無整流橋Boost PFC軟開關電路的研究

李方元，楊　艷，劉曉東，王景兵

(青島大學 自動化工程學院，山東 青島 266071)

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無整流橋Boost PFC軟開關電路的研究

李方元，楊艷，劉曉東，王景兵

(青島大學 自動化工程學院，山東 青島 266071)

摘要:在硬開關條件下，功率器件的開關頻率越高，其開關損耗越大，致使變流電路的效率降低，并且功率器件的發熱量增大，溫升提高，這極大限制了變換電路在大功率場合的應用。據此，文章研究了無整流橋Boost軟開關PFC電路。該電路省去了傳統PFC電路中的整流橋，導通元件減少，導通損耗降低。同時，該電路引入了諧振網絡，僅用一個有源輔助開關管實現了主功率開關管的軟開關狀態，輔助開關管也工作在軟開關狀態，提高了電路的效率。文中分析了主拓撲的工作原理及其特性，并進行了仿真試驗驗證，實驗結果驗證了理論分析的正確性。

關鍵詞：無輸入整流橋；功率因數；軟開關

0　引　言

電力電子器件的高頻化發展，促使電力電子裝置在電網中得到大量應用，然而由其導致的電網諧波污染和無功功率污染也引起了人們的普遍關注。在各種單相PFC電路中，Boost電路具有輸入電流連續、電路結構簡單、變換效率高等優點，因而應用廣泛。

在硬開關狀態下，功率器件開關損耗大，降低了電路的變換效率。續流二極管的反向恢復問題也給電路的正常工作造成干擾。因此本文討論了無整流橋Boost軟開關電路，軟開關網絡的引入使兩個主開關管均工作在軟開關狀態，并且兩個開關管共用一個輔助開關。此種設計降低了主開關管的開關損耗，提高了開關管的開關頻率。同時，使二極管的反向恢復不再干擾電路的正常工作，降低了電路的EMI，提高了電路的變換效率。

1　無整流橋Boost PFC軟開關電路的工作原理

無整流橋Boost PFC軟開關電路的主拓撲如圖1所示。此電路由整流電路、升壓電路和諧振網絡構成。輸入電感L，主開關管S1、S2，續流二極管D1、D2與輸出濾波電容Co在電感電流連續狀態下，可實現功率因數校正；輔助開關管S3、二極管D3～D6、諧振電感Lr與諧振電容Cr構成軟開關網絡，使主開關管S1、S2與續流二極管D1、D2均工作在軟開關狀態。同時，輔助開關管S3也工作在軟開關狀態。

圖1 無整流橋BoostPFC軟開關電路的主拓撲

2　軟開關工作過程

鑒于電路結構的對稱性，只分析電路工作在工頻正半周內主開關管S1和續流二極管D1的換流過程。每周期的工作過程可分為7個模態，其工作模態如圖2所示。軟開關實現過程具體如下：

(1)開關模態1 [t0～t1]

圖2 軟開關電路工作模態

在t0時刻之前，所有的開關管均處于關斷狀態，續流二極管D1導通，輸入電感電流等于續流二極管D1上的電流。此時，電路工作在由二極管D1和S2的反并聯二極管導通續流的普通升壓電路的狀態。

t0時刻，觸發開關管S3開通。此時，續流二極管D1向諧振電感Lr和輔助開關管S3換流。通過電感Lr的電流呈線性緩慢增長，因此，開關管S3的開通近似于零電流開通。隨著諧振電感電流的線性增長，續流二極管D1的電流則隨之緩慢下降。因此，續流二極管D1的關斷實現了軟關斷，其反向恢復損耗也因此降低。

為便于理論分析計算，假設通過輸入電感的電流不變，即iL。

則諧振電感電流為：

(1)

諧振電容電壓為：

(2)

(3)

(2) 開關模態2[t1～t2]

在t1時，續流二極管D1關斷。與此同時，諧振電感Lr與電容Cs1發生串聯諧振，諧振回路為Lr-D3-S3-Cs1。諧振過程中，電容Cs1放電，而諧振電感Lr的電流則持續增大。至t2時，電容Cs1的端電壓降為零。與此同時， S1的體內二極管開始準備導通。這一階段諧振電感Lr的電流為：

(4)

電容Cs1的電壓為：

(5)

(6)

諧振電容Cr的電壓為：

(7)

式中，

(8)

電容CS1上的端電壓在t2時降為零。同時，諧振電感Lr上的電流值增至最大，且

(9)

(3)開關模態3[t2～t3]

t2時，電容CS1上的電壓降為零，于是S1的體內反并聯二極管導通，主開關管S1的端電壓被鉗位至約-0.7 V。此時，主開關管S1的開通可以近似為零電壓開通。此階段，諧振電感Lr的電流為：

(10)

諧振電容Cr的電壓為：

(11)

(4)開關模態4[t3～t4]

t3時，輔助開關管S3關斷。因為諧振電容Cr的電壓不能突變，所以輔助開關管S3的電壓緩慢上升，因此S3的關斷特性得到改善。此刻，諧振電感Lr、諧振電容Cr及二極管D5發生串聯諧振。輔助二極管D5因其開通前端電壓為零，所以輔助二極管D5的開通可視為零電壓開通。

在此過程中，

(12)

(13)

(14)

式中，

(15)

在諧振過程中，Lr存儲的能量轉移至諧振電容Cr中。若Cr的端電壓值大于輸出電壓Uo的值，則電容的電壓將被鉗位于輸出電壓Uo。

(5)開關模態5 [t4～t5]

t4時，諧振電感Lr的電流降為零。因此，流過輔助二極管D5的電流在此時也變為零。所以二極管D5的關斷可看做零電流關斷。此時，觸發主開關管S1開通。在這一階段，軟開關網絡處于不工作狀態。電路的工作過程類似于單開關升壓電路。

電路的相關方程為：

(16)

(6)開關模態6[t5～t6]

在t5時，主開關管S1關斷，輸入電感L上的電流開始對電容CS1進行充電。主開關管S1兩端的電壓呈線性增長(從零開始緩慢上升)并等于電容CS1上的電壓。與此同時，諧振電容開始放電。至t6時刻，電容CS1的電壓上升到Uo,而諧振電容的電壓則降為零。此刻，續流二極管D1開通，輔助二極管D3與D6關斷。因此，二極管D1的開通為零電壓開通，D3與D6的關斷則為零電壓關斷。若諧振電容的電壓為輸出電壓，則

(17)

(18)

(7)開關模態7 [t6～t7]

電感L的電流經續流二極管D1向負載續流。此過程中，軟開關網絡不參與工作。

在此過程中：

(19)

至t7時刻，輔助開關管S3導通。進入下一個開關階段。

因為電路結構的對稱性，主開關管S2、續流二極管D2的開關過程與主開關管S1、續流二極管D1的開關過程類似，不再討論。

3　控制電路的設計

本電路的PFC電路采用平均電流模式控制，電路工作在CCM(電感電流連續模式)下。在交流輸入的正半周，主開關管S1工作，并且主開關管S2的體內反并聯二極管導通，因此主開關管S2有門極信號也不影響電路的正常工作。同樣的道理在交流輸入的負半周，給主開關管S1施加門極信號，對電路的工作也無影響。因此，主開關管S1和S2的驅動信號可同時給出。輔助開關管S3的驅動信號可由主開關管驅動信號移相得到。

4　實驗結果分析

根據分析計算，試驗電路的相關參數如下：輸入電壓為220 VAC,輸出電壓為400 V，輸入電感L=1 mH,諧振電感Lr=10 μH,諧振電容Cr=10 nF,輸出濾波電容Co=10 μF。試驗波形如圖4所示。由圖4(a)可知主開關管S1的開通與關斷均處于軟開關狀態；圖4(b)為主開關管S1的門極電壓與續流二極管D1的電壓波形，由圖可得D1關斷后S1開通，所以二極管的反向恢復電流所帶來的問題得以解決；由圖4(c)可以看出電路實現了較好的PFC。該試驗結果驗證了理論分析的正確性。

圖4 試驗結果

5　結束語

本文提出了無整流橋Boost軟開關PFC電路。該電路直接通過交流輸入進行PFC校正，省掉了整流橋，導通器件減少，通態損耗也得到降低。輔助諧振網

絡的引入實現了Boost電路主開關管的軟開關狀態，并解決了由電流連續狀態下二極管反向恢復所帶來的干擾問題。

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研制開發

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

中圖分類號：TM741.3

文獻標識碼：A

文章編號：1009-3664(2015)02-0004-03

作者簡介：李方元(1990-)，女，山東聊城人，碩士研究生，研究方向為電力電子技術。

收稿日期：2014-11-24