朱子庚，李彩生，黃棟杰，劉向立

（許繼電源有限公司，河南 許昌 461000）

一種軟開關(guān)交錯并聯(lián)PFC變換器

朱子庚，李彩生，黃棟杰，劉向立

（許繼電源有限公司，河南 許昌 461000）

重點研究了基于TI的UCC28070控制的一種有源軟開關(guān)交錯并聯(lián)Boost PFC變換器，提出了一種新型的有源交錯并聯(lián)的Boost軟開關(guān)電路。在Boost主開關(guān)兩端并聯(lián)一個由有源輔助開關(guān)和關(guān)斷緩沖吸收電容組成的有源緩沖吸收支路，Boost的主開關(guān)管可以實現(xiàn)零電壓開通與關(guān)斷，二極管的反向恢復帶來的能量損耗能夠大大減少。并且，在整個開關(guān)周期期間，附加的輔助開關(guān)管是零電壓開關(guān)。最后，設計試制了一臺5 kW實驗樣機，結(jié)果表明，該電路的所有功率器件均實現(xiàn)了軟開關(guān)。

軟開關(guān)；交錯并聯(lián)；零電壓開關(guān)

Boost PFC電路因其拓撲結(jié)構(gòu)簡單，容易實現(xiàn)得到了廣泛應用，然而，傳統(tǒng)的Boost電路在低輸入電壓大電流場合表現(xiàn)出功率半導體器件發(fā)熱嚴重、升壓電感體積急劇增加、變換器功率密度及效率急劇下降等問題。

這里給出1種新型有源軟開關(guān)交錯并聯(lián)Boost PFC變換器電路拓撲，與傳統(tǒng)的交錯并聯(lián)Boost電路相比，該拓撲中的主開關(guān)實現(xiàn)了零電壓開關(guān)，輔助開關(guān)的引入并沒有給主開關(guān)管帶來額外的電壓應力，并且輔助開關(guān)在整個開關(guān)周期均是零電壓開通和零電壓關(guān)斷。

1 交錯并聯(lián)BoostPFC變換器

交錯并聯(lián)BoostPFC變換器拓撲電路如圖1所示。圖1中，L1,L2為Boost升壓電感；Q1,Q2為主開關(guān)管；D1,D2為升壓二極管。阻尼吸收電容Cs,Lr,Q3,Cr構(gòu)成諧振放電回路，在主開關(guān)管Q1,Q2開通前Q3分別先提前1個周期開通，將Q1,Q2上面的電荷放到母線上，使主開關(guān)管實現(xiàn)零電壓開通。Lr為諧振電感，Cr為諧振電容，與MOS管Q3的結(jié)電容形成LCC諧振放電回路。Q3的驅(qū)動可以是以Q1,Q2的驅(qū)動脈沖信號上升沿為觸發(fā)信號的觸發(fā)器提前1個周期的脈沖信號產(chǎn)生。

圖1 交錯并聯(lián)BoostPFC變換器拓撲電路Fig.1 Interleaved parallel BoostPFC converter circuit topology

2 理論分析與等效模型建立

在該拓撲電路分析中可以將輸出濾波電容看作1個恒壓源Vo。每個單元的電感足夠大，以至于每個開關(guān)周期可以將電感上電流看作恒流源，電壓Vrec為整流電壓，可以定義為等式：

式中：Vrec為整流電壓；Vm為輸入電壓最大值；f為工頻電壓頻率50 Hz。

輸入電壓為正弦變化，因此PFC的開關(guān)占空比不是恒定的，其可以表示為

式中：Vo為輸出電壓。

根據(jù)以上分析，該PFC變換器的等效模型可以等效為如圖2所述拓撲電路的等效電路模型。

圖2 PFC變換器的等效模型Fig.2 The equivalent model of PFC converter

3 模態(tài)分析

在文章中，對該變換器的工作模態(tài)進行了分析。該變換器的主開關(guān)管Q1,Q2的驅(qū)動是頻率與占空比相同相位相差180°的驅(qū)動脈沖波形。輔助開關(guān)管Q3的驅(qū)動是超前于主開關(guān)驅(qū)動的固定占空比驅(qū)動脈沖。此變換器在占空比d>0.5與d< 0.5時分別對應8種工作模態(tài)，其前8種工作模態(tài)與后8種工作模態(tài)類似，因此這里只對d>0.5時的前8種工作模態(tài)進行分析。如圖3為所述拓撲電路當d>0.5時的典型波形。

圖3 拓撲的典型波形（占空比d＞0.5）Fig.3 Theoretical waveforms of the proposed topology

1）當t0

式中：VCs為阻尼吸收電容上電壓；Lr為諧振電感。

式中：iD1為升壓二極管上面電流。

2）t1

3）t2

在此區(qū)間內(nèi)，主開關(guān)管滿足零電壓開通狀態(tài)?？梢约俣↙1上面的平均電流是輸入電流在穩(wěn)態(tài)時的一半。輔助開關(guān)管的延時td可以表示為

式中：iin為交流輸入電流。

從式（10）可以看出，最差的情形是在輸入電流最大的時候。輸入輸出電壓是事先知道或事先定義好的，輔助電路參數(shù)值要根據(jù)輸入電流值去計算。也就是說，最差的狀態(tài)取決于變換器的額定功率。

4）t3

5）t4

6）t5

7）t6

8）t7

該變換器的2個獨立單元是以同樣的占空比與頻率工作，唯一不同的是相位相差180°。

4 實驗驗證

制作了1臺5 kW的充電變換器樣機，進行了實驗驗證。變換器參數(shù)要求：輸入電壓AC 220 V，50 Hz；輸出電壓DC 400 V，輸出電流12.5 A；開關(guān)頻率100 kHz。

圖4 輸入電壓和輸入電流波形（輸入電壓220 V）Fig.4 The input voltage and input current waveforms of the topology

圖5 2路交錯的開關(guān)管的驅(qū)動波形Fig.5 Drive waveforms of the interleaved parallelled switch

圖4為典型波形分析，輸入電壓和輸入電流波形，同相位。圖5為2路交錯MOS管驅(qū)動波形，相位相差180°。圖6為驅(qū)動和主開關(guān)管DS電壓波形。圖7a為主開關(guān)管電流和DS電壓波形；圖7b為主開關(guān)開通時的電流與DS電壓波形圖。圖7中主開關(guān)管關(guān)斷時的驅(qū)動與DS電壓波形圖。實現(xiàn)了開通時ZCS，關(guān)斷時ZVS，與理論分析一致。圖8為主開關(guān)管關(guān)斷時的驅(qū)動與DS電壓波形圖，實現(xiàn)了關(guān)斷時的ZVS。圖9、圖10是輸出電壓與輸入電流在動態(tài)變化時的波形變化圖，當負載動態(tài)變化時在幾個周期內(nèi)就恢復了正常。

圖6 驅(qū)動和主開關(guān)管DS電壓波形Fig.6 Drive and the main switch tube DSvoltage waveforms

圖7 主開關(guān)管電流和DS電壓波形Fig.7 The main switch tube current and DSvoltage waveforms

圖8 主開關(guān)管關(guān)斷時的驅(qū)動與DS波形Fig.8 The main switch shut off driving waveforms and DSwaveforms

圖9 輸出電壓與輸入電流波形（從2.5 kW到5 kW突變）Fig.9 Output voltage and input current waveforms（mutation from 2.5 kW to 5 kW）

圖10 輸出電壓與輸入電流波形（從5 kW到2.5 kW突變）Fig.10 Output voltage and input current waveforms（mutation from 5 kW to 2.5 kW）

5 結(jié)論

本文提出一種新型的有源交錯并聯(lián)Boost軟開關(guān)電路，分析了該電路的工作過程并給出了實驗結(jié)果。Boost主開關(guān)實現(xiàn)了零電流開通，零電壓關(guān)斷，消除了電壓和電流的交疊現(xiàn)象，減小了開關(guān)損耗，提高了工作效率。并且，二極管的反向恢復電流為零，解決了二極管的反向恢復問題，大大改善了硬開關(guān)PWM變換器引起的EMI問題。另外，輔助開關(guān)管實現(xiàn)了零電壓開通和零電壓關(guān)斷，因為輔助開關(guān)管的電流應力較小，所以可以選用小電流開關(guān)管。并對該樣機進行了動態(tài)測試，穩(wěn)定性良好，值得推廣。

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修改稿日期：2016-06-15

A Soft Switch Interleaved Parallel PFC Converter

ZHU Zigeng，LI Caisheng，HUANG Dongjie，LIU Xiangli
（XJ POWER Co.，Ltd，Xuchang 461000，Henan，China）

The article focused on a active soft switch interleaved parallelled Boost PFC converter based on TI UCC28070 controlled，proposed a new kind of active parallel Boost soft switching circuit.On both ends of the Boost the main switch，parallelled by an active auxiliary switch and the snubber capacitor branch，the main switch of the Boost circuit could achieve zero voltage switching，the diode reverse recovery loss could be reduced greatly.And，during the entire switching cycle，additional auxiliary switching was zero voltage switching.Finally，designing a 5 kW experiment，the results show that the circuit of power devices are all realized the soft switching.

soft switch；interleaved parallel；zero-voltage-switching

TM921

A

10.19457/j.1001-2095.20161115

朱子庚（1983-），男，碩士研究生，中級工程師，Email：zzg.good@163.com

2015-11-06