開通，箝位電容C_c與Q₂、Q₃的結(jié)電容共同并聯(lián)在母線上，與變壓器漏感L_1k諧振，其諧振等效電路如圖6所示。

觀察式（7）可以發(fā)現(xiàn)，式中U_MN2=U_Cc，且由于C_c很大，相比C₂+C₃大的多，因而此時(shí)母線電壓峰值為U_Cc，RCD箝位環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)了對(duì)母線電壓尖峰的抑制。與此同時(shí)，輸入電感開始向外釋放能量，輸入電感電流下降，但由于C_c很大，其電流對(duì)母線電壓基本沒有影響。t₃-t₄階段母線電壓被箝位為U_Cc，該階段的描述方程如下。

t₃-t₄期間，箝位電容的充電電流i_Dc逐漸降低，t₄時(shí)刻下降為O，箝位二極管D_c關(guān)斷。此后，Q₂、Q₃，的結(jié)電容并聯(lián)在母線上，與變壓器漏感L_1k繼續(xù)諧振，其電路的工作狀態(tài)如圖3（d）所示。變壓器原邊電流i_p基本保持不變，i_m線性上升，由于在此階段輸人電感的電流變化微小，因此可近似認(rèn)為電感電流恒定不變，即I_Lmin，于是可得到L_1k與C_Q之間的諧振方程，該階段的描述方程如下。

由該階段的母線電壓解析表達(dá)式可以看出，t₄時(shí)刻，箝位二極管關(guān)斷，i_L與i_p基本相等，因此，母線電壓基本在nU_o附近微小波動(dòng)，且其最大值不會(huì)超過U_Cc。

通過上述對(duì)母線電壓尖峰抑制機(jī)理的分析可知，在加人改進(jìn)型RCD箝位環(huán)節(jié)后，當(dāng)母線電壓諧振到箝位電容兩端電壓U_Cc時(shí)，箝位二極管導(dǎo)通，箝位電容吸收尖峰能量，并將母線電壓箝位在U_Cc，實(shí)現(xiàn)了對(duì)母線電壓尖峰的抑制;同時(shí)，箝位電容可將吸收的尖峰能量通過箝位電阻回饋到主電路中，提高了系統(tǒng)的效率。

圖7為該變換器換流過程中母線電壓u_MN及箝位二極管電流i_Dc的仿真波形（L_1k=1.6mH，C_c=3.6μF，R_c=10kΩ），可以看出母線電壓u_MN先諧振到U_Cc后被箝位，當(dāng)箝位二極管電流為0后再在nU。附近諧振，與之前的分析相符（本文仿真所涉及的主電路參數(shù)如不作特殊說明，均和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證部分的表1一致）.

2箝位環(huán)節(jié)的能耗分析

當(dāng)母線電壓諧振到U_Cc時(shí)，箝位二極管導(dǎo)通，為箝位電容提供充電通路（t₃-t₄），此時(shí)變壓器原邊電流i。以及輸入電感電流i_L分別為：

RCD箝位電路的元件參數(shù)通常滿足RC>>T（T為變換器的開關(guān)周期），則可認(rèn)為在變換器正常工作時(shí)，箝位電容的電壓C_Cc僅在一極小范圍內(nèi)波動(dòng)。在下面的分析中可假設(shè)C_Cc在穩(wěn)態(tài)時(shí)基本不變。同時(shí)，箝位電阻阻值較大，其放電電流可忽略，分析中可認(rèn)為箝位電容的充電電流近似等于箝位二極管電流。由t₃-t₄階段的分析可知，該階段箝位電容充電，吸收尖峰能量，箝位電容的充電電流i_Cc如式（11）所示。因此，在t₃-t₄期間，箝位電容充電電流逐漸下降為O，所吸收的尖峰能量W_Cc為

變換器進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，箝位電容吸收的能量將會(huì)有部分損耗在箝位電阻上，進(jìn)而影響變換器的效率。因此，在設(shè)計(jì)箝位環(huán)節(jié)時(shí)，需考慮箝位環(huán)節(jié)的能耗。

當(dāng)變換器工作在穩(wěn)態(tài)時(shí)，箝位電阻與主電路充分分擔(dān)箝位電容所吸收的能量。且由于二者為串聯(lián)關(guān)系，電流相等。因此，其能量的分配取決于其上電壓的比值，即W_Rc/W_主=（U_Cc-U_in）/U_in。箝位環(huán)節(jié)在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的能耗W_Rc為

3箝位環(huán)節(jié)的參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1箝位電壓U_Cc的確定

3.2箝位電阻R_c的設(shè)計(jì)

考慮到變換器工作在穩(wěn)態(tài)時(shí)，在開關(guān)周期內(nèi)，箝位電壓U_Cc僅在一極小范圍內(nèi)波動(dòng)，可忽略不計(jì)，則可近似認(rèn)為箝位電阻只。上的電壓保持不變，其大小為U_Cc-U_in。因此，箝位電阻在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)所消耗的能量W_Rc為

通過抑制機(jī)理的分析可知，R_c的增加對(duì)箝位電容的充電過程沒有影響，但隨著R_c的增加，箝位電容的放電電流會(huì)急劇減小，放電速率下降，因此箝位電容電壓變大，且電壓波動(dòng)減小;此外，通過觀察式（17）也可以發(fā)現(xiàn)，隨著R_c的增大，U_Cc增大，但增大速率逐漸變慢，箝位環(huán)節(jié)的能耗減小，變換器的效率也有所提高。因此，R_c的選取直接影響U_Cc的大小，進(jìn)而影響箝位環(huán)節(jié)的能耗與變換器的效率。

圖8為在其他條件一定的前提下，增大箝位電阻的電阻值后，換流過程中母線電壓u_MN及箝位二極管電流i_Dc的仿真波形（C_c=3.6μF）。可見，增大R_c后，U_Cc也隨之增大，其箝位電容的充電時(shí)間也隨之縮短，但母線電壓在nU。附近擺動(dòng)幅度增大，與之前的分析相符。

在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，由于輸入電壓為交流電，且由式（17）可知箝位電阻的設(shè)計(jì)與輸入電壓有關(guān)，因此，只。的設(shè)計(jì)需考慮U_in的影響。因?yàn)轶槲画h(huán)節(jié)主要實(shí)現(xiàn)母線電壓尖峰的抑制，且由式（17）可知，U_Cc-U_in隨R_c的增大而增大，因此，在給定U_Cc的前提下，可根據(jù)U_in的最大值確定R_c，以使得母線電壓峰值不會(huì)超過給定的U_Cc。

3.3箝位電阻C_c的設(shè)計(jì)

箝位電容C_c的選取通常根據(jù)其給定的紋波電壓U_pp來確定?？紤]到在半個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，對(duì)電容C_c充一次電，且充電時(shí)間極短，其余時(shí)間均在放電。為簡化運(yùn)算，可忽略充電時(shí)間，認(rèn)為C_c放電時(shí)間為半個(gè)開關(guān)周期，其電壓變化為U_pp。因此，可根據(jù)電荷守恒得

通過觀察式（18）可以發(fā)現(xiàn)，由于U_Cc>>U_in，C_c的選取基本不影響U_Cc的大小，但C_c的選取對(duì)U_Cc的紋波影響較大。由于改變C_c對(duì)U_Cc的大小基本沒有影響，因此改變C_c的大小對(duì)箝位電容的充電過程影響不大，對(duì)箝位環(huán)節(jié)的能耗及變換器的效率也基本沒有影響。實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，可根據(jù)紋波要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖9為在其他條件一定的前提下，增大箝位電容的電容值后，母線電壓u_MN及箝位二極管電流i_Dc的仿真波形（R_c=2kΩ）。可見，增大C_c的大小對(duì)U_Cc的大小沒有影響，對(duì)箝位電容的充電過程影響不大，與之前的分析相符。

4實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與結(jié)果分析

為驗(yàn)證電壓尖峰抑制機(jī)理分析和箝位環(huán)節(jié)參數(shù)設(shè)計(jì)方法的正確性，采用如圖1所示的主電路搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，其主要參數(shù)如表l所示。其中，nU。=384V，為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，選取U_Cc=400V，則可根據(jù)式（17）和式（18）（λ=2%）確定出箝位電阻R_c和箝位電容C_c。

4.1變換器的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

1）PFC校正效果的驗(yàn)證

圖11所示為輸入電壓、電流波形及輸出電壓波形。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，在加入改進(jìn)型RCD箝位環(huán)節(jié)后，該變換器功率因數(shù)校正效果沒有受到影響。使用電能質(zhì)量分析儀測(cè)量，輸入電流THD為6.4%。