单相Boost型功率因数校正电路软开关技术的综述

单相Boost型功率因数校正电路软开关技术的综述CNET中国·PChome.net·原创作者:王文倩，陈敏，徐德鸿责编:段勇峰时间:2006-08-14关键词：功率因数校正；软开关技术；DC/DC变换中图分类号:文献标识码:文章编号：0引言近二十年来电力电子技术得到了飞速的发展，已广泛应用到电力、冶金、化工、煤炭、通讯、家电等领域。多数电力电子装置通过整流器与电力网接口，经典的整流器是一个由二极管或晶闸管组成的非线性电路，它会在电网中产生大量电流谐波和无功功率，污染电网，成为电力公害。在20世纪80年代中后期，开关电源有源功率因数校正技术引起了国内外许多学者的重视，进行了许多专题研究并取得了大量成果。有源功率因数校正技术在整流器与滤波电容之间增加一个DC/DC开关变换器。在各种单相PFC电路拓扑结构中，Boost升压型功率因数校正电路由于具有主电路结构简单，变换效率高，控制策略易实现等优点而得到广泛应用。高频化可以减小有源功率因数校正电路的体积、重量，提高电路的功率密度。为了使电路能够在高频下高效率地运行，有源功率因数校正电路的软开关技术成为重要的研究方向。本文对单相Boost有源功率因数校正电路软开关技术进行了分类，并对每一类型的电路的拓扑结构、工作方式及工作特点做出了分析。1零电压开关（ZVS）PWM功率因数校正电路ZVS工作方式是指利用谐振现象及有关器件的箝位作用，使开关变换器中开关管的电压在开启或关断过程中维持为零。图1电路为ZVS功率因数校正电路，也称扩展周期准谐振功率因数校正电路[1]。在辅助开关S1开通时，电感Lr抑制二极管Df的反向恢复，电感Lr与电容Cf发生谐振至流过开关S1的电流降至输入电流大小。开关S2导通后，电感Lr与电容Cf再次谐振至流过开关S1的电流为0，电容Cf两端电压为Vo，使开关S1、开关S2实现ZV-ZCS关断。电路的不足之处是开关的电流应力比较大。图1扩展周期准谐振功率因数校正电路2零电压转换（ZVT）PWM功率因数校正电路在ZVT工作方式中，谐振网络拓扑与主电路是并联的。零转换PWM功率因数校正电路的导通损耗和开关损耗很小，能实现零开关特性而不增大开关的电流或电压应力，适用于较高电压和大功率的变换器。图2所示电路是传统的ZVT电路[2]。电感Lr与主开关S1寄生电容谐振使其寄生二极管导通，开关S1实现ZVS开通；同时，电感Lr抑制了二极管D1的反向恢复，二极管D2为电感Lr中的能量提供释放回路。图2ZVT-PWM功率因数校正电路之一及波形图此电路的优点在于主开关ZVS开通，二极管D1的反向恢复得到抑制，电路结构简单；不足之处是辅助开关硬开通。图3所示是对传统ZVT电路的改进电路[3]，其开关时序、主开关的电压、电流波形与图2相同。改进之处是在电感回路中串接二极管D3消除升压二极管D1寄生电容与电感Lr寄生振荡；在二极管D2两端并接电容减小了开关S2的关断损耗，可以提高电路的效率。图3ZVT-PWM功率因数校正电路之二及波形图电路的不足之处是改进后电路的辅助开关仍为硬开通。图4所示电路[4]主开关S1为ZVS开通，其开通过程与上面两种电路稍有不同，当谐振电感Lsn2与电容Csn1与开关S1寄生电容谐振至开关S1两端电压为零时，开关S1开通；Csn1与Csn2可改善开关S1、S2的关断过程，减小关断损耗；电感Lsn2抑制了二极管D的反向恢复，二极管Db、Dc为电感Lsn2提供能量释放回路。图4ZVT-PWM功率因数校正电路之三及波形图电路不足之处是辅助开关S2硬开通。图5电路[5]对图4所示电路进行了改进。如波形图所示，主开关S1开通前，其寄生二极管已经导通，开关S1实现ZVS开通；开关S1开通后，由于耦合电感的作用，促使流过Lx的电流迅速减小至接近零，辅助开关S2实现了ZCS关断；电容Cf减小了电路的关断损耗。图5ZVT-PWM功率因数校正电路之四及波形图电路的不足之处是辅助开关S2硬开通，电路结构与工作方式比较复杂。图6所示电路是对传统ZVT电路的又一改进电路[5]。在主开关S1开通前，其寄生二极管已经导通，开关S1可实现ZVS开通；开关S1开通后，由于耦合电感的作用，流过辅助开关S2的电流迅速下降至接近零，开关S2被击穿二极管Ds钳制在一个很低的电压，开关S2实现ZCS关断。图6ZVT-PWM功率因数校正电路之五及波形图电路的不足之处是辅助开关硬开通，电路的结构与工作方式比较复杂。图7所示电路结构与以上的ZVT结构差别比较大[7]。主开关S1关断后，二极管D开通，电容Cc通过耦合电感N2放电，开关S2寄生二极管开通实现了ZVS开通；开关S2关断后，开关S1寄生二极管开通实现了ZVS开通。同时，耦合电感N1抑制了二极管D的反向恢复，耦合电感N2则为N1中的能量提供了释放回路。图7ZVT-PWM功率因数校正电路之六及波形图此电路的优点是两个开关均为ZVS开通，二极管D的反向恢复得到抑制，电路结构简单。不足之处在于两个开关均为硬开关关断，辅助开关S2的电压应力较大。图8所示电路是一种新型ZVT有源功率因数校正电路[7]。在辅助开关S2开通前，电容Cr两端电压为负，S2开通后，电感Lr与电容Cs、Cr发生谐振使主开关S1寄生二极管导通实现了ZVS开通；当流过开关S1的电流由负变正时，电感Lr与电容Cb、Cr谐振，二极管D5导通，开关S2实现ZV-ZCS关断。图8ZVT-PWM功率因数校正电路之七及波形图电路优点在于主开关S1实现了ZVS开通，辅助开关S2实现了ZV-ZCS关断，二极管D1的反向恢复得到抑制，以上几点都可以显著提高电路效率。电路不足之处是辅助开关硬开通，主开关电流应力比较大。图9所示电路结构与电路的工作方式比较特殊[8]。主开关S1关断后，其寄生电容被恒流充电至输出电压Vo，为辅助开关S2提供ZV-ZCS关断，此时二极管Do及D4导通；开关S2关断后，电感L与开关S2寄生电容发生谐振至开关S2两端电压等于Vo，二极管D3导通；当流过电感L的电流减少至零时，电感L与开关S1、S2的寄生电容谐振，谐振结束时，开关S1和S2两端电压与流过两开关的电流均为零，开关S1和S2实现了ZV-ZCS开通。图9ZVT-PWM功率因数校正电路之八及波形图此电路的优点是开关S1、S2实现ZV-ZCS开通，开关S1实现了ZVS关断，二极管的反向恢复得到抑制，开关电压电流应力较小，电路结构简单。不足之处是电感L始终有电流流过，导致电流中环流较大，会增大通态损耗。3零电流开关（ZCS）PWM功率因数校正电路ZCS工作方式是指利用谐振现象及有关器件的箝位作用，使开关变换器中开关管电流在开启或关断过程中维持为零。从图10电路及波形图[10]可以看出，主开关S1首先开通，通过开关S1的电流逐渐增加至输入电流值，此时二极管D1、D2关断，电容Cr反向充电至Vo；辅助开关S2开通后，电容Cr与Lr2谐振，当电容Cr两端电压降至零时，二极管D1导通，电容Cr与电感Lr1、Lr2谐振至开关S1、S2反并二极管开通，两开关实现ZCS关断。图10ZCS-PWM功率因数校正电路之一及波形图此电路的优点在于开关S1、S2均实现了ZCS关断，两个二极管的反向恢复得到抑制；不足之处是两开关硬开通，电容Cr与电感Lr2，电容Cr与电感Lr1、Lr2的谐振回路要通过输出端，会增大输出端的电压波动。图11电路[11]是对图10电路进行了改进，改进后的电路工作方式及波形与图10电路基本一致。图11的电路将二极管两端并联的电容改为与开关S2和电感Lr2并联，这样，谐振回路就不会包含输出端,不会引起输出端电压的波动。其不足之处仍在于两开关硬开关开通。图11ZCS-PWM功率因数校正电路之二及波形图图12电路[12]与以上两电路的最大区别在于实现了一个开关的ZVS开通。如波形图所示，主开关S1开通，电感Ls抑制了二极管D的反向恢复，电感Ls与电容Cc谐振，开关S2反并二极管开通，为开关S2提供ZVS开通；电容Cc与电感Ls继续谐振，流过电容Cc的电流反向时，开关S1反并二极管开通，实现ZCS关断。图12ZCS-PWM功率因数校正电路之三及波形图此电路的优点是主开关S1实现了ZCS关断，辅助开关S2实现了ZVS开通，因此，此电路又称为ZV-ZCS电路。电路的不足之处在于辅助开关S2的硬关断。4零电流转换（ZCT）PWM功率因数校正电路图13电路为传统的零电流转换功率因数校正电路[13]。如图13所示，辅助开关S2开通时，电容Cr与电感Lr谐振，主开关S1反并二极管导通，实现ZCS关断；开关S1反并二极管关断后，开关S2关断，二极管D1开通，为电感Lr提供能量释放回路。图13ZCT-PWM功率因数校正电路之一及波形图此电路的优点是实现了主开关S1的ZCS关断，电路结构简单。不足之处是，辅助开关硬开关开通关断，二极管的反向恢复没有得到抑制，主开关电流应力较大。图14电路对传统的ZCT-PWM功率因数校正电路进行了改进[14]。如图14波形图所示，开关S2开通时，电容Cr、电感Lr谐振，流过二极管D1的电流逐渐减小到零，其反向恢复得到抑制；谐振电流换向后，开关S2反并二极管导通，实现ZCS关断；开关S2开通后，电容Cr与电感Lr谐振，开关S1反并二极管导通，实现ZCS关断。图14ZCT-PWM功率因数校正电路之二及波形图此电路的优点是实现了开关S1、S2的ZCS关断，二极管的反向恢复得到抑制；不足之处是辅助开关在一个开关周期有两次开关过程，电路工作方式中谐振较多，都会增大电路的损耗。3零电流开关（ZCS）PWM功率因数校正电路ZCS工作方式是指利用谐振现象及有关器件的箝位作用，使开关变换器中开关管电流在开启或关断过程中维持为零。从图10电路及波形图[10]可以看出，主开关S1首先开通，通过开关S1的电流逐渐增加至输入电流值，此时二极管D1、D2关断，电容Cr反向充电至Vo；辅助开关S2开通后，电容Cr与Lr2谐振，当电容Cr两端电压降至零时，二极管D1导通，电容Cr与电感Lr1、Lr2谐振至开关S1、S2反并二极管开通，两开关实现ZCS关断。图10ZCS-PWM功率因数校正电路之一及波形图此电路的优点在于开关S1、S2均实现了ZCS关断，两个二极管的反向恢复得到抑制；不足之处是两开关硬开通，电容Cr与电感Lr2，电容Cr与电感Lr1、Lr2的谐振回路要通过输出端，会增大输出端的电压波动。图11电路[11]是对图10电路进行了改进，改进后的电路工作方式及波形与图10电路基本一致。图11的电路将二极管两端并联的电容改为与开关S2和电感Lr2并联，这样，谐振回路就不会包含输出端,不会引起输出端电压的波动。其不足之处仍在于两开关硬开关开通。图11ZCS-PWM功率因数校正电路之二及波形图图12电路[12]与以上两电路的最大区别在于实现了一个开关的ZVS开通。如波形图所示，主开关S1开通，电感Ls抑制了二极管D的反向恢复，电感Ls与电容Cc谐振，开关S2反并二极管开通，为开关S2提供ZVS开通；电容Cc与电感Ls继续谐振，流过电容Cc的电流反向时，开关S1反并二极管开通，实现ZCS关断。图12ZCS-PWM功率因数校正电路之三及波形图此电路的优点是主开关S1实现了ZCS关断，辅助开关S2实现了ZVS开通，因此，此电路又称为ZV-ZCS电路。电路的不足之处在于辅助开关S2的硬关断。4零电流转换（ZCT）PWM功率因数校正电路图13电路为传统的零电流转换功率因数校正电路[13]。如图13所示，辅助开关S2开通时，电容Cr与电感Lr谐振，主开关S1反并二极管导通，实现ZCS关断；开关S1反并二极管关断后，开关S2关断，二极管D1开通，为电感Lr提供能量释放回路。图13ZCT-PWM功率因数校正电路之一及波形图此电路的优点是实现了主开关S1的ZCS关断，电路结构简单。不足之处是，辅助开关硬开关开通关断，二极管的反向恢复没有得到抑制，主开关电流应力较大。图14电路对传统的ZCT-PWM功率因数校正电路进行了改进[14]。如图14波形图所示，开关S2开通时，