于仲安 葛庭宇 何俊杰

摘 要： 傳統(tǒng)的軟開關(guān)電路能較好地解決Boost有源功率因數(shù)校正（APFC）電路中開關(guān)管開通與關(guān)斷時所引起的損耗高、升壓二極管關(guān)斷時反向恢復(fù)引起的尖峰電流沖擊大的問題；但隨之出現(xiàn)的是升壓二極管在關(guān)斷后要承受2倍于輸出電壓的反向峰值，并且軟開關(guān)電路元器件應(yīng)力也較大。提出一種適用于Boost 升壓電路的無源無損軟開關(guān)電路，在理論分析軟開關(guān)電路工作過程的基礎(chǔ)上進(jìn)行仿真實驗。結(jié)果證明開關(guān)管實現(xiàn)了零電流開通和零電壓關(guān)斷所有二極管軟開關(guān)，并且電路中所有元器件的電壓電流應(yīng)力小，提高了電路的工作效率。

關(guān)鍵詞： 軟開關(guān)電路； 無源無損電路； 有源功率因數(shù)校正； 升壓電路； Boost； 升壓二極管

中圖分類號： TN643+.3?34； TM743 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）16?0043?04

Abstract： The traditional soft?switching circuit can resolve the problems of the high loss at the moment of switch?on and switch?off of the switch tube in the Boost active power factor correction （APFC） circuit， and the large impact of the peak current caused by the reverse recovery at the moment of switch?off of the booster diode. However， the booster diode has to bear a reverse peak being twice of the output voltage at the moment of its switch?off， and the component stress of the soft?switching circuit is relatively large. Therefore， a passive lossless soft?switching circuit suitable for the Boost booster circuit is proposed. On the basis of theoretical analysis of the working process of the soft?switching circuit， a simulation experiment was carried out. The results show that the switch tube can realize zero?current turn?on and zero?voltage turn?off of all diodes′ soft?switching， and the small voltage and current stresses of all the components in the circuit， which can improve the working efficiency of the circuit.

Keywords： soft?switching circuit； passive lossless circuit； active power factor correction； boosted circuit； Boost； booster diode

0 引 言

由于開關(guān)電源在各類電力電子設(shè)備、電路中的廣泛應(yīng)用，其與電網(wǎng)相接時所引起的諧波污染會給電網(wǎng)帶來嚴(yán)重的危害[1]，甚至破壞電路線路，損壞用電設(shè)備[2]。為了減小電力電子裝置對配電網(wǎng)的污染，APFC被廣泛應(yīng)用在各類開關(guān)器件中[3]。另外隨著開關(guān)電源的逐步提升，開關(guān)管高頻化已成為一種趨勢，但開關(guān)管的通斷損耗也隨之增加。軟開關(guān)技術(shù)作為解決開關(guān)電源高頻通斷所引起損耗的關(guān)鍵技術(shù)之一，已成為時下的研究熱點。目前主要研究方法有RCD無損緩沖電路、有源緩沖電路、諧振變換器和無損軟開關(guān)等技術(shù)[4]。與其他緩沖技術(shù)不同的是，無源無損軟開關(guān)電路僅需少量的儲能元件，無需額外增加有源開關(guān)管[5]，且電路結(jié)構(gòu)相對簡單[6]、性能優(yōu)越、可靠性高、得到較為廣泛的實際研究[7?8]。

基于此本設(shè)計提出一種適用于Boost電路的新型無源無損軟開關(guān)電路，所提軟開關(guān)電路沒有增大Boost電路中開關(guān)管與二極管電壓電流的應(yīng)力，開關(guān)管與升壓二極管均實現(xiàn)了軟通斷。同時，軟開關(guān)電路本身也實現(xiàn)了軟通斷且器件應(yīng)力小。分析了無源無損軟開關(guān)電路的工作過程，并在此基礎(chǔ)上結(jié)合有源功率因數(shù)校正芯片UC3854設(shè)計了Boost APFC電路，最后通過仿真證明了分析的合理性。

1 軟開關(guān)電路工作狀態(tài)分析

新型無源無損Boost軟開關(guān)電路如圖1虛線框內(nèi)所示。圖中與升壓二極管[D0]串聯(lián)的電感[Lr]抑制其反向恢復(fù)引起的尖峰電流，并實現(xiàn)開關(guān)管VS的零電流開通。電容[Cr]負(fù)責(zé)開關(guān)管VS的零電壓關(guān)斷與能量的轉(zhuǎn)移。電感[Ls]抑制軟開關(guān)電路在工作過程中引起的諧振電流峰值應(yīng)力，減小開關(guān)管VS以及軟開關(guān)電路的器件應(yīng)力。最終電容[Cs]把諧振的能量回饋至負(fù)載端，這樣在一個周期內(nèi)就實現(xiàn)了開關(guān)管的零損耗。

為了便于分析軟開關(guān)電路的工作模式，假設(shè)：

1） 開關(guān)管與全部二極管均為理想元件[9]，升壓二極管[D0]除外；

2） 輸入電感[L]足夠大，流經(jīng)其電流恒定；

3） 輸出電容[Co]足夠大，輸出電壓紋波忽略不計。

根據(jù)以上三個假設(shè)條件對軟開關(guān)電路的各個工作狀態(tài)進(jìn)行分析，圖2為幾個主要的軟開關(guān)電路理論工作波形圖。

2 仿真分析

本文采用UC3854作為Boost APFC電路的控制芯片，其主要參數(shù)設(shè)置如下：輸入交流電壓[Uin=80～270 V]；開關(guān)頻率[fs=100 kHz]；輸出電壓[Uo=400 V]，輸出功率[Po=250 W]；升壓電感[L=1 mH]，輸出濾波電容[Co=450 μF]。其中功率開關(guān)管采用APT8030LVR型MOSFET，升壓二極管采用快恢復(fù)型MUR3060PT_SL，其余二極管均采用小功率型快恢復(fù)二極管。

關(guān)于軟開關(guān)電路參數(shù)的設(shè)計，應(yīng)保證在開關(guān)管的一個工作周期內(nèi)完成能量的轉(zhuǎn)移和能量往輸出端的回饋，從而實現(xiàn)軟開關(guān)的工作條件[10]，即[Ton]應(yīng)該小于開關(guān)管的導(dǎo)通時間，[Toff]同樣要小于開關(guān)管的關(guān)斷時間，否則將無法實現(xiàn)軟開關(guān)。通過前面的分析經(jīng)過反復(fù)的計算與驗證，最終?。篬Cr=2.9 nF]；[Lr=7.5 μΗ]；[Cs=8 nF]；[Ls=40 μΗ]。

根據(jù)以上計算所得數(shù)據(jù)，在仿真軟件Saber中基于UC3854設(shè)計電路原理圖，并進(jìn)行仿真。圖3為輸入電流和輸入電壓的波形，可見兩者同頻同相，實現(xiàn)了有源功率因數(shù)校正的目的。然后通過軟件的傅里葉分析功能測得輸入電流的[THD=0.020 31]，根據(jù)公式[PF=11+THD2]，求得[PF≈0.999 8]，功率因數(shù)接近于1。圖4為輸出電壓的波形。

圖5為MOSFET的硬開關(guān)波形，可以看出在硬開關(guān)開通的工作狀態(tài)下，電壓還沒有下降，電流就已經(jīng)開始上升，并且電流峰值應(yīng)力高達(dá)25 A；同樣在關(guān)斷狀態(tài)下，電流還沒有下降，電壓已經(jīng)開始上升，兩者的交疊部分非常大，這是引起MOSFET損耗的主要原因。

圖6為軟開關(guān)電路作用下的波形。在開通階段，當(dāng)MOSFET的電壓u（d）下降到5%左右時電流才開始上升，其電流峰值應(yīng)力幾乎為零；在關(guān)斷階段，當(dāng)MOSFET的電流i（d）下降到25%左右時電壓才開始上升。軟開關(guān)電路的整個工作過程有效抑制了開關(guān)管電壓與電流的變化率，從而基本上實現(xiàn)了功率開關(guān)管的零損耗。

圖7為新型無源無損Boost軟開關(guān)電路各個元件的工作波形圖，從上往下依次為[uCs]，[uCr]，[iLs]，[iLr]，明顯可以看出與前面的分析基本一致，而且各元器件的峰值應(yīng)力基本為零，從[iLs]的波形可以得知，[Ls]的存在很好地抑制了諧振過程中產(chǎn)生的電流應(yīng)力。

3 結(jié) 論

本文提出一種新型的適用于Boost電路的無源無損軟開關(guān)電路，并與Boost有源功率因數(shù)校正電路相結(jié)合，在合理分析所提軟開關(guān)電路工作原理的基礎(chǔ)上進(jìn)行了仿真驗證。結(jié)果表明開關(guān)管實現(xiàn)了零電流開通與零電壓關(guān)斷，并且所有元器件的電壓電流應(yīng)力小，減小了電路的工作負(fù)擔(dān)，提高了主PFC電路的工作效率，延長了電路的工作壽命，具有較好的實際應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1] 張衛(wèi)平，王柏樟，張曉強(qiáng).兩種CCM PFC控制器的研究[J].電源學(xué)報，2016，14（5）：7?14.

ZHANG Weiping， WANG Baizhang， ZHANG Xiaoqiang. Research of two CCM PFC controllers [J]. Journal of power supply， 2016， 14（5）： 7?14.

[2] 張占松，蔡宣三.開關(guān)電源的原理與設(shè)計[M].北京：電子工業(yè)出版社，1999.

ZHANG Zhansong， CAI Xuansan. Principle and design of switching power supply [M]. Beijing： Publishing House of Electronics Industry， 1999.

[3] 惠晶，符海軍.無損升壓APFC電路研究與設(shè)計[J].電力電子技術(shù)，2016，50（5）：62?64.

HUI Jing， FU Haijun. Research and design of lossless Boost APFC circuit [J]. Power electronics， 2016， 50（5）： 62?64.

[4] 張厚升.新型無源無損軟開關(guān)boost變換器研究[J].電氣自動化，2009，31（4）：69?71.

ZHANG Housheng. Research on novel passive lossless soft?switching boost converter [J]. Electrical automation， 2009， 31（4）： 69?71.

[5] 張強(qiáng)，林維明.一種最小應(yīng)力的無源無損軟開關(guān)方案[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2016，36（18）：4999?5008.

ZHANG Qiang， LIN Weiming. A novel lossless passive soft?switching cell with minimum stresses [J]. Proceedings of the CSEE， 2016， 36（18）： 4999?5008.

[6] 柴玉華，苑志剛，劉偉麗.一種新型的CCMPFC軟開關(guān)技術(shù)研究[J].電測與儀表，2012，49（2）：90?92.

CHAI Yuhua， YUAN Zhigang， LIU Weili. Research on CCM PFC soft switching technology [J]. Electrical measurement & instrumentation， 2012， 49（2）： 90?92.

[7] ATHAB H S， LU D C， YAZDANI A， et al. An efficient single?switch quasi?active PFC converter with continuous input current and low DC?bus voltage stress [J]. IEEE transactions on industrial electronics， 2014， 61（4）： 1735?1749.

[8] BALESTERO J P R， TOFOLI F L， TORRICO?BASCOP? G V， et al. A DC?DC converter based on the three?state switching cell for high current and voltage step?down applications [J]. IEEE transactions on power electronics， 2013， 28（1）： 398?407.

[9] 姚緒梁，王秋瑤.最小應(yīng)力無源無損緩沖電路參數(shù)設(shè)計與實驗[J].電力電子技術(shù)，2012，46（9）：49?51.

YAO Xuliang， WANG Qiuyao. Parameter design and experiment for a minimum stress passive lossless circuit [J]. Power electronics， 2012， 46（9）： 49?51.

[10] 鄭萬里，佃松宜，鄧翔.新型無源無損軟開關(guān) Cuk 變換器的研制[J].電測與儀表，2015，52（13）：88?91.

ZHENG Wanli， DIAN Songyi， DENG Xiang. Research on passive lossless soft?switching topology applied in Cuk converters [J]. Electrical measurement & instrumentation， 2015， 52（13）： 88?91.