李彥斌，張安堂，韓 闖，王君力

（空軍工程大學(xué)防空反導(dǎo)學(xué)院，西安 710051）

電力電子裝置的廣泛使用給電網(wǎng)帶來(lái)了嚴(yán)重的諧波污染，增加了電網(wǎng)損耗，嚴(yán)重影響了電網(wǎng)質(zhì)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(guó)內(nèi)外研究的重點(diǎn)。功率因數(shù)校正PFC（Power Factor Correction）技術(shù)因?yàn)槟軌蚴馆斎腚娏鞯南辔缓托螤罡欇斎腚妷?，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(shù)研究的熱點(diǎn)［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(huì)嚴(yán)重影響PFC電路的效率［7-8］。無(wú)橋PFC電路通過減少半導(dǎo)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(jìn)一步提高PFC電路的效率，軟開關(guān)技術(shù)因其能夠降低開關(guān)損耗而被大量應(yīng)用到了PFC電路中。文獻(xiàn)［11］中提出的軟開關(guān)無(wú)橋PFC電路雖然實(shí)現(xiàn)了主開關(guān)的零電壓導(dǎo)通，但是其關(guān)斷過程卻是典型的硬關(guān)斷；文獻(xiàn)［12］中，主開關(guān)實(shí)現(xiàn)了零電流關(guān)斷，但是增加了主開關(guān)的電流應(yīng)力。文獻(xiàn)［13］中提出的改進(jìn)的無(wú)橋功率因數(shù)校正電路，在滿載時(shí)的效率最高可達(dá)98%，不適適應(yīng)用大功率場(chǎng)合。文獻(xiàn)［14］中提出的改進(jìn)型雙升壓功率因數(shù)校正電路，其輸出功率比文獻(xiàn)［13］中設(shè)計(jì)的電路輸出功率高，但是電路的效率有所下降。

本文在無(wú)橋軟開關(guān)PFC電路的基礎(chǔ)上，提出了一種改進(jìn)的零電流轉(zhuǎn)換ZCT（Zero Current Transi?tion）開關(guān)的無(wú)橋PFC電路。該無(wú)橋PFC電路減少了半導(dǎo)體器件的數(shù)量，并且實(shí)現(xiàn)了主開關(guān)和輔助開關(guān)的零電流導(dǎo)通和零電流關(guān)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 改進(jìn)ZCT無(wú)橋PFC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

改進(jìn)ZCT無(wú)橋PFC電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。該電路用兩個(gè)IGBT開關(guān)管S1、S2取代了傳統(tǒng)整流橋中的兩個(gè)整流二極管，D1、D2為開關(guān)管IGBT的內(nèi)置續(xù)流二極管。虛線框內(nèi)為改進(jìn)ZCT的諧振回路，由輔助開關(guān)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(jìn)型ZCT無(wú)橋PFC電路

當(dāng)輸入電壓UAC＞0時(shí)，二極管Sa導(dǎo)通，Sb截止，諧振回路與開關(guān)管S1構(gòu)成ZCT軟開關(guān)，開關(guān)管S2關(guān)斷，S2的內(nèi)置二極管D2處于續(xù)流狀態(tài)。升壓電感L、開關(guān)管S1和輔助諧振回路、二極管D1、S2的內(nèi)置二極管D2一起構(gòu)成Boost升壓PFC電路。當(dāng)輸入電壓UAC＜0時(shí)，工作過程與之類似。因此僅對(duì)UAC＞0時(shí)電路的工作模態(tài)進(jìn)行分析。

圖3 UAC＞0時(shí)改進(jìn)ZCT無(wú)橋PFC電路的工作過程

為了簡(jiǎn)化分析，作如下假設(shè)：①所有元器件都是理想元件；②由于開關(guān)頻率遠(yuǎn)大于輸入電壓的工頻頻率，升壓電感L足夠大，故在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，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(gè)開關(guān)周期內(nèi)濾波電容C和負(fù)載R可以等效為一個(gè)恒壓源。

該電路在一個(gè)工作周期內(nèi)可分為10個(gè)工作模態(tài)，詳細(xì)分析如下：工作波形如圖4所示。設(shè)初始狀態(tài)時(shí)（t0時(shí)刻），主開關(guān)管S1處于截止?fàn)顟B(tài)，升壓電感L通過二極管VD1向負(fù)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(shè)計(jì)

2.1 主開關(guān)管零電流關(guān)斷的條件

2.2 諧振元件Lr、Cr的選取

為了不影響主開關(guān)的正常工作，諧振電路的諧振周期不能太長(zhǎng)，否則將延長(zhǎng)主開關(guān)的工作周期，或者影響主開關(guān)的零電流關(guān)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(guān)管的損耗分析

諧振回路的加入實(shí)現(xiàn)了主開關(guān)管的零電流導(dǎo)通和零電流關(guān)斷，大大減小了主開關(guān)管的導(dǎo)通損耗和關(guān)斷損耗。相對(duì)于硬開關(guān)而言，諧振回路的諧振卻會(huì)增加主開關(guān)管的通態(tài)損耗。主開關(guān)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(yuǎn)小于在硬開關(guān)下的導(dǎo)通損耗和關(guān)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(dòng)的原則來(lái)確定升壓電感的值?？紤]最差情況，當(dāng)輸出功率達(dá)到額定功率，電感電流的紋波為峰值電流的20%時(shí)，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(shè)計(jì)濾波電容時(shí)還應(yīng)兼顧到輸出電壓的保持時(shí)間，保持時(shí)間與濾波電容的關(guān)系式為

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

3 仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在MATLAB軟件中搭建了改進(jìn)ZCT無(wú)橋PFC電路模型，對(duì)電路進(jìn)行仿真驗(yàn)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(guān)管工作頻率100 kHz，仿真結(jié)果如圖7所示。

從圖5（a）中可以看出，該P(yáng)FC電路在仿真條件下實(shí)現(xiàn)了輸入電流對(duì)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(jié)果

為了驗(yàn)證理論分析和仿真結(jié)果，制作一臺(tái)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(jìn)型ZCT無(wú)橋PFC樣機(jī)。其參數(shù)為：主開關(guān)管S1、S2選用IXGH10N60A；輔助開關(guān)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(qū)動(dòng)電路構(gòu)成。CD4098作用是利用UCC 3818產(chǎn)生的PWM控制信號(hào)來(lái)產(chǎn)生輔助開關(guān)管的控制信號(hào)。

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(shí)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(shí)現(xiàn)了輸入電流對(duì)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(guān)管開關(guān)過程中的電壓電流波形，圖7（b）為輔助開關(guān)管開關(guān)過程中的電壓電流波形。從圖中可以看出，主開關(guān)管和輔助開關(guān)管的開通和關(guān)斷都是在零電流下完成的，有效減小了開關(guān)管的損耗。

圖8為文獻(xiàn)［13］中設(shè)計(jì)的改進(jìn)無(wú)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(jī)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(nèi)，效率η保持在92.5%以上，最大可達(dá)98%。

圖7 主開關(guān)管和輔助開關(guān)管的關(guān)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(shè)計(jì)的改進(jìn)ZCT無(wú)橋PFC電路與全橋PFC電路的效率對(duì)比關(guān)系圖，樣機(jī)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(nèi)，改進(jìn)ZCT無(wú)橋PFC電路的效率高達(dá)98.15%，要明顯高于全橋PFC電路，同時(shí)也高于文獻(xiàn)［13］中所設(shè)計(jì)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(chǎng)合。

圖9 效率與輸出功率的關(guān)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(shí)，工作頻率變化時(shí)，改進(jìn)ZCT無(wú)橋PFC電路與全橋PFC電路的效率對(duì)比。當(dāng)頻率由50 kHz增加到150 kHz，ZCT無(wú)橋PFC電路的效率略有下降，而全橋PFC電路當(dāng)工作頻率超過120 kHz時(shí)，效率下降明顯。

圖10 效率與工作頻率的關(guān)系

4 結(jié)論

提出了一種改進(jìn)型ZCT無(wú)橋PFC電路，實(shí)現(xiàn)了主開關(guān)管和輔助開關(guān)管的零電流導(dǎo)通和零電流關(guān)斷。本文對(duì)提出的PFC電路進(jìn)行了工作模態(tài)、工作條件和損耗分析。最后通過仿真和實(shí)驗(yàn)表明，該P(yáng)FC電路相對(duì)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(chǎng)合。

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李彥斌（1990-），男，漢族，陜西府谷縣人，空軍工程大學(xué)，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹半娏鲃?dòng)，924099918@qq.com；

韓 闖（1989-），男，漢族，河南駐馬店人，空軍工程大學(xué)，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏﹄娮拥碾姶偶嫒荩?/p>

張安堂（1960-），男，漢族，陜西戶縣人，空軍工程大學(xué)，副教授，研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹半娏鲃?dòng)、開關(guān)電源技術(shù)，zhangantang@163.com；

王君力（1991-），男，漢族，山東威海人，空軍工程大學(xué)，碩士研究生，研究方向?yàn)殚_關(guān)電源技術(shù)。