无整流桥Boost PFC软开关电路的研究

李方元，杨　艳，刘晓东，王景兵

(青岛大学 自动化工程学院，山东 青岛 266071)



无整流桥Boost PFC软开关电路的研究

李方元，杨艳，刘晓东，王景兵

(青岛大学 自动化工程学院，山东 青岛 266071)

摘要:在硬开关条件下，功率器件的开关频率越高，其开关损耗越大，致使变流电路的效率降低，并且功率器件的发热量增大，温升提高，这极大限制了变换电路在大功率场合的应用。据此，文章研究了无整流桥Boost软开关PFC电路。该电路省去了传统PFC电路中的整流桥，导通元件减少，导通损耗降低。同时，该电路引入了谐振网络，仅用一个有源辅助开关管实现了主功率开关管的软开关状态，辅助开关管也工作在软开关状态，提高了电路的效率。文中分析了主拓扑的工作原理及其特性，并进行了仿真试验验证，实验结果验证了理论分析的正确性。

关键词：无输入整流桥；功率因数；软开关

0　引　言

电力电子器件的高频化发展，促使电力电子装置在电网中得到大量应用，然而由其导致的电网谐波污染和无功功率污染也引起了人们的普遍关注。在各种单相PFC电路中，Boost电路具有输入电流连续、电路结构简单、变换效率高等优点，因而应用广泛。

在硬开关状态下，功率器件开关损耗大，降低了电路的变换效率。续流二极管的反向恢复问题也给电路的正常工作造成干扰。因此本文讨论了无整流桥Boost软开关电路，软开关网络的引入使两个主开关管均工作在软开关状态，并且两个开关管共用一个辅助开关。此种设计降低了主开关管的开关损耗，提高了开关管的开关频率。同时，使二极管的反向恢复不再干扰电路的正常工作，降低了电路的EMI，提高了电路的变换效率。

1　无整流桥Boost PFC软开关电路的工作原理

无整流桥Boost PFC软开关电路的主拓扑如图1所示。此电路由整流电路、升压电路和谐振网络构成。输入电感L，主开关管S1、S2，续流二极管D1、D2与输出滤波电容Co在电感电流连续状态下，可实现功率因数校正；辅助开关管S3、二极管D3～D6、谐振电感Lr与谐振电容Cr构成软开关网络，使主开关管S1、S2与续流二极管D1、D2均工作在软开关状态。同时，辅助开关管S3也工作在软开关状态。

图1 无整流桥BoostPFC软开关电路的主拓扑

2　软开关工作过程

鉴于电路结构的对称性，只分析电路工作在工频正半周内主开关管S1和续流二极管D1的换流过程。每周期的工作过程可分为7个模态，其工作模态如图2所示。软开关实现过程具体如下：

(1)开关模态1 [t0～t1]

图2 软开关电路工作模态

在t0时刻之前，所有的开关管均处于关断状态，续流二极管D1导通，输入电感电流等于续流二极管D1上的电流。此时，电路工作在由二极管D1和S2的反并联二极管导通续流的普通升压电路的状态。

t0时刻，触发开关管S3开通。此时，续流二极管D1向谐振电感Lr和辅助开关管S3换流。通过电感Lr的电流呈线性缓慢增长，因此，开关管S3的开通近似于零电流开通。随着谐振电感电流的线性增长，续流二极管D1的电流则随之缓慢下降。因此，续流二极管D1的关断实现了软关断，其反向恢复损耗也因此降低。

为便于理论分析计算，假设通过输入电感的电流不变，即iL。

则谐振电感电流为：

(1)

谐振电容电压为：

(2)

(3)

(2) 开关模态2[t1～t2]

在t1时，续流二极管D1关断。与此同时，谐振电感Lr与电容Cs1发生串联谐振，谐振回路为Lr-D3-S3-Cs1。谐振过程中，电容Cs1放电，而谐振电感Lr的电流则持续增大。至t2时，电容Cs1的端电压降为零。与此同时， S1的体内二极管开始准备导通。这一阶段谐振电感Lr的电流为：

(4)

电容Cs1的电压为：

(5)

(6)

谐振电容Cr的电压为：

(7)

式中，

(8)

电容CS1上的端电压在t2时降为零。同时，谐振电感Lr上的电流值增至最大，且

(9)

(3)开关模态3[t2～t3]

t2时，电容CS1上的电压降为零，于是S1的体内反并联二极管导通，主开关管S1的端电压被钳位至约-0.7 V。此时，主开关管S1的开通可以近似为零电压开通。此阶段，谐振电感Lr的电流为：

(10)

谐振电容Cr的电压为：

(11)

(4)开关模态4[t3～t4]

t3时，辅助开关管S3关断。因为谐振电容Cr的电压不能突变，所以辅助开关管S3的电压缓慢上升，因此S3的关断特性得到改善。此刻，谐振电感Lr、谐振电容Cr及二极管D5发生串联谐振。辅助二极管D5因其开通前端电压为零，所以辅助二极管D5的开通可视为零电压开通。

在此过程中，

(12)

(13)

(14)

式中，

(15)

在谐振过程中，Lr存储的能量转移至谐振电容Cr中。若Cr的端电压值大于输出电压Uo的值，则电容的电压将被钳位于输出电压Uo。

(5)开关模态5 [t4～t5]

t4时，谐振电感Lr的电流降为零。因此，流过辅助二极管D5的电流在此时也变为零。所以二极管D5的关断可看做零电流关断。此时，触发主开关管S1开通。在这一阶段，软开关网络处于不工作状态。电路的工作过程类似于单开关升压电路。

电路的相关方程为：

(16)

(6)开关模态6[t5～t6]

在t5时，主开关管S1关断，输入电感L上的电流开始对电容CS1进行充电。主开关管S1两端的电压呈线性增长(从零开始缓慢上升)并等于电容CS1上的电压。与此同时，谐振电容开始放电。至t6时刻，电容CS1的电压上升到Uo,而谐振电容的电压则降为零。此刻，续流二极管D1开通，辅助二极管D3与D6关断。因此，二极管D1的开通为零电压开通，D3与D6的关断则为零电压关断。若谐振电容的电压为输出电压，则

(17)

(18)

(7)开关模态7 [t6～t7]

电感L的电流经续流二极管D1向负载续流。此过程中，软开关网络不参与工作。

在此过程中：

(19)

至t7时刻，辅助开关管S3导通。进入下一个开关阶段。

因为电路结构的对称性，主开关管S2、续流二极管D2的开关过程与主开关管S1、续流二极管D1的开关过程类似，不再讨论。

3　控制电路的设计

本电路的PFC电路采用平均电流模式控制，电路工作在CCM(电感电流连续模式)下。在交流输入的正半周，主开关管S1工作，并且主开关管S2的体内反并联二极管导通，因此主开关管S2有门极信号也不影响电路的正常工作。同样的道理在交流输入的负半周，给主开关管S1施加门极信号，对电路的工作也无影响。因此，主开关管S1和S2的驱动信号可同时给出。辅助开关管S3的驱动信号可由主开关管驱动信号移相得到。

4　实验结果分析

根据分析计算，试验电路的相关参数如下：输入电压为220 VAC,输出电压为400 V，输入电感L=1 mH,谐振电感Lr=10 μH,谐振电容Cr=10 nF,输出滤波电容Co=10 μF。试验波形如图4所示。由图4(a)可知主开关管S1的开通与关断均处于软开关状态；图4(b)为主开关管S1的门极电压与续流二极管D1的电压波形，由图可得D1关断后S1开通，所以二极管的反向恢复电流所带来的问题得以解决；由图4(c)可以看出电路实现了较好的PFC。该试验结果验证了理论分析的正确性。

图4 试验结果

5　结束语

本文提出了无整流桥Boost软开关PFC电路。该电路直接通过交流输入进行PFC校正，省掉了整流桥，导通器件减少，通态损耗也得到降低。辅助谐振网

络的引入实现了Boost电路主开关管的软开关状态，并解决了由电流连续状态下二极管反向恢复所带来的干扰问题。

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研制开发

Study of a Soft-Switching Bridgeless Boost PFC

LI Fang-yuan, YANG Yan, LIU Xiao-dong, WANG Jing-bing

(College of Automation Engineering，Qingdao University，Qingdao 266071，China)

Abstract:Under the condition of hard switching, higher switching frequency of power devices will bring about more switching loss, which leads to lower efficiency and higher temperature rise. These greatly limit the switching frequency of converters in high power applications. Therefore, a soft switching bridgeless Boost PFC circuit is proposed in this article. It leaves out the rectifier bridge in conventional PFC circuit, and reduces device count and conduction loss. Meanwhile, an active auxiliary switch is added to the main switch to realize soft switching of both the main and auxiliary switches, which improves the efficiency of the circuit. Operating principle and characteristics of the main circuit are analyzed, and simulation results that verify the theoretical analysis are presented.

Key words:no input rectifier bridge; power factor; soft switching

中图分类号：TM741.3

文献标识码：A

文章编号：1009-3664(2015)02-0004-03

作者简介：李方元(1990-)，女，山东聊城人，硕士研究生，研究方向为电力电子技术。

收稿日期：2014-11-24