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    單相Boost型功率因數校正電路軟開關技術綜述

    2007-04-27 電源技術應用

    摘要:對單相Boost功率因數校正電路軟開關技術進行了分類,分為零電壓開關功率因數校正電路、零電壓轉換功率因數校正電路、零電流開關功率因數校正電路、零電流轉換功率因數校正電路、有源箝位功率因數校正電路和帶有無損吸收電路的功率因數校正電路,并對每一類型的電路的拓撲結構、工作方式及工作特點做出分析。
    關鍵詞:功率因數校正;軟開關技術;DC/DC變換

    O 引言
        近二十年來電力電子技術得到了飛速的發展,已廣泛應用到電力、冶金、化工、煤炭、通訊、家電等領域。多數電力電子裝置通過整流器與電力網接口,經典的整流器是一個由二極管或晶閘管組成的非線性電路,它會在電網中產生大量電流諧波和無功功率,污染電網,成為電力公害。在20世紀80年代中后期,開關電源有源功率因數校正技術引起了國內外許多學者的重視,進行了許多專題研究并取得了大量成果。

        有源功率因數校正技術在整流器與濾波電容之間增加一個DC/DC開關變換器。在各種單相PFC電路拓撲結構中,Boost升壓型功率因數校正電路由于具有主電路結構簡單,變換效率高,控制策略易實現等優點而得到廣泛應用。高頻化可以減小有源功率因數校正電路的體積、重量,提高電路的功率密度。為了使電路能夠在高頻下高效率地運行,有源功率因數校正電路的軟開關技術成為重要的研究方向。

        本文對單相Boost有源功率因數校正電路軟開關技術進行了分類,并對每一類型的電路的拓撲結構、工作方式及工作特點做出了分析。

    l 零電壓開關(ZVS)PWM功率因數校正電路 

        ZVS工作方式是指利用諧振現象及有關器件的箝位作用,使開關變換器中開關管的電壓在開啟或關斷過程中維持為零。

        圖1電路為ZVS功率因數校正電路,也稱擴展周期準諧振功率因數校正電路。在輔助開關S1開通時,電感Lr抑制二極管Dr的反向恢復。電感Lr與電容Cf發生諧振至流過開關S1的電流降至輸入電流大小。開關S2導通后,電感Lr與電容Cf再次諧振至流過開關S1的電流為O,電容Cr兩端電壓為Vo,使開關S1、開關S2實現ZV—ZCS關斷。電路的不足之處是開關的電流應力比較大。


    2 零電壓轉換(ZVT)PWM功率因數校正電路

        在ZVT工作方式中,諧振網絡拓撲與主電路是并聯的。零轉換PWM功率因數校正電路的導通損耗和開關損耗很小,能實現零開關特性而不增大開關的電流或電壓應力,適用于較高電壓和大功率的變換器。

        圖2所示電路是傳統的ZVT電路。電感Lr與主開關S1寄生電容諧振使其寄生二極管導通,開關S1實現ZVS開通;同時,電感Lr抑制了二極管D1的反向恢復,二極管D2為電感Lr中的能量提供釋放回路。

     

        此電路的優點在于主開關ZVS開通,二極管D1的反向恢復得到抑制,電路結構簡單;不足之處是輔助開關硬開通。

        圖3所示是對傳統ZVT電路的改進電路,其開關時序、豐開關的電壓、電流波形與圖2相同。改進之處是在電感回路中串接二極管D3消除升壓二極管D1寄生電容與電感Lr寄生振蕩;在二極管D2兩端并接電容減小了開關S2的關斷損耗,可以提高電路的效率。

        電路的不足之處是改進后電路的輔助開關仍為硬開通。

        圖4所示電路主開關S1為ZVS開通,其開通過程與上面兩種電路稍有不同,當諧振電感Lsn2與電容Csnl與開關S1寄生電容諧振至開關S1兩端電壓為零時,開關S1開通;Csnl與Csn2可改善開關S1、S2的關斷過程,減小關斷損耗;電感Lsn2抑制了二極管D的反向恢復.二極管Db、Dc為電感Lsn2提供能量釋放回路。

        電路不足之處是輔助開關S2硬開通。

        圖5電路對圖4所示電路進行了改進。如波形圖所示,主開關S1開通前,其寄生二極管已經導通,開關S1實現ZVS開通;開關S1開通后,由于耦合電感的作用,促使流過Lx的電流迅速減小至接近零,輔助開關S2實現了ZCS關斷;電容Cr減小了電路的關斷損耗。

        電路的不足之處是輔助開關S2硬開通,電路結構與工作方式比較復雜。

        圖6所示電路是對傳統ZVT電路的又一改進電路。在主開關S1開通前,其寄生二極管已經導通,開關S1可實現ZVS開通;開關S1開通后,由于耦合電感的作用,流過輔助開關S2的電流迅速下降至接近零,開關S2被擊穿二極管Ds鉗制在一個很低的電壓,開關S2實現ZCS關斷。

        電路的不足之處是輔助開關硬開通,電路的結構與工作方式比較復雜。

        圖7所示電路結構與以上的ZVT結構差別比較大。主開關S1關斷后,二極管D開通,電容Cc通過耦合電感N2放電.開關S2寄生二極管開通實現了ZVS開通;開關S2關斷后,開關S1寄生二極管開通實現了ZVS開通。同時,耦合電感N1抑制了二極管D的反向恢復,耦合電感N2則為N1中的能量提供了釋放回路。


        此電路的優點是兩個開關均為ZVS開通,二極管D的反向恢復得到抑制,電路結構簡單。不足之處在于兩個開關均為硬開關關斷,輔助開關S2的電壓應力較大。

        圖8所示電路是一種新型ZVT有源功率因數校正電路。在輔助開關S2開通前,電容Cr兩端電壓為負,S2開通后,電感Lr與電容Cs、Cr發生諧振使主開關S1寄生二極管導通實現了ZVS開通;當流過開關S1的電流由負變正時,電感Lr與電容Cb、Cr諧振,二極管D5導通,開關S2實現ZV—ZCS關斷。


        電路優點在于主開關S1實現了ZVS開通,輔助開關S2實現了ZV.ZCS關斷,二極管D1的反向恢復得到抑制,以上幾點都可以顯著提高電路效率。電路不足之處是輔助開關硬開通,主開關電流應力比較大。

        圖9所示電路結構與電路的工作方式比較特殊。主開關S1關斷后,其寄生電容被恒流充電至輸出電壓Vo,為輔助開關S2提供ZV—ZCS關斷,此時二極管D。及D4導通;開關S2關斷后,電感L與開關S2寄生電容發生諧振至開關S2兩端電壓等于Vo,二極管D3導通;當流過電感L的電流減少至零時,電感L與開關S1、S2的寄生電容諧振,諧振結束時,開關S1和S2兩端電壓與流過兩開關的電流均為零,開關S1和S2實現了ZV-ZCS開通。

        此電路的優點是開關S1、S2實現ZV-ZCS開通,開關S1實現了ZVS關斷,二極管的反向恢復得到抑制,開關電壓電流應力較小,電路結構簡單。不足之處是電感L始終有電流流過,導致電流中環流較大,會增大通態損耗。

    3 零電流開關(ZCS)PWM功率因數校正電路
        ZCS工作方式是指利用諧振現象及有關器件的箝位作用,使開關變換器中開關管電流在開啟或關斷過程中維持為零。

        從圖10電路及波形圖可以看出,主開關S1首先開通,通過開關S1的電流逐漸增加至輸入電流值,此時二極管D1、D2關斷,電容Cr反向充電至Vo;輔助開關S2開通后,電容Cr與Lr2諧振,當電容Cr兩端電壓降至零時,二極管D1導通,電容Cr與電感Lrl、Lr2諧振至開關S1、S2反并二極管開通,兩開關實現ZCS關斷。

        此電路的優點在于開關S1、S2均實現了ZCS關斷,兩個二極管的反向恢復得到抑制;不足之處是兩開關硬開通,電容Cr與電感Lr2電容Cr與電感Lr1、Lr2的諧振回路要通過輸出端,會增大輸出端的電壓波動。

        圖11電路是對圖10電路進行了改進,改進后的電路工作方式及波形與圖10電路基本一致。圖11的電路將二極管兩端并聯的電容改為與開關S2和電感Lr2并聯,這樣,諧振回路就不會包含輸出端,不會引起輸出端電壓的波動。其不足之處仍在于兩開關硬開關開通。


        圖12電路與以上兩電路的最大區別在于實現了一個開關的ZVS開通。如波形圖所示,主開關S1開通,感Ls抑制了二極管D的反向恢復,電感Ls與電容Cr諧振,開關S2反并二極管開通,為開關S2提供ZVS開通;電容Cc與電感Ls繼續諧振,流過電容Cc的電流反向時,開關S1反并二極管開通,實現ZCS關斷。

        此電路的優點是主開關S1實現了ZCS關斷,輔助開關S2實現了ZVS開通,因此,此電路又稱為ZV-ZCS電路。電路的不足之處在于輔助開關S2的硬關斷。

    4 零電流轉換(ZCT)PWM功率因數校正電路
        圖13電路為傳統的零電流轉換功率因數校正電路。如圖13所示,輔助開關S2開通時,電容Cr與電感Lr諧振,主開關S1反并二極管導通,實現ZCS關斷;開關S1反并二極管關斷后,開關S2關斷,二極管D1開通,為電感Lr提供能量釋放回路。

        此電路的優點是實現了主開關S1的ZCS關斷,電路結構簡單。不足之處是,輔助開關硬開關開通關斷,二極管的反向恢復沒有得到抑制,主開關電流應力較大。

        圖14電路對傳統的ZCT—PWM功率因數校正電路進行了改進。如圖14波形圖所示,開關S2開通時,電容Cr、電感Lr諧振,流過二極管D1的電流逐漸減小到零,其反向恢復得到抑制;諧振電流換向后,開關S2反并二極管導通,實現ZCS關斷;開關S2開通后,電容Cr與電感lr諧振,開關S1反并二極管導通,實現ZCS關斷。

        此電路的優點是實現了開關S1、S2的ZCS關斷,二極管的反向恢復得到抑制;不足之處是輔助開關在一個開關周期有兩次開關過程,電路工作方式中諧振較多,都會增大電路的損耗。

    5 有源箝位功率因數校正電路
        在Boost PFC變換器中,為了抑制二極管的反向恢復,在主開關和Boost二極管之間串聯一個諧振電感可以有效地抑制二極管的反向恢復,但是當主開關關斷時,諧振電感會在開關上產生很大的電壓應力,為了保證電路的安全運行,需要有一個箝位電路來箝位電壓。

        在圖15電路中,如波形圖所示,主開關Sl關斷后,兩端電壓逐漸上升至箝位電壓Vo+Vcc;輔助開關S2寄生二極管開通,電感Lr與電容Cc諧振,開關S2實現ZCS開通;開關S2關斷后,二極管Db開通,電感Lr與開關S1寄生電容諧振至開關S1寄生二極管開通,開關S1一實現ZVS開通。電路增加二極管Dc是為了消除二極管Db結電容與電感Lr的諧振。

        電路的優點是實現了,主開關與輔助開關的zvs開通,二極管Db的反向恢復得到抑制;不足之處是開關S1、S2都是硬關斷。

        復合有源箝位功率因數校正電路對有源箝位功率因數校正電路的改進主要體現在電路拓撲和控制時序兩個方面:將二極管D2放在箝位電路外以消除二極管D2結電容與電感Lr的寄生振蕩;如圖16所示時序可以保證開關S1、S2與二極管D2在任一時刻只有兩個器件導通,另一個器件被箝位在Vo+Vcco主開關S1關斷后,電感Lr與開關S2寄生電容諧振使寄生二極管導通實現ZVS開通;開關S2關斷后,電感Lr與開關S1、S2寄生電容諧振使開關S1寄生二極管導通實現ZVS開通。

        此電路的優點在于兩個開關均實現了ZVS開通,二極管的反向恢復得到抑制,電路結構簡單;不足之處是開關與二極管的電壓應力較大。針對這一不足,提出了最小電壓復合有源箝位電路,如圖17所示,該電路將電感Lr與輔助開關S2位置進行了交換,開關時序不變,這樣,開關S1、S2、二極管D2任兩者導通時,另一個被箝位在Voo。該電路波形與復合有源箝位功率因數校正電路相似,具有它的優點。

    6 帶有無損吸收電路的功率因數校正電路
    6.l 無源無損吸收電路

        在軟開關技術中,無源無損吸收電路不增加額外的有源器件,只是采用無源元件來抑制二極管的反向恢復,并且減小了開關器件的開通和關斷損耗,因此具有電路成本低,控制簡單等優點。

        在圖18電路中,開關S斷開后其兩端電壓逐漸被充電至Vo時,二極管Do、Dc開通,流過二極管Dr的電流逐漸增加,流過二極管Do、的電流逐漸減小至二極管Doj關斷,當開關S再次開通時,二極管的反向恢復不會影響開關損耗的增大。

        圖18電路采用耦合電感使二極管反向恢復影響不到開關的開通,圖19電路則是利用電感抑制二極管的反向恢復對開關開通過程的影響,冉利用無源器件將電感中能量釋放。

        此電路的不足之處在于電路結構和工作過程都比較復雜。

    6.2 有源無損吸收電路
        圖20電路抑制二極管反向恢復采用在電路中加入電感,再將電感中的能量釋放的方式。如圖20所示,主開關S1首先導通,電感Ls抑制了二極管D的反向恢復,電感Ls與開關S2寄生電容發生諧振使其放電至開關寄生二極管導通,開關S2實現ZVS開通。

        此電路的優點在于電路結構簡單,能有效抑制二極管的反向恢復,輔助開關實現ZVS開通。


    7 結語
        綜上所述,各種類型的軟開關功率因數校正電路具有能夠抑制二極管反向恢復,實現開關管的軟開通或軟關斷,減少變換器的損耗,進而可以提高開關頻率,減少磁性元件的體積和重量,提高變換器的功率密度。




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