基于无桥Boost PFC的软开关电路设计

2021-07-29马建成张庆贺彭爱武

电源技术 2021年7期

马建成，张庆贺，李萍，彭爱武

(1.北京信息科技大学自动化学院，北京 100192；2.中国科学院电工研究所海洋能发电与应用技术研究部，北京 100190)

传统软开关电路包括准谐振电路、零开关PWM 电路以及零转换PWM 电路(图1 所示，虚线框中为软开关单元)。这些电路结构相对简单，但是都只能实现开关管的软开通，而且还先后存在着谐振电压高增加开关管电压应力、需增加辅助开关增加控制电路复杂度等问题[1-5]。本文结合无桥Boost PFC 电路的原理，引入了一种最小应力无源无损单元，在不增加开关管电压应力和辅助开关只增加无源器件的情况下，还能同时实现开关管的软开通和软关断。对软开关电路和基于平均电流的PFC 控制电路进行了设计，并通过Saber 软件进行了仿真，验证了设计的有效性。

图1 传统软开关电路

1 最小应力无源无损无桥Boost PFC 软开关电路分析与设计

引入最小应力无源无损单元的无桥Boost PFC 软开关电路如图2 所示。虚线框中为最小应力无源无损单元，该单元中电容Cs1、Cs2负责提供开关管零电压关断条件；电感Lr1、Lr2负责提供开关管零电流开通条件，并起到限制二极管VD1、VD2的反向恢复电流的作用；Cr1、Cr2起到和Lr1、Lr2发生谐振并将能量反馈给负载的作用。

图2 最小应力无源无损无桥Boost PFC 软开关电路

该电路输入电压正半周时L1、S1、VD1、VD4组成Boost 电路，负半轴时L2、S2、VD2、VD3组成Boost 电路，正负半周工作原理类似，下面仅以正半周为例分析软开关的工作过程。正半周时该电路的等效电路如图3 所示，为简化分析电路工作过程，首先作如下假设：(1)电路中各器件均为理想器件；(2)Cs1

图3 正半周等效软开关电路

图4 软开关一个周期内工作过程

t0～t1阶段：此时S1处于关断状态，Cs1两端电压UCs1等于负载电压Uo，Cr1两端电压UCr1等于零，Lr1上的电流ILr1等于输入电流Iin。

t1～t2阶段：t1时刻，S1导通，电感电流ILr1线性下降，到t2时电流ILr1降到零，此时VD1 关断。这段时间的表达式为：

t2～t3阶段：t2时刻，电容Cs1开始通过D2、Cr1、Lr1、S1放电，UCr1从零开始升高，电流ILr1从零往反方向增加。到t3时刻，Cs1放电完毕，UCs1=0。Cs1放电时间表达式为：

t3～t4阶段：t3时刻，UCs1=0，D1导通，Lr1和Cr1发生谐振，电感电流ILr1通过D1、D2向Cr1充电，UCr1继续升高，到t4时刻ILr1减到零，UCr1达到最大值UCr1max。这段时间等于谐振周期，表达式如下：

t4～t5阶段：t4时刻，由于UCr1达到谐振峰值，D1、D2关断，且UCr1保持在最大值UCr1max。S1处于稳定导通状态，IS1=IL。

t5～t6阶段：t5时刻，S1关断，电源通过L1、D1向Cs1充电，UCs1从零开始上升。同时通过L1、Lr1、Cr1、D3向负载放电，Cr1通过D3放电，UCr1下降，ILr1上升。到t6时刻，UCs1达到最大值，且UCs1max=Uo。

t6～t7阶段：t6时刻，UCr1被钳位到最大值。电源继续通过L1、Lr1、Cr1、D3向负载放电，Cr1继续通过D3放电。到t7时刻，UCr1降到零，ILr1上升到Iin。

t7～t8阶段：t7时刻后，S1处于稳定关断状态。直到t8时刻S1导通，电路进入下一周期。

通过上面的分析可知：当开关管S1开通时，ILr1=Iin，由于电感上的电流不能突变，S1的导通电流缓慢上升，实现了零电流开通；当开关管S1关断时，UCs1=0，S1两端的电压被Cs1钳位，由于电容电压不能突变，S1两端的电压从零开始缓慢上升，实现了零电压关断；另外在整个开关周期中，UCs1的最大值为Uo，所以该软开关没有增加开关管的电压应力。

软开关的设计原则就是在实现软开关的条件下不影响原电路的工作。设计内容主要就是对最小应力无源无损单元中的电感、电容参数进行配置。其中电感Lr影响开通电流的上升时间，Lr越小上升时间越短，越难实现零电流开通，所以Lr不能太小；但Lr也不能太大，太大会增加电路的损耗。另外Cs影响关断电压的上升时间，Cs的值一般小于10 nF，Cr的值一般大于20 倍的Cs的值。

2 平均电流PFC 控制电路设计

虽然平均电流控制电路相对复杂、成本较高，但是其具有电流环增益高、瞬态特性好、总谐波失真和电磁干扰都较小以及噪声不敏感的优点，这里采用基于平均电流的PFC 控制电路。

平均电流PFC 控制电路结构如图6 所示。其控制过程为：输出采样电压与给定电压经过误差放大器放大后得到的输出信号和输入采样电压信号经过乘法器运算后得到的结果值作为电流环的参考值，该参考值和实际电流采样信号经过电流误差放大器以及PI 调节器后，得到的平均电流误差信号与给定的锯齿波信号比较后，输出PWM 控制信号。

图6 平均电流PFC控制原理图

3 Saber 仿真结果

本文设计了输出功率为1 000 W 的最小应力无源无损无桥Boost PFC 软开关变换器进行验证。开关频率为50 kHz，输入的交流电压范围为90～260 V，输出直流电压为400 V，功率因数>0.95。

开关管选择型号为IRFP462 的MOS 管，二极管全部选择MUR3060WT；输入电感L1、L2大小为240 μH，输出电容C大小为50 μF；无源无损单元中电容Cs1、Cs2大小为8 nF，电容Cr1、Cr2大小为300 nF，电感Lr1、Lr2大小为60 μH。仿真电路及结果如图7～10 所示。

图7 软开关无桥Boost PFC 仿真电路

4 结论

由图8 可知，通过硬软开关仿真结果对比，硬开关在开关管开通关断过程中电压电流几乎完全重叠，软开关在开通关断过程中电压电流基本没有重叠，所以本文设计的无桥Boost PFC 软开关电路在没有增加开关管电压应力的情况下实现了开关管的软开通和软关断，有效降低了电路的开关损耗。由图9 和10 可知，功率因数校正之前的输入电流由于大量的高次谐波造成很大的无功损耗，从而使输入电流呈尖峰脉冲状；经过平均电流PFC 控制后输入电流能够很好地跟随输入电压功率因数大于0.95，并且在输入交流电压90～260 V范围内输出直流电压都能稳定在400 V，实现了功率因数校正和恒压输出功能。