一种改进的ZCT无桥功率因数校正电路设计

2015-02-28李彦斌张安堂王君力

电子器件 2015年6期

李彦斌，张安堂，韩闯，王君力

（空军工程大学防空反导学院，西安 710051）

电力电子装置的广泛使用给电网带来了严重的谐波污染，增加了电网损耗，严重影响了电网质量［1-3］。如何消除电网谐波、提高电网效率和电网容量已经成为国内外研究的重点。功率因数校正PFC（Power Factor Correction）技术因为能够使输入电流的相位和形状跟踪输入电压，从而消除电网谐波、提高电网功率因数，已经成为了电力电子技术研究的热点［4-6］。

传统的全桥功率因数校正电路如图1所示，主要由整流桥和Boost变换器组成。然而随着输出功率的增加，整流桥的二极管的压降将会严重影响PFC电路的效率［7-8］。无桥PFC电路通过减少半导体器件的数量，从而减少PFC电路的损耗，提高PFC电路的效率，因而得到了广泛地研究［9-10］。为了进一步提高PFC电路的效率，软开关技术因其能够降低开关损耗而被大量应用到了PFC电路中。文献［11］中提出的软开关无桥PFC电路虽然实现了主开关的零电压导通，但是其关断过程却是典型的硬关断；文献［12］中，主开关实现了零电流关断，但是增加了主开关的电流应力。文献［13］中提出的改进的无桥功率因数校正电路，在满载时的效率最高可达98%，不适适应用大功率场合。文献［14］中提出的改进型双升压功率因数校正电路，其输出功率比文献［13］中设计的电路输出功率高，但是电路的效率有所下降。

本文在无桥软开关PFC电路的基础上，提出了一种改进的零电流转换ZCT（Zero Current Transi⁃tion）开关的无桥PFC电路。该无桥PFC电路减少了半导体器件的数量，并且实现了主开关和辅助开关的零电流导通和零电流关断，减小了PFC电路的损耗，提高了PFC电路的效率。

图1 传统的全桥功率因数校正电路

1 拓扑结构及工作原理

1.1 改进ZCT无桥PFC的拓扑结构

改进ZCT无桥PFC电路的拓扑结构如图2所示。该电路用两个IGBT开关管S1、S2取代了传统整流桥中的两个整流二极管，D1、D2为开关管IGBT的内置续流二极管。虚线框内为改进ZCT的谐振回路，由辅助开关管Sr、谐振电感Lr、谐振电容Cr、辅助整流二极管Dr以及Sr反并的二极管Dx组成。

图2 基于改进型ZCT无桥PFC电路

当输入电压UAC＞0时，二极管Sa导通，Sb截止，谐振回路与开关管S1构成ZCT软开关，开关管S2关断，S2的内置二极管D2处于续流状态。升压电感L、开关管S1和辅助谐振回路、二极管D1、S2的内置二极管D2一起构成Boost升压PFC电路。当输入电压UAC＜0时，工作过程与之类似。因此仅对UAC＞0时电路的工作模态进行分析。

图3 UAC＞0时改进ZCT无桥PFC电路的工作过程

为了简化分析，作如下假设：①所有元器件都是理想元件；②由于开关频率远大于输入电压的工频频率，升压电感L足够大，故在一个开关周期内，输入电压源UAC及升压电感可以用恒流源Ii代替；③滤波电容C足够大，故在一个开关周期内滤波电容C和负载R可以等效为一个恒压源。

该电路在一个工作周期内可分为10个工作模态，详细分析如下：工作波形如图4所示。设初始状态时（t0时刻），主开关管S1处于截止状态，升压电感L通过二极管VD1向负载放电，辅助谐振回路不工作，电路工作在常规PWM模式。谐振电感Lr上的电流iLr(t0)=0，谐振电容Cr上的电压VCo=IiZr。

图4 电路的工作波形

2 电路的分析与设计

2.1 主开关管零电流关断的条件

2.2 谐振元件Lr、Cr的选取

为了不影响主开关的正常工作，谐振电路的谐振周期不能太长，否则将延长主开关的工作周期，或者影响主开关的零电流关断的条件，一般要求谐振周期为，

由式（35）、式（36）可以确定出合适的谐振电感值和谐振电容值。

2.3 开关管的损耗分析

谐振回路的加入实现了主开关管的零电流导通和零电流关断，大大减小了主开关管的导通损耗和关断损耗。相对于硬开关而言，谐振回路的谐振却会增加主开关管的通态损耗。主开关的通态损耗为，

通常情况下，谐振回路增加的通态损耗要远小于在硬开关下的导通损耗和关断损耗。

2.4 升压电感和滤波电容的选择

升压电感值的取值决定了输入电流的纹波，因此采用限制电流脉动的原则来确定升压电感的值。考虑最差情况，当输出功率达到额定功率，电感电流的纹波为峰值电流的20%时，升压电感的取值为，

滤波电容取值主要由输出功率、输出电压和电压纹波决定，其典型值为1μF/W～2μF/W。通常，在设计滤波电容时还应兼顾到输出电压的保持时间，保持时间与滤波电容的关系式为

式中，Δt为保持时间，Vomin为输出电压的最小值，通常要求在输出电压的10%以内。

3 仿真与实验验证

在MATLAB软件中搭建了改进ZCT无桥PFC电路模型，对电路进行仿真验证。仿真的条件为：输入电压为220 V市电，输出电压400 V，输出功率1 000 W，主开关管工作频率100 kHz，仿真结果如图7所示。

从图5（a）中可以看出，该PFC电路在仿真条件下实现了输入电流对输入电压的良好跟踪，功率因数为0.992，且输入电流的纹波较小。从图5（b）中可以看出，输入电流的谐波成分小，谐波畸变率THD=8.7%，有效地抑制输入电流中的谐波。

图5 电路的仿真结果

为了验证理论分析和仿真结果，制作一台输入电压为220 V市电，输出电压400 V，输出额定功率为1000 W，工作频率为100 kHz的改进型ZCT无桥PFC样机。其参数为：主开关管S1、S2选用IXGH10N60A；辅助开关管Sr选用IRG4BC30UD；二极管VD1、VD2选用DSEI12-10A；二极管Sa、Sb选用MUR360；二极管Dr选用MUR860；升压电感L为1.2 mH滤波电容C为2 000 μF/500 V；谐振电感Lr为5.2 μH；谐振电容Cr为4.3 nH/1 000 V。

电路采用CCM控制模式，控制电路由TI公司的UCC3818控制芯片及其外围控制电路，两片单稳态集成芯片CD4098以及驱动电路构成。CD4098作用是利用UCC 3818产生的PWM控制信号来产生辅助开关管的控制信号。

图6为输入电压为220 V，输出电压为400 V，输出额定功率为1000 W时输入电压和输入电流的波形。该工作条件下，电路的功率因数为0.987，谐波畸变率为10.1%，实现了输入电流对输入电压的良好跟踪。

图6 输入电压波形和输入电流波形

图7（a）为主开关管开关过程中的电压电流波形，图7（b）为辅助开关管开关过程中的电压电流波形。从图中可以看出，主开关管和辅助开关管的开通和关断都是在零电流下完成的，有效减小了开关管的损耗。

图8为文献［13］中设计的改进无桥Boost功率因数校正电路的效率η和功率因数λ值的变化曲线，该样机输入为85 VAC～265 VAC，输出为400 V/300 W，由图8分析可知，在全电压范围内，效率η保持在92.5%以上，最大可达98%。

图7 主开关管和辅助开关管的关键波形

图8 电路效率η和功率因数λ值的变化曲线

图9为本文所设计的改进ZCT无桥PFC电路与全桥PFC电路的效率对比关系图，样机输入电压为220 V，输出电压为400 V，工作频率为100 kHz。从图中可以看出，在额定功率范围内，改进ZCT无桥PFC电路的效率高达98.15%，要明显高于全桥PFC电路，同时也高于文献［13］中所设计功率因数校正电路的最大效率98%，且输出功率为1 000 W，电路效率获得了显著提高，该功率因数校正电路适用于大功率场合。

图9 效率与输出功率的关系

图10为输入电压为220 V，输出电压为400 V，输出额定功率1 000 W时，工作频率变化时，改进ZCT无桥PFC电路与全桥PFC电路的效率对比。当频率由50 kHz增加到150 kHz，ZCT无桥PFC电路的效率略有下降，而全桥PFC电路当工作频率超过120 kHz时，效率下降明显。

图10 效率与工作频率的关系

4 结论

提出了一种改进型ZCT无桥PFC电路，实现了主开关管和辅助开关管的零电流导通和零电流关断。本文对提出的PFC电路进行了工作模态、工作条件和损耗分析。最后通过仿真和实验表明，该PFC电路相对于传统全桥PFC电路效率有显著的提高，相比于其他的功率因数校正电路的效率也有所提高，与理论分析相符，并且适用于大功率场合。

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