Boost ZVT-PWM变换器在单相功率因数校正的应用

荣军 李一鸣

（1. 湖南理工学院信息与通信工程学院；2. 湖南理工学院计算机学院，湖南岳阳 414006）

1 引言

目前，Boost电路已广泛应用于单相整流电源的功率因数校正技术中。传统的 Boost电路工作在硬开关状态，其特点是工作在不连续导电模式时，电感电流峰值正比于输入电压，输入电流波形跟随输入电压波形，因而控制简单。但是缺点是开关不仅要通过较大的通态电流，而且关断较大的峰值电流引起很大的关断损耗，同时还会产生严重的电磁干扰。因此在Boost电路中采用软开关技术不但可以提高开关频率，而且可以解决开关开通与关断损耗，容性开通，感性关断和二极管反相恢复四大缺陷。然而在软开关技术方面前人已经提出好几种电路，比如说谐振型变换器，准谐振变换器和零开关PWM变换器等电路，虽然在单相功率因数校正电路中采用这些电路可以提高功率因数和提高系统的效率，但是总体上并不理想。本文采用 Boost ZVT-PWM[1]变换电路，使其工作软开关状态，特点是工作在连续导电模式，优点是功率开关管开通损耗和二极管的反向恢复损耗都大大降低，较之采用传统硬开关控制技术的功率因素校正提高了一大步。通过电路仿真和实际电路设计，发现都可以很好达到功率因数校正的目的，而且显著减少了功率管的开关损耗，抑制了电磁干扰，可获得较高的效率。

2 几种Boost软开关电路介绍

2.1 Boost谐振变换器

Boost谐振变换器[1]利用谐振现象，开关器件中的电流可以减小到零以后而实现开关器件的关断，这种变换器电路克服了功率开关管开关损耗随开关频率成正比提高的缺点，能使开关损耗减小，工作频率提高，为高压大功率开关电源的高频化实现提供了可能。该类变换器实际上是负载谐振型变换器，按照谐振元件的谐振方式，分为串联谐振变换器和并联谐振变换器两类。按负载与谐振电路的连接关系，谐振变换器可分为两类:一类是负载与谐振回路相串连，称为串联负载谐振变换器；另一类是负载与谐振回路相并联，称为并联负载谐振变换器。在谐振变换器中，谐振元件一直谐振工作，参与能量变换的全过程。该变换器与负载关系很大，对负载的变化很敏感，一般采用频率调制方法。

2.2 Boost准谐振变换器

Boost准谐振变换器(Quasi-resonant converters，QRCs)和多谐振变换器(Multi-resonant converters，MRCs)，是软开关技术的一次飞跃。这类变换器的特点是谐振元件参与能量变换的某一阶段，不是全程参与。在变换器的开关管中加入一个谐振电感和一个谐振电容构成谐振开关(Resonant switch)，根据开关管与谐振电感和谐振电容的不同组合，谐振开关可分为零电流谐振开关(Zero-current resonant switch)和零电压谐振开关(Zero-voltage resonant switch)。根据谐振开关的用途，准谐振变换器分为零电流开关准谐振变换器和零电压开关准谐振变换器。多谐振变换器是为了同时实现功率开关管和二极管的软开关而发展起来的一种新型软开关技术，可以降低二极管的开关损耗和开关管的电压应力，进一步提高效率。一般应用零电压多谐振变换器，因为它可以直接利用开关管和二极管的结电容，形成零电压谐振开关QRCs和MRCS由于实现了开关管的软开关，可以将开关频率提高到几 MHz甚至几十MHz。但是由于它们的开关频率是变化的，很难优化设计滤波器，而且电压和电流应力很大[1]。

2.3 Boost零开关PWM变换器

Boost零开关 PWM变换器[2]可分为零电压开关PWM变换器(Boost ZVS-PWM)和零电流开关PWM变换器(Boost ZCS-PWN)。该类变换器是在准谐振变换器的基础上，加入一个辅助开关管，来控制谐振元件的谐振过程，实现恒定频率控制，即实现PWM控制。与准谐振变换器不同的是，谐振元件的谐振工作时间与开关周期相比短，一般为开关周期的1/10至1/50。

2.4 Boost谐振变换器

Boost谐振变换器(包括准谐振和多谐振变换器)的谐振电感和谐振电容一直参与能量传递，而且它们的电压和电流应力很大。而零开关PWM变换器中，虽然谐振元件不是一直谐振工作，但谐振电感却串联在主功率回路中，它的损耗较大，同时，开关管和谐振元件的电压应力和电流应力与准谐振变换器的完全相同，为此提出了零转换PWM变换器[2]。它可分为零电压转换PWM变换器(Boost ZVT-PWM)和零电流转换PWM变换器(Boost ZCT-PWM)。这类变换器是软开关技术的又一飞跃。它的特点是变换器工作在PWM方式下，辅助谐振电路只是在主开关管开关时工作一段时间实现开关管的软开关，其它时候不工作，从而减小了辅助电路的损耗，而且辅助电路并联在主功率回路中，辅助电路的工作不会增加主开关管的电压和电流应力，主开关管的电压和电流应力很小。下面重点分析Boost ZVT-PWM变换器。

3 Boost ZVT-PWM变换器主电路拓扑及工作原理

3.1 电路零转换工作原理

Boost ZVT-PWM变换电路[2]如图1所示，下面来分析所采用电路的工作原理和电路运行模式：Boost ZVT-PWM变换器不同于传统的Boost变换器，图1和图2分别为它的电路图及波形图。Boost ZVT-PWM 变换器在传统的 Boost 变换器基础上增加了一个 ZVT 网络，该网络由辅助开关 QZVT、谐振电感Lr、谐振电容Cr及二极管D2和D3组成。电路工作时，辅助开关QZVT先于主开关 QMAIN开通，使 ZVT 谐振网络工作，电容Cr上电压（即主开关QMAIN两端电压）下降到零，创造主开关QMAIN零电压开通条件。

3.2 运行模式分析

假设输入电感足够大，可以用恒流源IIN代替，而输出滤波电容足够大，输出端可用恒压源VO代替。设T＜T0时，QMAIN和QZVT均关断，D1导通，一个工作周期可分为七个工作模式[3]，其中每个工作模式可以等效一个电路。图 2为Boost ZVT-PWM变换器工作波形图。下面是一个周期内Boost型ZVT-PWM变换器各个阶段的运行模式分析，一周期内7个运行模式的等效电路如图3所示。

图1 Boost ZVT-PWM 变换器主电路

图2 Boost ZVT-PWM 变换器波形图

（1）T0 ～T1Lr电流线形上升阶段

t=T0，辅助开关 Tr1开通，谐振电感电流 iLr线形上升，t=T1时达Is，二极管D的电流ID则由Is线形下降，t=T1时降到零电流下关断。若采用快速恢复二极管，可忽略D的反向恢复电流。这一阶段Vds不变，等效电路如图3（a）。

（2）T1～T2谐振阶段

LrCr谐振，电流iLr谐振上升，而电压Vds由Vo谐振下降。T=T2时，Vds=0，Tr的反并联二极管导通。等效电路如图3（b）。

（3）T2～T3主开关Tr开通

由于Tr的体二极管已导通，创造了 ZVS条件，因此应当利用这个机会，在t=T3时给Tr加驱动信号，使Tr在零电压下导通，等效电路如图3（c）。

（4）T3～T4iLr线形下降阶段

t=T3，Tr1关断，由于 D1导通，Tr1的电压被钳在V0值，Lr的储能释放给负载，其电流线形下降。T=T4时，iLr=0，等效电路图如图3（d）。

（5）T4～T5ids恒流阶段

T=T4，D1关断，这时Boost型ZVT-PWM变换器如同普通Boost型变换器的开关管导通的情况一样，ids=Is，等效电路如图3（e）。

（6）T5～T6Cr线形充电阶段

t=T5，Tr关断，恒流源Is对Cr线形充电，直至t=T6时，VCr=Vo。等效电路图如3（f）。

（7）T6～T7续流阶段

这个阶段如同普通Boost型变换器开关管关断的情况一样，处于续流状态，直到t=T0，下一周期开始，等效电路图如图3（g）。

图3 Boost型ZVT-PWM变换器一周期内各运行模式的等效电路

4 参数设计以及仿真验算

4.1 电路参数设计

设计指标：单相交流输入220 V，上下波动15%，输出功率为2000 W，效率为90%，输出电压为380 V，变换器工作频率为100 kHz。

4.2 仿真结果

在计算机仿真软件Matlab的Simulink中建立仿真模型进行仿真[4]。仿真参数：Vin=220 V；L=200 µH；fk=100 kHz；Lr=4.7 µH；Cr=470 pF在 Matlab的 Simulink中仿真得到仿真图如图 3所示。

4.3 仿真结果分析

从图4可以看出输入电流较好的跟踪了输入电压，达到了功率因数校正的目的。

5 结论

综上所述：在单相功率因数校正电路中采用Boost ZVT-PWM 变换器，可以实现软开关PFC。

图4 输入电压电流仿真图

实验结果表明很好的达到功率因数校正的目的，而且减少了开关管的损耗，抑制了电磁干扰和提高了系统的效率。

[1] 王增福, 李旭, 魏永明. 软开关电源原理与应用[M].电子工业出版, 2006.

[2] 路秋生. 功率因素校正技术与应用[M]. 北京: 机械工业出版社,2006.

[3] M. L. Martins, J.L. Russi and H.L. Hey. Zero-voltage transition PWM converters: A Classification Methodology. IEE Proc.-Electr. 2005,152(2): 323-334.

[4] 林飞, 杜欣. 电力电子技术与 MATLAB仿真[M].北京: 中国电力出版社, 2005.