基于Pspice的Boost-ZVT变换器的仿真研究

李一鸣

(湖南理工学院 计算机学院, 湖南 岳阳 414006)

基于Pspice的Boost-ZVT变换器的仿真研究

李一鸣

(湖南理工学院 计算机学院, 湖南 岳阳 414006)

讨论了功率因数校正电路—Boost-ZVT变换器. 区别于以往的Boost变换器, 它实现了主开关管的软关断, 减少了开关损耗. 并利用Pspice软件对主电路进行了仿真, 仿真结果表明Boost-ZVT变换器在功率因数校正设计中具有良好的的效果, 而且有很高的实用价值.

功率因数校正; Boost-ZVT; 仿真

引言

由整流二极管和滤波电容组成的整流滤波电路应用十分普遍, 价格低廉、可靠性高是它的突出优点, 但是它对电网的谐波污染却十分严重, 由整流二极管和滤波电容组成的整流滤波电路主要存在如下的问题[1]:

1. 启动时产生很大的冲击电流, 约为正常工作电流的十几倍至数十倍;

2. 正常工作时, 由于整流二极管导通角很小, 形成一个幅度很高的窄脉冲, 电流波峰因数(CF)高、电流总谐波畸变率(THD)通常超过100%, 同时引起电网电压波形的畸变;

3. 功率因数(PF)低, 一般约为0.5～0.6.

大量应用整流电路, 使供给电网产生了严重畸变的非正弦电流, 输入电流中除含有基波外, 还含有很多的奇次、高次谐波分量, 这些高次谐波倒流入电网, 引起严重的谐波“污染”, 造成严重危害. 为了减少AC/DC变流电路输入端谐波电流造成的噪声和对电网产生的谐波“污染”, 以保证电网供电质量, 提高电网的可靠性, 同时也为了提高输入端功率因数, 以达到节能的效果, 必须限制AC-DC电路的输入端谐波电流分量. 由此可知提高功率因数在AC/DC开关电源应用中具有重大的意义.

1 Boost ZVT-PWM变换器主电路拓扑及工作原理

1.1 Boost ZVT-PWM变换器工作原理

Boost ZVT-PWM变换电路[2]如图1所示. Boost ZVT-PWM变换器不同于传统的Boost 变换器[1], 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, 该网络由辅助开关谐振电感谐振电容及二极管组成. 电路工作时, 辅助开关先于主开关开通, 使ZVT 谐振网络工作, 电容上电压(即主开关两端电压)下降到零,创造主开关QMAIN零电压开通条件.

图1 峰值电流模式控制PWM原理图

1.2 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V0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[2]. 图2为电路工作波形图, 现分析如下:

图2 Boost ZVT-PWM 变换器波形

1) t0～t1. 在t0之前, 主开关QMAIN和辅助开关QZVT关断, 二极管D1导通, 负载电流全部流过D1.在t0时刻, 辅助开关QZVT导通, 随着QZVT的开通,谐振电感Ir中的电流线性上升到IIN. 而二极管D1中的电流线性下降至零, 二极管D1零电流关断, 即实现了二极管的软关断. 而在实际电路中, 二极管D1需要经历反向恢复以除结电荷. 此时, ZVT谐振电感Ir上的电压为V0.

2) t1～t2. 在t1时刻, 谐振电感Lr中的电流线性上升到IIN, Lr和Cr开始谐振. 在谐振周期内, Cr放电直到电压为零. 漏极电压变换率ddut由Cr控制, Cr实际上是CDS与COSS的和. 在Cr放电的同时, 谐振电感中的电流则持续上升. 漏极电压降至零所需的时间长度应是谐振周期的四分之一. 在谐振周期结束时, 主开关管的体二极管开通. 这一期间结束时, QMAIN的体二极管开通.

3) t2～t3. 这一期间开始时, 主开关QMAIN的漏极电压降到零, 其体内二极管开通. 流过体二极管的电流由ZVT电感提供. 由于电感两端的电压为零, 因此二极管处于续流状态. 而与此同时, 主开关管实现了零电压开通.

4) t3～t4. 在t3时刻, 控制电路感应到主开关管QMAIN的漏极电压降为零时开通主开关管QMAIN, 同时关断辅助开关管QZVT. 在辅助开关管QZVT关断后, Lr中的能量通过二极管D2向负载传输.

5) t4～t5. 在t4时刻, D2中的电流下降到零, 此时电路的工作状态与普通的升压变换器相同. 而实际当中, Lr将与辅助开关管QZVT的结电容COSS发生谐振, 使二极管D1阳极电压为负.

6) t5～t6. 这个阶段电路的工作过程和普通的Boost升压变换几乎完全一致, 主开关管QMAIN关断, 其漏-源结电容被充至V0, 主二极管D1开始向负载供电. 由于一开始结电容使漏极电压为零, 因此主开关管QMAIN的关断损耗大大降低.

7) t6～t0. 这个阶段处于续流状态, 二极管D1导通, 电路通过电感L为负载提供能量.

2 Boost ZVT-PWM变换器主电路参数计算

设计指标: 单相交流220±10%V, 输入频率50Hz/60Hz, 输出电压为直流380V, 变换器效率大于95%,功率因数大于98%.

2.1 升压电感L的计算

最大峰值电流出现在电网电压最小, 负载最大时[3]

假设容许20%的电流脉动, 则有

在最低线电压时Boost变换器最小占空比

2.2 输出滤波电容C0的选择

输出电容C0由两个因数决定[3], 第一: 保持时间tH; 第二: 输出电压纹波的大小. 输出电容由容许的输出最大纹波电压决定, 输出纹波电压频率为2倍的基频率, 设容许的最大输出纹波电压为

故可取C0= 2200. Fμ

2.3 谐振电感Lr的设计

谐振电感通过为升压电感电流提供交替的电流通路控制着二极管的二极管的反向恢复时间是关闭时的局部函数, 如果所控制的设定, 该二极管的反向恢复时间可近似估算出大约为60ns. 如果电感限制上升时间到因为

2.4 谐振电感 Lr 的设计

3 Boost ZVT-PWM变换器主电路参数计算

为了验证主电路设计的可行性和参数选择的正确性, 利用Pspice软件对该主电路进行仿真和分析[5].

图3为Boost ZVT-PWM变换器的Pspice仿真模型图. 根据前面的理论计算, 最后的仿真参数为: 输入电压Vin为单相220V, 升压电感L为470μH , 谐振电感Lr为8.3μ H, 谐振电感Cr为479pF, 输出滤波电容C0为2200μF, 开关频率f为100kHz.

图3 Boost型ZVT-PWM Pspice仿真模型

图4 为主开关管Tr和辅助开关管Tr1的驱动波形图, 图中显示了主开关管Tr是在辅助开关管Tr1关断后才开通的, 而且辅助开关管导通时间很短, 显著地减少了开关管Tr1的损耗.

图5为主开关管Tr驱动波形Vgs, 漏源电流波形Ids以及漏源电压Vds仿真波形图. 图中我们可以看到主开关管在开通前先有电流反向流过其体内二极管, 使漏极电压箝位到零, 再加驱动脉冲从而实现零电压开通. 当驱动脉冲变为零时, 由于主开关管漏源极两端并联着谐振电容, 使得主开关管漏源两端的电压缓慢上升, 从而实现零电压关断.

图4 主开关管Tr和辅助开关管Tr1驱动波形

图5 主开关管Tr驱动波形、漏源电流波形和电压波形

从图6中我们清楚地看到输入电流很好跟随交流输入电压, 实现了功率因数校正的目的.

4 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. 仿真结果表明该变换器能很好地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.

图6 输入交流电压和交流波形

[1] 周志敏, 周纪海, 纪爱华. 开关电源功率因数校正电路设计与应用[M]. 北京: 人民邮电出版社, 2004

[2] 胡雪梅, 孙旭松. 有源功率因数校正技术及发展[J]. 电气时代. 2006(4): 116～118

[3] Jong-Lick Lin, Member, IEEE, and Chin-Hua Chang.Small-signal modeling and control ofZVT-PWMboost converter[J]. IEEE Transaction on Inductrial Electronics. 2003, (1): 210

[4] Wannian Huang, Gerry Moschopoulos, Member, IEEE.A new family ofZVT-PWMconverters with dual active auxiliary circuits[J]. IEEE Transactions on Power Electronics. 2006, (2): 370～380

[5] 吴建强. Pspice仿真实践[M]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学出版社, 2001

The Simulation Research of Boost-ZVT Converter Based on Pspice

LI Yi-ming
(College of Computer Science, Hunan Institute of Science and Technology, Yueyang 414006, china)

This paper focuses on the power factor correction circuit—Boost-ZVT converter. Distinguished from the past Boost converter, the Boost-ZVT converter, it implements the main switch of the soft turn-off, reducing switching losses. Finally, Pspice software is carried out the main circuit simulation. The simulation results show that Boost-ZVT converter has a good effect in power factor correction design, but also a high practical value.

PFC; Boost-ZVT; simulation

TP311

A

1672-5298(2010)03-0034-05

2010-05-27

李一鸣(1979- ), 女, 湖南岳阳人, 硕士, 湖南理工学院计算机学院讲师. 主要研究方向: 计算机硬件及DPS技术