PDF《一种 ZVT 无整流桥 Boost功率因数校正》

第14卷第10期2010年10月电机与控制学报ELE CTR IC M ACH INE S AND CONTROL Vol

14 No

10 Oc.

t

2010 一种 ZVT无整流桥 Boost功率因数校正 罗全明

1 , 高聪哲

2 , 周雒维

1 ( 1. 重庆大学 输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室, 重庆 400044;

2. 清华大学 电机工程与应用电子系, 北京 100084) 摘要: 针对传统 Boost功率因数校正 ( PFC)在低压输入时由于导通损耗大, 效率偏低的问题, 提出 一种零电压转换 ( ZVT)无整流桥 Boost PFC.对一个开关周期内各开关的通断情况, 主要电压、 电流 变化情况等进行详细分析, 结果表明主开关及辅助开关都实现了软开关, 并且具有最小电压、 电流应 力, 在此基础上研究软开关实现条件, 最后制作一台用单周控制方法控制的 ZVT 无整流桥 Boost PFC 实验样机.实验结果表明, 主开关实现了零电压开通、 近似零电压关断, 辅助开关实现了零电流开通、 零电流关断, 额定条件下功率因数在

0 99以上, 效率可达

96 %, 验证了理论分析的正确性. 关键词: 无整流桥;

功率因数校正;

零电压转换;

单周控制 中图分类号: TM

461 文献标志码: A 文章编号:

1007 - 449X( 2010) 10-

0044 -

06 Zero voltage transition bridgeless Boost PFC LUO Q uan m ing

1 , GAO Cong zhe

2 , ZHOU Luo wei

1 ( 1. State Key Laboratory of Power Transm ission Equ ipm ent and Syste m Security and Ne w Technology , Chongqing University , Chongq ing 400044, Ch ina ;

2 . Departm ent of E lectrical Engineering, TsinghuaUn ivers ity , Beijing 100084, China) Abstract : The conducting loss of the trad itional Boost pow er factor correction ( PFC ) is h igh , w hich re su lts in the low efficiency of i, t especially when the input voltage is low. A ccord ing to these above , a ZVT bridgeless Boost PFC is proposed . The on off status of the sw itches and themain voltages and cur rents in one sw itch ing period are analyzed in detai.l The resu lts have show n that the main sw itches and the aux iliary sw itch have realized soft sw itch, and the voltage and current stresses of the m is m in i m ized . Based on these above , the condition to realize soft sw itch is analyzed . Finally, a prototype adopting one cycle controlmethod is constructed , the experi mental resu lts have shown that themain sw itch is zero volt age on and nearly zero voltage of, f the auxiliary sw itch is zero current on and of. f The pow er factor is a bove

0 99 , and the efficiency have come up to

0 96 when the input and output is nor ma, l w hich have verified the correctness of the theoretical analysis . K ey words : bridgeless ;

pow er factor correction;

zero voltage transition ;

one cycle control 收稿日期: 2009- 09-

28 基金项目: 国家自然科学基金项目 ( 50907076);

国家重点实验室自主研究项目 ( 2007DA10512710202) 作者简介: 罗全明 (

1976 ), 男, 博士, 讲师, 研究方向为半导体照明电源、 通讯电源、 电力谐波治理等;

高聪哲 (

1985 ), 男, 博士研究生, 研究方向为电力谐波治理等;

周雒维 (

1954 ), 男, 博士, 教授, 博士生倒是, 研究方向为电力电子技术, 电路理论及应用等.

0 引言传统 Boost型电路拓扑由于电路简单、 EM I滤 波器小, 驱动方便等优点而在功率因数校正领域得 到广泛采用 [ 1- 3] , 但由于导通损耗大, 其存在效率偏 低的缺点, 这在低压输入时尤其明显 [

3 ] .相对于传 统Boost功率因数校正 ( pow er factor correction, PFC) 电路, 无整流桥 Boost PFC 电路由于除去了输入端 的整流桥, 降低了导通损耗, 效率可提高

1 % 左右[4- 7] , 但由于开关工作在硬开关方式下, 存在开关 损耗大、 E M I严重等缺点.为了实现装置小型化、 减 小开关损耗、 降低 EM I , 软开关技术被广泛用于 PFC 电路中. 文献 [ 8]提出的零电压转换 Boost PFC 电路是 基于文献 [ 9]提出的零电压转换 ( zero voltage transi tion , ZVT)电路, 这种电路可以实现主开关的零电压 开通与关断, 并且实现了主二极管的软开关, 辅助开 关也在零电流条件下开通, 但是辅助开关却是硬关 断, 并且 ZVT 辅助电路的二极管不全是软开关, 文献[10]提出传统 Boost PFC 实现 ZVT 的方案, 该方 案实现了主开关的零电压开关, 并且实现了与辅助 开关的零电流开关, 但是辅助开关相对于主开关浮 地, 驱动电路复杂.文献 [ 11]提出的零电压转换无 整流桥 Boost PFC 电路是基于文献 [ 12]提出的 ZVT 电路, 主开关、 辅助开关及所有二极管都可以实现软 开关.文献 [ 11- 12]中指出, 为减小 ZVT电路的能 量循环, 可不在主开关两端并联电容, 同样可以实现 主开关的近似零电压关断, 但必须保证 ZVT 电路中 电容两端的电压在主开关关断之前正好为输出电 压, 这对其容值的选取提出了较苛刻的要求.本文 提出了一种新型无整流桥 ZVT PFC电路, 如图 1所示, 与文献 [ 11]中的电路相比增加了电容 Cr4, 其容 值比 C r3小得多, 可以更好地实现主开关的零电压 关断. 本文对所提出的 ZVT 无整流桥 PFC 的工作原 理进行了详细分析, 分析了 ZVT 实现的条件及其影 响因数, 并对采用的单周控制方法 [ 13- 15] 控制的无整 流桥 Boost PFC实验样机进行了实验验证.

1 工作原理 本文所提出的新型 ZVT 无整流桥 Boost PFC如图1所示, 辅助电路由谐振电感 Lr, 谐振电容 Cr

1、 Cr

2、 Cr

3、 Cr4, 辅助开关 Sr 和二极管 Dr

1、 Dr

2、 D r3与Dr4 构成.在输入电压正半周期内, 由主电路的 L、 S

1、 D

1 与辅助电路的 Lr、 D r

1、 Dr

3、 D r

4、 Cr

1、 Cr

3、 Cr4以及 Sr 构成 ZVT Boost变换器, 而D

2、 Dr2保持截至, S2 保持 导通以提供电流回路, 其等效电路如图 2所示.在 输入电压负半周期内, 由主电路的 L、 S

2、 D2 与辅助 电路的 Lr、 Dr

2、 D r

3、 Dr

4、 Cr

2、 C r

3、 C r4以及 Sr 构成 ZVT Boost变换器工作, D

1、 Dr1保持截至, S1 保持导通以 提供电流回路, 其等效电路如图 3所示. 由于输入电压正半周与输入电压负半周时电路 的工作原理相同, 下面以输入电压正半周为例来分 析新型 ZVT 无整流桥 Boost PFC 的工作原理, 在分 析之前先作如下假设: 开关频率 fs 远远大于输入 电压频率, 电感 L足够大, 在一个开关周期 Ts 内, 流 过电感 L 的电流保持不变, 可用恒流源 I L 替代;

! 输出电容 C 足够大, 输出电压保持恒定, 用恒压 源Uo 替代;

? Cr3 Cr4, Cr1 = Cr2 = Cr;

# 所有开关 器件都是理想器件, 不考虑寄生参数的影响.在一 个开关周期 Ts 内, 有以下 8个开关模态, 各模态的 等效电路和主要工作波形分别如图

4 、 图 5所示. 1)开关模态 1[ t0 ~ t1 ] (如图 4( a )所示 ) 在t0 前一时刻, 电路工作在 PWM 方式, S

1、 Sr 关断, S2 导通, 电流经过电感 L、 二极管 D1 到输出, 再经过开关 S2 流回.在t0 时刻, Sr 开通、 Dr1导通, 谐振电感 Lr 两端电压为 Uo, iLr从0A开始线性上 升, iD1相应线性下降, 到t1 时刻, i D1 降为零而自然 关断.可以看出, 由于辅助电感 Lr 的存在, Sr 在零

45 第10期 罗全明等: 一种 ZVT无整流桥 Boost功率因数校正 电流条件下开通, D1 的关断是软关断, 大大降低了 因为其反向恢复所引起的关断损耗. t1 - t0 = I L Uo /Lr , ( 1) i Lr = Uo Lr ( t- t0 ). ( 2) 2)开关模态 2[ t1 ~ t2 ] (如图 4( b)所示 ) t1 时刻, D1 关断, Cr3与Cr4串联后同 Cr1并联构 成的等效........