電源：一種新穎的零電壓轉(zhuǎn)換PFC變換器設(shè)計(jì)

1　引 言

在單相功率因數(shù)校正變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，單開關(guān)PWM升壓變換器因其突出的優(yōu)越性而在近些年被廣泛應(yīng)用于各類功率電子系統(tǒng)中。而同時，由于開關(guān)工作頻率不斷提高所帶來的諸如開關(guān)損耗、電磁干擾等問題也日益嚴(yán)重，這些問題嚴(yán)重得影響了變換器工作的可靠性和頻率的提高和 [1-2]。為此，電力電子領(lǐng)域的專家學(xué)者們一直在探索各種解決方案，并于近些年先后提出了許多零電壓或零電流軟開關(guān)技術(shù)[1-4]，為解決上述問題提供了一條理想途徑。

本文提出了一種新穎的有源鉗位零電壓轉(zhuǎn)換(ZVT)PWM功率因數(shù)校正變換器，它采用了有源鉗位技術(shù)，且電感和電容工作在諧振模式，從而可以獲得軟開關(guān)條件。該變換器可在固定頻率下實(shí)現(xiàn)主開關(guān)管的零電壓開關(guān)，并且在任何輸入電壓和負(fù)載條件下都能實(shí)現(xiàn)輔助開關(guān)管的零電流開關(guān)。

2　工作原理

圖1所示為提出的ZVT PFC變換器的工作原理圖。主開關(guān)旁邊并聯(lián)了一個吸收電容Cs，實(shí)現(xiàn)了主開管的零電壓關(guān)斷。

圖1　ZVT PFC變換器原理圖

主開關(guān)和輔助開關(guān)在圖3和圖4所示序列的觸發(fā)下，一個開關(guān)周期可以分為六個工作階段。圖2所示即為變換器在六個工作模式下的等效電路圖。在對六個工作模式加以分析之前，先做以下假定：在t0時刻以前，VCr=2Vo，ILr=Ii。

模式1：(t0~t1)如圖2(a)

在t0時刻以前，主開關(guān)管K關(guān)斷，輔助開關(guān)管在t0時刻導(dǎo)通。電感Lr和電容Cr開始諧振，電感電流ILr按(2)式規(guī)律開始減小。

(1)

(2)

其中，

模式2：(t1~t2)如圖2(b)

在t1時刻，電感電流ILr減小到零，二極管DC關(guān)斷。電容Cs、Cr和電感Lr諧振，電容Cs放電，電感電流ILr方向改變。

(3)

(4)

模式3：(t2~t3)如圖2(c)

在t2時刻，電容上的電壓Vcs減小為零，主開關(guān)管在零電壓的條件下導(dǎo)通。電感Lr和電容Cr諧振，電容Cr繼續(xù)放電直到電容上的電壓Vcr減小到零，此時二極管D導(dǎo)通。之后，輔助開關(guān)S在零電流的條件下關(guān)斷，電感電流ILr線性減小到零。然后電感電流ILr改變方向并線性增加, 在t3時刻，其值再次達(dá)到Ii。

模式4：(t3~t4)如圖2(d)

在t3時刻，二極管D關(guān)斷，電感Lr和電容Cr諧振，并對電容Cr充電。

模式5：(t4~t5)如圖2(e)

在t4時刻，電容上的電壓Vcr達(dá)到最大值2Vo ，電感電流ILr減小到零，PFC電路進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。

模式6：(t5~t6)如圖2(f)

由于吸收電容Cs的存在，在t5時刻，主開關(guān)實(shí)現(xiàn)了零電壓關(guān)斷，電流源Ii對電容Cs充電，電容電壓Vcs線性增加，直到其值為Vo，此時二極管Dc開始導(dǎo)通。至此，一個完整的工作周期結(jié)束，下一個工作周期開始。

3　仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證上述分析過程的正確性，利用PSpice對ZVS-PWM PFC變換器做了仿真分析，仿真條件為：輸入電流=5/30A;輸出直流電壓=400V;開關(guān)頻率=100kHz;諧振電容Cr=15nF;吸收電容 Cs=1.0nF;諧振電感Lr=5uH;主開關(guān)K ：IRFP460;輔助開關(guān)S：IRFP840;二極管D：MUR890;鉗位二極管DC：MUR3040;輸出電容Co=1000uF。

仿真波形如圖3、圖4所示：分別為滿載和輕載條件下電壓、電流、主開關(guān)管和輔助開關(guān)管驅(qū)動信號的仿真波形。從這些波形中可以看出，主開關(guān)管工作于固定頻率，并且實(shí)現(xiàn)了零電壓轉(zhuǎn)換。同時也實(shí)現(xiàn)了輔助開管的零電流轉(zhuǎn)換和二極管的軟關(guān)斷。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證該變換器的工作原理和性能，在實(shí)驗(yàn)室完成了一臺功率為3kW，工作頻率為100kHz的通信用開關(guān)電源裝置。圖6和圖7給出了輸入交流 160V～275V，輸出電壓為400V時的實(shí)驗(yàn)波形?？刂破饕訳C3854為核心，輔以必要的外圍電路，可使所提出的ZVT PFC變換器獲得近似正弦波的輸入電流，并且THD很小，只有5.7%, PFC達(dá)到了0.99。 輸入電流和電壓波形如圖6所示。圖7給出了提出的ZVT-PWM PFC工作在滿載條件下的實(shí)驗(yàn)波形圖。可以看出，實(shí)驗(yàn)波形與仿真結(jié)果一致。主開關(guān)管和輔助開關(guān)管都可在全負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)零電流開關(guān)，并且電壓和電流應(yīng)力都很小。另外，二極管D也實(shí)現(xiàn)了軟關(guān)斷。

4　結(jié) 論

本文提出了兩種新穎的ZVT-PWM升壓PFC變換器，分析了其工作過程及電路參數(shù)。通過仿真和實(shí)驗(yàn)都驗(yàn)證了這種變換器不僅可實(shí)現(xiàn)主開關(guān)管的零電壓轉(zhuǎn)換和輔助開關(guān)管的零電流開關(guān)，而且開關(guān)管的電壓電流應(yīng)力非常小，同時實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明提出的變換器效率可高達(dá)94%.

參考文獻(xiàn):

[1] K.Mark Smith,Keyue M.Smedley. “A Comparison of Voltage Mode Soft Switching Methods for PWM Converters”[J],IEEE Applied Power Electronics Conference,1996,pp.291~298

[2] Alecandre Ferrari de Souza, Ivo Barbi. “A New ZVS-PWM Unity Power Factor Rectifier With Reduced

[3] G.C.Hua,F.C.Lee.“Novel Zero-Voltage-Transition PWM Converters”[J],IEEE Power Electronics Specialist Conference, 1992, pp.55~61

[4] G.C.Hua,F.C.Lee. “Novel Zero-Current-Transition PWM Converters”[J],IEEE Power Electronics Specialist Conference, 1993, pp.538~544

Conduction Loss”[J],IEEE Power Electronics Specialist Con ference, 1994, pp.342~348

[5] 阮新波 嚴(yán)仰光 《直流開關(guān)電源的軟開關(guān)技術(shù)》 科學(xué)出版社 2000年

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