一种软开关交错并联PFC变换器
2016-12-06朱子庚李彩生黄栋杰刘向立
朱子庚，李彩生，黄栋杰，刘向立
（许继电源有限公司，河南 许昌 461000）
一种软开关交错并联PFC变换器
朱子庚，李彩生，黄栋杰，刘向立
（许继电源有限公司，河南 许昌 461000）
重点研究了基于TI的UCC28070控制的一种有源软开关交错并联Boost PFC变换器，提出了一种新型的有源交错并联的Boost软开关电路。在Boost主开关两端并联一个由有源辅助开关和关断缓冲吸收电容组成的有源缓冲吸收支路，Boost的主开关管可以实现零电压开通与关断，二极管的反向恢复带来的能量损耗能够大大减少。并且，在整个开关周期期间，附加的辅助开关管是零电压开关。最后，设计试制了一台5 kW实验样机，结果表明，该电路的所有功率器件均实现了软开关。
软开关；交错并联；零电压开关
Boost PFC电路因其拓扑结构简单，容易实现得到了广泛应用，然而，传统的Boost电路在低输入电压大电流场合表现出功率半导体器件发热严重、升压电感体积急剧增加、变换器功率密度及效率急剧下降等问题。
这里给出1种新型有源软开关交错并联Boost PFC变换器电路拓扑，与传统的交错并联Boost电路相比，该拓扑中的主开关实现了零电压开关，辅助开关的引入并没有给主开关管带来额外的电压应力，并且辅助开关在整个开关周期均是零电压开通和零电压关断。
1 交错并联BoostPFC变换器
交错并联BoostPFC变换器拓扑电路如图1所示。图1中，L1,L2为Boost升压电感；Q1,Q2为主开关管；D1,D2为升压二极管。阻尼吸收电容Cs,Lr,Q3,Cr构成谐振放电回路，在主开关管Q1,Q2开通前Q3分别先提前1个周期开通，将Q1,Q2上面的电荷放到母线上，使主开关管实现零电压开通。Lr为谐振电感，Cr为谐振电容，与MOS管Q3的结电容形成LCC谐振放电回路。Q3的驱动可以是以Q1,Q2的驱动脉冲信号上升沿为触发信号的触发器提前1个周期的脉冲信号产生。
图1 交错并联BoostPFC变换器拓扑电路Fig.1 Interleaved parallel BoostPFC converter circuit topology
2 理论分析与等效模型建立
在该拓扑电路分析中可以将输出滤波电容看作1个恒压源Vo。每个单元的电感足够大，以至于每个开关周期可以将电感上电流看作恒流源，电压Vrec为整流电压，可以定义为等式：
式中：Vrec为整流电压；Vm为输入电压最大值；f为工频电压频率50 Hz。
输入电压为正弦变化，因此PFC的开关占空比不是恒定的，其可以表示为
式中：Vo为输出电压。
根据以上分析，该PFC变换器的等效模型可以等效为如图2所述拓扑电路的等效电路模型。
图2 PFC变换器的等效模型Fig.2 The equivalent model of PFC converter
3 模态分析
在文章中，对该变换器的工作模态进行了分析。该变换器的主开关管Q1,Q2的驱动是频率与占空比相同相位相差180°的驱动脉冲波形。辅助开关管Q3的驱动是超前于主开关驱动的固定占空比驱动脉冲。此变换器在占空比d>0.5与d< 0.5时分别对应8种工作模态，其前8种工作模态与后8种工作模态类似，因此这里只对d>0.5时的前8种工作模态进行分析。如图3为所述拓扑电路当d>0.5时的典型波形。
图3 拓扑的典型波形（占空比d＞0.5）Fig.3 Theoretical waveforms of the proposed topology
1）当t0 式中：VCs为阻尼吸收电容上电压；Lr为谐振电感。 式中：iD1为升压二极管上面电流。 2）t1 3）t2 在此区间内，主开关管满足零电压开通状态。可以假定L1上面的平均电流是输入电流在稳态时的一半。辅助开关管的延时td可以表示为 式中：iin为交流输入电流。 从式（10）可以看出，最差的情形是在输入电流最大的时候。输入输出电压是事先知道或事先定义好的，辅助电路参数值要根据输入电流值去计算。也就是说，最差的状态取决于变换器的额定功率。 4）t3 5）t4 6）t5 7）t6 8）t7 该变换器的2个独立单元是以同样的占空比与频率工作，唯一不同的是相位相差180°。 制作了1台5 kW的充电变换器样机，进行了实验验证。变换器参数要求：输入电压AC 220 V，50 Hz；输出电压DC 400 V，输出电流12.5 A；开关频率100 kHz。 图4 输入电压和输入电流波形（输入电压220 V）Fig.4 The input voltage and input current waveforms of the topology 图5 2路交错的开关管的驱动波形Fig.5 Drive waveforms of the interleaved parallelled switch 图4为典型波形分析，输入电压和输入电流波形，同相位。图5为2路交错MOS管驱动波形，相位相差180°。图6为驱动和主开关管DS电压波形。图7a为主开关管电流和DS电压波形；图7b为主开关开通时的电流与DS电压波形图。图7中主开关管关断时的驱动与DS电压波形图。实现了开通时ZCS，关断时ZVS，与理论分析一致。图8为主开关管关断时的驱动与DS电压波形图，实现了关断时的ZVS。图9、图10是输出电压与输入电流在动态变化时的波形变化图，当负载动态变化时在几个周期内就恢复了正常。 图6 驱动和主开关管DS电压波形Fig.6 Drive and the main switch tube DSvoltage waveforms 图7 主开关管电流和DS电压波形Fig.7 The main switch tube current and DSvoltage waveforms 图8 主开关管关断时的驱动与DS波形Fig.8 The main switch shut off driving waveforms and DSwaveforms 图9 输出电压与输入电流波形（从2.5 kW到5 kW突变）Fig.9 Output voltage and input current waveforms（mutation from 2.5 kW to 5 kW） 图10 输出电压与输入电流波形（从5 kW到2.5 kW突变）Fig.10 Output voltage and input current waveforms（mutation from 5 kW to 2.5 kW） 本文提出一种新型的有源交错并联Boost软开关电路，分析了该电路的工作过程并给出了实验结果。Boost主开关实现了零电流开通，零电压关断，消除了电压和电流的交叠现象，减小了开关损耗，提高了工作效率。并且，二极管的反向恢复电流为零，解决了二极管的反向恢复问题，大大改善了硬开关PWM变换器引起的EMI问题。另外，辅助开关管实现了零电压开通和零电压关断，因为辅助开关管的电流应力较小，所以可以选用小电流开关管。并对该样机进行了动态测试，稳定性良好，值得推广。 ［1］赵相瑜，袁继敏，王艳硕.交错并联Boost PFC电路的应用研究［J］.电力电子技术，2010，44（1）：65-67. ［2］汪洋，罗全明，支树播，等.一种交错并联高升压BOOST变换器［J］.电力系统保护与控制，2013，41（5）：133-139. ［3］高晶，蔡旭，曹云峰.带交错并联APFC的恒流稳压开关电源的设计［J］.电源技术，2011，33（1）：73-75. ［4］Jayakumar M S，Ajeesh G.A High Efficient High Input Power Factor Interleaved Boost Converter［J］.International Journal of Electrical and Computer Engineering（IJECE），2012，2（3）：339-344. 修改稿日期：2016-06-15 A Soft Switch Interleaved Parallel PFC Converter ZHU Zigeng，LI Caisheng，HUANG Dongjie，LIU Xiangli The article focused on a active soft switch interleaved parallelled Boost PFC converter based on TI UCC28070 controlled，proposed a new kind of active parallel Boost soft switching circuit.On both ends of the Boost the main switch，parallelled by an active auxiliary switch and the snubber capacitor branch，the main switch of the Boost circuit could achieve zero voltage switching，the diode reverse recovery loss could be reduced greatly.And，during the entire switching cycle，additional auxiliary switching was zero voltage switching.Finally，designing a 5 kW experiment，the results show that the circuit of power devices are all realized the soft switching. soft switch；interleaved parallel；zero-voltage-switching TM921 A 10.19457/j.1001-2095.20161115 朱子庚（1983-），男，硕士研究生，中级工程师，Email：zzg.good@163.com 2015-11-06
4 实验验证
5 结论
（XJ POWER Co.，Ltd，Xuchang 461000，Henan，China）
