O 引言
近二十年來(lái)電力電子技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，已廣泛應(yīng)用到電力、冶金、化工、煤炭、通訊、家電等領(lǐng)域。多數(shù)電力電子裝置通過(guò)整流器與電力網(wǎng)接口，經(jīng)典的整流器是一個(gè)由二極管或晶閘管組成的非線性電路，它會(huì)在電網(wǎng)中產(chǎn)生大量電流諧波和無(wú)功功率，污染電網(wǎng)，成為電力公害。在20世紀(jì)80年代中后期，開(kāi)關(guān)電源有源功率因數(shù)校正" title="功率因數(shù)校正">功率因數(shù)校正技術(shù)引起了國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者的重視，進(jìn)行了許多專(zhuān)題研究并取得了大量成果。
有源功率因數(shù)校正技術(shù)在整流器與濾波電容之間增加一個(gè)DC／DC開(kāi)關(guān)變換器。在各種單相PFC電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，Boost" title="Boost">Boost升壓型功率因數(shù)校正電路由于具有主電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，變換效率高，控制策略易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。高頻化可以減小有源功率因數(shù)校正電路的體積、重量，提高電路的功率密度。為了使電路能夠在高頻下高效率地運(yùn)行，有源功率因數(shù)校正電路的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)成為重要的研究方向。
本文對(duì)單相Boost有源功率因數(shù)校正電路軟開(kāi)關(guān)技術(shù)進(jìn)行了分類(lèi)，并對(duì)每一類(lèi)型的電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、工作方式及工作特點(diǎn)做出了分析。
l 零電壓開(kāi)關(guān)(ZVS)PWM功率因數(shù)校正電路
ZVS工作方式是指利用諧振現(xiàn)象及有關(guān)器件的箝位作用，使開(kāi)關(guān)變換器中開(kāi)關(guān)管的電壓在開(kāi)啟或關(guān)斷過(guò)程中維持為零。
圖1電路為ZVS功率因數(shù)校正電路，也稱(chēng)擴(kuò)展周期準(zhǔn)諧振功率因數(shù)校正電路。在輔助開(kāi)關(guān)S1開(kāi)通時(shí)，電感Lr抑制二極管Dr的反向恢復(fù)" title="反向恢復(fù)">反向恢復(fù)。電感Lr與電容Cf發(fā)生諧振至流過(guò)開(kāi)關(guān)S1的電流降至輸入電流大小。開(kāi)關(guān)S2導(dǎo)通后，電感Lr與電容Cf再次諧振至流過(guò)開(kāi)關(guān)S1的電流為O，電容Cr兩端電壓為Vo,使開(kāi)關(guān)S1、開(kāi)關(guān)S2實(shí)現(xiàn)ZV—ZCS關(guān)斷。電路的不足之處是開(kāi)關(guān)的電流應(yīng)力比較大。
2 零電壓轉(zhuǎn)換(ZVT)PWM功率因數(shù)校正電路
在ZVT工作方式中，諧振網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渑c主電路是并聯(lián)的。零轉(zhuǎn)換PWM功率因數(shù)校正電路的導(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)損耗很小，能實(shí)現(xiàn)零開(kāi)關(guān)特性而不增大開(kāi)關(guān)的電流或電壓應(yīng)力，適用于較高電壓和大功率的變換器。
圖2所示電路是傳統(tǒng)的ZVT電路。電感Lr與主開(kāi)關(guān)S1寄生電容" title="寄生電容">寄生電容諧振使其寄生二極管導(dǎo)通，開(kāi)關(guān)S1實(shí)現(xiàn)ZVS開(kāi)通；同時(shí)，電感Lr抑制了二極管D1的反向恢復(fù)，二極管D2為電感Lr中的能量提供釋放回路。
此電路的優(yōu)點(diǎn)在于主開(kāi)關(guān)ZVS開(kāi)通，二極管D1的反向恢復(fù)得到抑制，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；不足之處是輔助開(kāi)關(guān)硬開(kāi)通。
圖3所示是對(duì)傳統(tǒng)ZVT電路的改進(jìn)電路，其開(kāi)關(guān)時(shí)序、豐開(kāi)關(guān)的電壓、電流波形與圖2相同。改進(jìn)之處是在電感回路中串接二極管D3消除升壓二極管D1寄生電容與電感Lr寄生振蕩；在二極管D2兩端并接電容減小了開(kāi)關(guān)S2的關(guān)斷損耗，可以提高電路的效率。
電路的不足之處是改進(jìn)后電路的輔助開(kāi)關(guān)仍為硬開(kāi)通。
圖4所示電路主開(kāi)關(guān)S1為ZVS開(kāi)通，其開(kāi)通過(guò)程與上面兩種電路稍有不同，當(dāng)諧振電感Lsn2與電容Csnl與開(kāi)關(guān)S1寄生電容諧振至開(kāi)關(guān)S1兩端電壓為零時(shí)，開(kāi)關(guān)S1開(kāi)通；Csnl與Csn2可改善開(kāi)關(guān)S1、S2的關(guān)斷過(guò)程，減小關(guān)斷損耗；電感Lsn2抑制了二極管D的反向恢復(fù)．二極管Db、Dc為電感Lsn2提供能量釋放回路。
電路不足之處是輔助開(kāi)關(guān)S2硬開(kāi)通。
圖5電路對(duì)圖4所示電路進(jìn)行了改進(jìn)。如波形圖所示，主開(kāi)關(guān)S1開(kāi)通前，其寄生二極管已經(jīng)導(dǎo)通，開(kāi)關(guān)S1實(shí)現(xiàn)ZVS開(kāi)通；開(kāi)關(guān)S1開(kāi)通后，由于耦合電感的作用，促使流過(guò)Lx的電流迅速減小至接近零，輔助開(kāi)關(guān)S2實(shí)現(xiàn)了ZCS關(guān)斷；電容Cr減小了電路的關(guān)斷損耗。
電路的不足之處是輔助開(kāi)關(guān)S2硬開(kāi)通，電路結(jié)構(gòu)與工作方式比較復(fù)雜。
圖6所示電路是對(duì)傳統(tǒng)ZVT電路的又一改進(jìn)電路。在主開(kāi)關(guān)S1開(kāi)通前，其寄生二極管已經(jīng)導(dǎo)通，開(kāi)關(guān)S1可實(shí)現(xiàn)ZVS開(kāi)通；開(kāi)關(guān)S1開(kāi)通后，由于耦合電感的作用，流過(guò)輔助開(kāi)關(guān)S2的電流迅速下降至接近零，開(kāi)關(guān)S2被擊穿二極管Ds鉗制在一個(gè)很低的電壓，開(kāi)關(guān)S2實(shí)現(xiàn)ZCS關(guān)斷。
電路的不足之處是輔助開(kāi)關(guān)硬開(kāi)通，電路的結(jié)構(gòu)與工作方式比較復(fù)雜。
圖7所示電路結(jié)構(gòu)與以上的ZVT結(jié)構(gòu)差別比較大。主開(kāi)關(guān)S1關(guān)斷后，二極管D開(kāi)通，電容Cc通過(guò)耦合電感N2放電．開(kāi)關(guān)S2寄生二極管開(kāi)通實(shí)現(xiàn)了ZVS開(kāi)通；開(kāi)關(guān)S2關(guān)斷后，開(kāi)關(guān)S1寄生二極管開(kāi)通實(shí)現(xiàn)了ZVS開(kāi)通。同時(shí)，耦合電感N1抑制了二極管D的反向恢復(fù)，耦合電感N2則為N1中的能量提供了釋放回路。
此電路的優(yōu)點(diǎn)是兩個(gè)開(kāi)關(guān)均為ZVS開(kāi)通，二極管D的反向恢復(fù)得到抑制，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。不足之處在于兩個(gè)開(kāi)關(guān)均為硬開(kāi)關(guān)關(guān)斷，輔助開(kāi)關(guān)S2的電壓應(yīng)力較大。
圖8所示電路是一種新型ZVT有源功率因數(shù)校正電路。在輔助開(kāi)關(guān)S2開(kāi)通前，電容Cr兩端電壓為負(fù)，S2開(kāi)通后，電感Lr與電容Cs、Cr發(fā)生諧振使主開(kāi)關(guān)S1寄生二極管導(dǎo)通實(shí)現(xiàn)了ZVS開(kāi)通；當(dāng)流過(guò)開(kāi)關(guān)S1的電流由負(fù)變正時(shí)，電感Lr與電容Cb、Cr諧振，二極管D5導(dǎo)通，開(kāi)關(guān)S2實(shí)現(xiàn)ZV—ZCS關(guān)斷。
電路優(yōu)點(diǎn)在于主開(kāi)關(guān)S1實(shí)現(xiàn)了ZVS開(kāi)通，輔助開(kāi)關(guān)S2實(shí)現(xiàn)了ZV．ZCS關(guān)斷，二極管D1的反向恢復(fù)得到抑制，以上幾點(diǎn)都可以顯著提高電路效率。電路不足之處是輔助開(kāi)關(guān)硬開(kāi)通，主開(kāi)關(guān)電流應(yīng)力比較大。
圖9所示電路結(jié)構(gòu)與電路的工作方式比較特殊。主開(kāi)關(guān)S1關(guān)斷后，其寄生電容被恒流充電至輸出電壓Vo，為輔助開(kāi)關(guān)S2提供ZV—ZCS關(guān)斷，此時(shí)二極管D。及D4導(dǎo)通；開(kāi)關(guān)S2關(guān)斷后，電感L與開(kāi)關(guān)S2寄生電容發(fā)生諧振至開(kāi)關(guān)S2兩端電壓等于Vo，二極管D3導(dǎo)通；當(dāng)流過(guò)電感L的電流減少至零時(shí)，電感L與開(kāi)關(guān)S1、S2的寄生電容諧振，諧振結(jié)束時(shí)，開(kāi)關(guān)S1和S2兩端電壓與流過(guò)兩開(kāi)關(guān)的電流均為零，開(kāi)關(guān)S1和S2實(shí)現(xiàn)了ZV-ZCS開(kāi)通。
此電路的優(yōu)點(diǎn)是開(kāi)關(guān)S1、S2實(shí)現(xiàn)ZV-ZCS開(kāi)通，開(kāi)關(guān)S1實(shí)現(xiàn)了ZVS關(guān)斷，二極管的反向恢復(fù)得到抑制，開(kāi)關(guān)電壓電流應(yīng)力較小，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。不足之處是電感L始終有電流流過(guò)，導(dǎo)致電流中環(huán)流較大，會(huì)增大通態(tài)損耗。
3 零電流開(kāi)關(guān)(ZCS)PWM功率因數(shù)校正電路
ZCS工作方式是指利用諧振現(xiàn)象及有關(guān)器件的箝位作用，使開(kāi)關(guān)變換器中開(kāi)關(guān)管電流在開(kāi)啟或關(guān)斷過(guò)程中維持為零。
從圖10電路及波形圖可以看出，主開(kāi)關(guān)S1首先開(kāi)通，通過(guò)開(kāi)關(guān)S1的電流逐漸增加至輸入電流值，此時(shí)二極管D1、D2關(guān)斷，電容Cr反向充電至Vo；輔助開(kāi)關(guān)S2開(kāi)通后，電容Cr與Lr2諧振，當(dāng)電容Cr兩端電壓降至零時(shí)，二極管D1導(dǎo)通，電容Cr與電感Lrl、Lr2諧振至開(kāi)關(guān)S1、S2反并二極管開(kāi)通，兩開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)ZCS關(guān)斷。
此電路的優(yōu)點(diǎn)在于開(kāi)關(guān)S1、S2均實(shí)現(xiàn)了ZCS關(guān)斷，兩個(gè)二極管的反向恢復(fù)得到抑制；不足之處是兩開(kāi)關(guān)硬開(kāi)通，電容Cr與電感Lr2電容Cr與電感Lr1、Lr2的諧振回路要通過(guò)輸出端，會(huì)增大輸出端的電壓波動(dòng)。
圖11電路是對(duì)圖10電路進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)后的電路工作方式及波形與圖10電路基本一致。圖11的電路將二極管兩端并聯(lián)的電容改為與開(kāi)關(guān)S2和電感Lr2并聯(lián)，這樣，諧振回路就不會(huì)包含輸出端，不會(huì)引起輸出端電壓的波動(dòng)。其不足之處仍在于兩開(kāi)關(guān)硬開(kāi)關(guān)開(kāi)通。
圖12電路與以上兩電路的最大區(qū)別在于實(shí)現(xiàn)了一個(gè)開(kāi)關(guān)的ZVS開(kāi)通。如波形圖所示，主開(kāi)關(guān)S1開(kāi)通，感Ls抑制了二極管D的反向恢復(fù)，電感Ls與電容Cr諧振，開(kāi)關(guān)S2反并二極管開(kāi)通，為開(kāi)關(guān)S2提供ZVS開(kāi)通；電容Cc與電感Ls繼續(xù)諧振，流過(guò)電容Cc的電流反向時(shí)，開(kāi)關(guān)S1反并二極管開(kāi)通，實(shí)現(xiàn)ZCS關(guān)斷。
此電路的優(yōu)點(diǎn)是主開(kāi)關(guān)S1實(shí)現(xiàn)了ZCS關(guān)斷，輔助開(kāi)關(guān)S2實(shí)現(xiàn)了ZVS開(kāi)通，因此，此電路又稱(chēng)為ZV-ZCS電路。電路的不足之處在于輔助開(kāi)關(guān)S2的硬關(guān)斷。
4 零電流轉(zhuǎn)換(ZCT)PWM功率因數(shù)校正電路
圖13電路為傳統(tǒng)的零電流轉(zhuǎn)換功率因數(shù)校正電路。如圖13所示，輔助開(kāi)關(guān)S2開(kāi)通時(shí)，電容Cr與電感Lr諧振，主開(kāi)關(guān)S1反并二極管導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)ZCS關(guān)斷；開(kāi)關(guān)S1反并二極管關(guān)斷后，開(kāi)關(guān)S2關(guān)斷，二極管D1開(kāi)通，為電感Lr提供能量釋放回路。
此電路的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了主開(kāi)關(guān)S1的ZCS關(guān)斷，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。不足之處是，輔助開(kāi)關(guān)硬開(kāi)關(guān)開(kāi)通關(guān)斷，二極管的反向恢復(fù)沒(méi)有得到抑制，主開(kāi)關(guān)電流應(yīng)力較大。
圖14電路對(duì)傳統(tǒng)的ZCT—PWM功率因數(shù)校正電路進(jìn)行了改進(jìn)。如圖14波形圖所示，開(kāi)關(guān)S2開(kāi)通時(shí)，電容Cr、電感Lr諧振，流過(guò)二極管D1的電流逐漸減小到零，其反向恢復(fù)得到抑制；諧振電流換向后，開(kāi)關(guān)S2反并二極管導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)ZCS關(guān)斷；開(kāi)關(guān)S2開(kāi)通后，電容Cr與電感l(wèi)r諧振，開(kāi)關(guān)S1反并二極管導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)ZCS關(guān)斷。
此電路的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了開(kāi)關(guān)S1、S2的ZCS關(guān)斷，二極管的反向恢復(fù)得到抑制；不足之處是輔助開(kāi)關(guān)在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期有兩次開(kāi)關(guān)過(guò)程，電路工作方式中諧振較多，都會(huì)增大電路的損耗。
5 有源箝位功率因數(shù)校正電路
在Boost PFC變換器中，為了抑制二極管的反向恢復(fù)，在主開(kāi)關(guān)和Boost二極管之間串聯(lián)一個(gè)諧振電感可以有效地抑制二極管的反向恢復(fù)，但是當(dāng)主開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)，諧振電感會(huì)在開(kāi)關(guān)上產(chǎn)生很大的電壓應(yīng)力，為了保證電路的安全運(yùn)行，需要有一個(gè)箝位電路來(lái)箝位電壓。
在圖15電路中，如波形圖所示，主開(kāi)關(guān)Sl關(guān)斷后，兩端電壓逐漸上升至箝位電壓Vo+Vcc；輔助開(kāi)關(guān)S2寄生二極管開(kāi)通，電感Lr與電容Cc諧振，開(kāi)關(guān)S2實(shí)現(xiàn)ZCS開(kāi)通；開(kāi)關(guān)S2關(guān)斷后，二極管Db開(kāi)通，電感Lr與開(kāi)關(guān)S1寄生電容諧振至開(kāi)關(guān)S1寄生二極管開(kāi)通，開(kāi)關(guān)S1一實(shí)現(xiàn)ZVS開(kāi)通。電路增加二極管Dc是為了消除二極管Db結(jié)電容與電感Lr的諧振。
電路的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了，主開(kāi)關(guān)與輔助開(kāi)關(guān)的zvs開(kāi)通，二極管Db的反向恢復(fù)得到抑制；不足之處是開(kāi)關(guān)S1、S2都是硬關(guān)斷。
復(fù)合有源箝位功率因數(shù)校正電路對(duì)有源箝位功率因數(shù)校正電路的改進(jìn)主要體現(xiàn)在電路拓?fù)浜涂刂茣r(shí)序兩個(gè)方面：將二極管D2放在箝位電路外以消除二極管D2結(jié)電容與電感Lr的寄生振蕩；如圖16所示時(shí)序可以保證開(kāi)關(guān)S1、S2與二極管D2在任一時(shí)刻只有兩個(gè)器件導(dǎo)通，另一個(gè)器件被箝位在Vo+Vcco主開(kāi)關(guān)S1關(guān)斷后，電感Lr與開(kāi)關(guān)S2寄生電容諧振使寄生二極管導(dǎo)通實(shí)現(xiàn)ZVS開(kāi)通；開(kāi)關(guān)S2關(guān)斷后，電感Lr與開(kāi)關(guān)S1、S2寄生電容諧振使開(kāi)關(guān)S1寄生二極管導(dǎo)通實(shí)現(xiàn)ZVS開(kāi)通。
此電路的優(yōu)點(diǎn)在于兩個(gè)開(kāi)關(guān)均實(shí)現(xiàn)了ZVS開(kāi)通，二極管的反向恢復(fù)得到抑制，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；不足之處是開(kāi)關(guān)與二極管的電壓應(yīng)力較大。針對(duì)這一不足，提出了最小電壓復(fù)合有源箝位電路，如圖17所示，該電路將電感Lr與輔助開(kāi)關(guān)S2位置進(jìn)行了交換，開(kāi)關(guān)時(shí)序不變，這樣，開(kāi)關(guān)S1、S2、二極管D2任兩者導(dǎo)通時(shí)，另一個(gè)被箝位在Voo。該電路波形與復(fù)合有源箝位功率因數(shù)校正電路相似，具有它的優(yōu)點(diǎn)。
6 帶有無(wú)損吸收電路的功率因數(shù)校正電路
6.l 無(wú)源無(wú)損吸收電路
在軟開(kāi)關(guān)技術(shù)中，無(wú)源無(wú)損吸收電路不增加額外的有源器件，只是采用無(wú)源元件來(lái)抑制二極管的反向恢復(fù)，并且減小了開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)通和關(guān)斷損耗，因此具有電路成本低，控制簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。
在圖18電路中，開(kāi)關(guān)S斷開(kāi)后其兩端電壓逐漸被充電至Vo時(shí)，二極管Do、Dc開(kāi)通，流過(guò)二極管Dr的電流逐漸增加，流過(guò)二極管Do、的電流逐漸減小至二極管Doj關(guān)斷，當(dāng)開(kāi)關(guān)S再次開(kāi)通時(shí)，二極管的反向恢復(fù)不會(huì)影響開(kāi)關(guān)損耗的增大。
圖18電路采用耦合電感使二極管反向恢復(fù)影響不到開(kāi)關(guān)的開(kāi)通，圖19電路則是利用電感抑制二極管的反向恢復(fù)對(duì)開(kāi)關(guān)開(kāi)通過(guò)程的影響，冉利用無(wú)源器件將電感中能量釋放。
此電路的不足之處在于電路結(jié)構(gòu)和工作過(guò)程都比較復(fù)雜。
6.2 有源無(wú)損吸收電路
圖20電路抑制二極管反向恢復(fù)采用在電路中加入電感，再將電感中的能量釋放的方式。如圖20所示，主開(kāi)關(guān)S1首先導(dǎo)通，電感Ls抑制了二極管D的反向恢復(fù)，電感Ls與開(kāi)關(guān)S2寄生電容發(fā)生諧振使其放電至開(kāi)關(guān)寄生二極管導(dǎo)通，開(kāi)關(guān)S2實(shí)現(xiàn)ZVS開(kāi)通。
此電路的優(yōu)點(diǎn)在于電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能有效抑制二極管的反向恢復(fù)，輔助開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)ZVS開(kāi)通。
7 結(jié)語(yǔ)
綜上所述，各種類(lèi)型的軟開(kāi)關(guān)功率因數(shù)校正電路具有能夠抑制二極管反向恢復(fù)，實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管的軟開(kāi)通或軟關(guān)斷，減少變換器的損耗，進(jìn)而可以提高開(kāi)關(guān)頻率，減少磁性元件的體積和重量，提高變換器的功率密度。