李一鳴

(湖南理工學(xué)院 計(jì)算機(jī)學(xué)院, 湖南 岳陽(yáng) 414006)

基于Pspice的Boost-ZVT變換器的仿真研究

李一鳴

(湖南理工學(xué)院 計(jì)算機(jī)學(xué)院, 湖南 岳陽(yáng) 414006)

討論了功率因數(shù)校正電路—Boost-ZVT變換器. 區(qū)別于以往的Boost變換器, 它實(shí)現(xiàn)了主開(kāi)關(guān)管的軟關(guān)斷, 減少了開(kāi)關(guān)損耗. 并利用Pspice軟件對(duì)主電路進(jìn)行了仿真, 仿真結(jié)果表明Boost-ZVT變換器在功率因數(shù)校正設(shè)計(jì)中具有良好的的效果, 而且有很高的實(shí)用價(jià)值.

功率因數(shù)校正; Boost-ZVT; 仿真

引言

由整流二極管和濾波電容組成的整流濾波電路應(yīng)用十分普遍, 價(jià)格低廉、可靠性高是它的突出優(yōu)點(diǎn), 但是它對(duì)電網(wǎng)的諧波污染卻十分嚴(yán)重, 由整流二極管和濾波電容組成的整流濾波電路主要存在如下的問(wèn)題[1]:

1. 啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生很大的沖擊電流, 約為正常工作電流的十幾倍至數(shù)十倍;

2. 正常工作時(shí), 由于整流二極管導(dǎo)通角很小, 形成一個(gè)幅度很高的窄脈沖, 電流波峰因數(shù)(CF)高、電流總諧波畸變率(THD)通常超過(guò)100%, 同時(shí)引起電網(wǎng)電壓波形的畸變;

3. 功率因數(shù)(PF)低, 一般約為0.5～0.6.

大量應(yīng)用整流電路, 使供給電網(wǎng)產(chǎn)生了嚴(yán)重畸變的非正弦電流, 輸入電流中除含有基波外, 還含有很多的奇次、高次諧波分量, 這些高次諧波倒流入電網(wǎng), 引起嚴(yán)重的諧波“污染”, 造成嚴(yán)重危害. 為了減少AC/DC變流電路輸入端諧波電流造成的噪聲和對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生的諧波“污染”, 以保證電網(wǎng)供電質(zhì)量, 提高電網(wǎng)的可靠性, 同時(shí)也為了提高輸入端功率因數(shù), 以達(dá)到節(jié)能的效果, 必須限制AC-DC電路的輸入端諧波電流分量. 由此可知提高功率因數(shù)在AC/DC開(kāi)關(guān)電源應(yīng)用中具有重大的意義.

1 Boost ZVT-PWM變換器主電路拓?fù)浼肮ぷ髟?/h2>

1.1 Boost ZVT-PWM變換器工作原理

Boost ZVT-PWM變換電路[2]如圖1所示. Boost ZVT-PWM變換器不同于傳統(tǒng)的Boost 變換器[1], 圖1和圖2分別為它的電路圖及波形圖. Boost ZVT-PWM變換器在傳統(tǒng)的Boost 變換器基礎(chǔ)上增加了一個(gè)ZVT網(wǎng)絡(luò), 該網(wǎng)絡(luò)由輔助開(kāi)關(guān)諧振電感諧振電容及二極管組成. 電路工作時(shí), 輔助開(kāi)關(guān)先于主開(kāi)關(guān)開(kāi)通, 使ZVT 諧振網(wǎng)絡(luò)工作, 電容上電壓(即主開(kāi)關(guān)兩端電壓)下降到零,創(chuàng)造主開(kāi)關(guān)QMAIN零電壓開(kāi)通條件.

圖1 峰值電流模式控制PWM原理圖

1.2 運(yùn)行模式分析

假設(shè)輸入電感足夠大, 可以用恒流源IIN代替,而輸出濾波電容足夠大, 輸出端可用恒壓源V0代替.設(shè)t ＜ t0時(shí), QMAIN和QZVT均關(guān)斷, D1導(dǎo)通, 一個(gè)工作周期可分為七個(gè)工作模式[2]. 圖2為電路工作波形圖, 現(xiàn)分析如下:

圖2 Boost ZVT-PWM 變換器波形

1) t0～t1. 在t0之前, 主開(kāi)關(guān)QMAIN和輔助開(kāi)關(guān)QZVT關(guān)斷, 二極管D1導(dǎo)通, 負(fù)載電流全部流過(guò)D1.在t0時(shí)刻, 輔助開(kāi)關(guān)QZVT導(dǎo)通, 隨著QZVT的開(kāi)通,諧振電感Ir中的電流線性上升到IIN. 而二極管D1中的電流線性下降至零, 二極管D1零電流關(guān)斷, 即實(shí)現(xiàn)了二極管的軟關(guān)斷. 而在實(shí)際電路中, 二極管D1需要經(jīng)歷反向恢復(fù)以除結(jié)電荷. 此時(shí), ZVT諧振電感Ir上的電壓為V0.

2) t1～t2. 在t1時(shí)刻, 諧振電感Lr中的電流線性上升到IIN, Lr和Cr開(kāi)始諧振. 在諧振周期內(nèi), Cr放電直到電壓為零. 漏極電壓變換率ddut由Cr控制, Cr實(shí)際上是CDS與COSS的和. 在Cr放電的同時(shí), 諧振電感中的電流則持續(xù)上升. 漏極電壓降至零所需的時(shí)間長(zhǎng)度應(yīng)是諧振周期的四分之一. 在諧振周期結(jié)束時(shí), 主開(kāi)關(guān)管的體二極管開(kāi)通. 這一期間結(jié)束時(shí), QMAIN的體二極管開(kāi)通.

3) t2～t3. 這一期間開(kāi)始時(shí), 主開(kāi)關(guān)QMAIN的漏極電壓降到零, 其體內(nèi)二極管開(kāi)通. 流過(guò)體二極管的電流由ZVT電感提供. 由于電感兩端的電壓為零, 因此二極管處于續(xù)流狀態(tài). 而與此同時(shí), 主開(kāi)關(guān)管實(shí)現(xiàn)了零電壓開(kāi)通.

4) t3～t4. 在t3時(shí)刻, 控制電路感應(yīng)到主開(kāi)關(guān)管QMAIN的漏極電壓降為零時(shí)開(kāi)通主開(kāi)關(guān)管QMAIN, 同時(shí)關(guān)斷輔助開(kāi)關(guān)管QZVT. 在輔助開(kāi)關(guān)管QZVT關(guān)斷后, Lr中的能量通過(guò)二極管D2向負(fù)載傳輸.

5) t4～t5. 在t4時(shí)刻, D2中的電流下降到零, 此時(shí)電路的工作狀態(tài)與普通的升壓變換器相同. 而實(shí)際當(dāng)中, Lr將與輔助開(kāi)關(guān)管QZVT的結(jié)電容COSS發(fā)生諧振, 使二極管D1陽(yáng)極電壓為負(fù).

6) t5～t6. 這個(gè)階段電路的工作過(guò)程和普通的Boost升壓變換幾乎完全一致, 主開(kāi)關(guān)管QMAIN關(guān)斷, 其漏-源結(jié)電容被充至V0, 主二極管D1開(kāi)始向負(fù)載供電. 由于一開(kāi)始結(jié)電容使漏極電壓為零, 因此主開(kāi)關(guān)管QMAIN的關(guān)斷損耗大大降低.

7) t6～t0. 這個(gè)階段處于續(xù)流狀態(tài), 二極管D1導(dǎo)通, 電路通過(guò)電感L為負(fù)載提供能量.

2 Boost ZVT-PWM變換器主電路參數(shù)計(jì)算

設(shè)計(jì)指標(biāo): 單相交流220±10%V, 輸入頻率50Hz/60Hz, 輸出電壓為直流380V, 變換器效率大于95%,功率因數(shù)大于98%.

2.1 升壓電感L的計(jì)算

最大峰值電流出現(xiàn)在電網(wǎng)電壓最小, 負(fù)載最大時(shí)[3]

假設(shè)容許20%的電流脈動(dòng), 則有

在最低線電壓時(shí)Boost變換器最小占空比

2.2 輸出濾波電容C0的選擇

輸出電容C0由兩個(gè)因數(shù)決定[3], 第一: 保持時(shí)間tH; 第二: 輸出電壓紋波的大小. 輸出電容由容許的輸出最大紋波電壓決定, 輸出紋波電壓頻率為2倍的基頻率, 設(shè)容許的最大輸出紋波電壓為

故可取C0= 2200. Fμ

2.3 諧振電感Lr的設(shè)計(jì)

諧振電感通過(guò)為升壓電感電流提供交替的電流通路控制著二極管的二極管的反向恢復(fù)時(shí)間是關(guān)閉時(shí)的局部函數(shù), 如果所控制的設(shè)定, 該二極管的反向恢復(fù)時(shí)間可近似估算出大約為60ns. 如果電感限制上升時(shí)間到因?yàn)?/p>

2.4 諧振電感 Lr 的設(shè)計(jì)

3 Boost ZVT-PWM變換器主電路參數(shù)計(jì)算

為了驗(yàn)證主電路設(shè)計(jì)的可行性和參數(shù)選擇的正確性, 利用Pspice軟件對(duì)該主電路進(jìn)行仿真和分析[5].

圖3為Boost ZVT-PWM變換器的Pspice仿真模型圖. 根據(jù)前面的理論計(jì)算, 最后的仿真參數(shù)為: 輸入電壓Vin為單相220V, 升壓電感L為470μH , 諧振電感Lr為8.3μ H, 諧振電感Cr為479pF, 輸出濾波電容C0為2200μF, 開(kāi)關(guān)頻率f為100kHz.

圖3 Boost型ZVT-PWM Pspice仿真模型

圖4 為主開(kāi)關(guān)管Tr和輔助開(kāi)關(guān)管Tr1的驅(qū)動(dòng)波形圖, 圖中顯示了主開(kāi)關(guān)管Tr是在輔助開(kāi)關(guān)管Tr1關(guān)斷后才開(kāi)通的, 而且輔助開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間很短, 顯著地減少了開(kāi)關(guān)管Tr1的損耗.

圖5為主開(kāi)關(guān)管Tr驅(qū)動(dòng)波形Vgs, 漏源電流波形Ids以及漏源電壓Vds仿真波形圖. 圖中我們可以看到主開(kāi)關(guān)管在開(kāi)通前先有電流反向流過(guò)其體內(nèi)二極管, 使漏極電壓箝位到零, 再加驅(qū)動(dòng)脈沖從而實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通. 當(dāng)驅(qū)動(dòng)脈沖變?yōu)榱銜r(shí), 由于主開(kāi)關(guān)管漏源極兩端并聯(lián)著諧振電容, 使得主開(kāi)關(guān)管漏源兩端的電壓緩慢上升, 從而實(shí)現(xiàn)零電壓關(guān)斷.

圖4 主開(kāi)關(guān)管Tr和輔助開(kāi)關(guān)管Tr1驅(qū)動(dòng)波形

圖5 主開(kāi)關(guān)管Tr驅(qū)動(dòng)波形、漏源電流波形和電壓波形

從圖6中我們清楚地看到輸入電流很好跟隨交流輸入電壓, 實(shí)現(xiàn)了功率因數(shù)校正的目的.

4 結(jié)論

綜上所述: 在單相功率因數(shù)校正電路中采用Boost ZVT-PWM 變換器, 可以實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)PFC. 仿真結(jié)果表明該變換器能很好地達(dá)到功率因數(shù)校正的目的, 而且減少了開(kāi)關(guān)管的損耗, 抑制了電磁干擾和提高了系統(tǒng)的效率.

圖6 輸入交流電壓和交流波形

[1] 周志敏, 周紀(jì)海, 紀(jì)愛(ài)華. 開(kāi)關(guān)電源功率因數(shù)校正電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M]. 北京: 人民郵電出版社, 2004

[2] 胡雪梅, 孫旭松. 有源功率因數(shù)校正技術(shù)及發(fā)展[J]. 電氣時(shí)代. 2006(4): 116～118

[3] Jong-Lick Lin, Member, IEEE, and Chin-Hua Chang.Small-signal modeling and control ofZVT-PWMboost converter[J]. IEEE Transaction on Inductrial Electronics. 2003, (1): 210

[4] Wannian Huang, Gerry Moschopoulos, Member, IEEE.A new family ofZVT-PWMconverters with dual active auxiliary circuits[J]. IEEE Transactions on Power Electronics. 2006, (2): 370～380

[5] 吳建強(qiáng). Pspice仿真實(shí)踐[M]. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社, 2001

The Simulation Research of Boost-ZVT Converter Based on Pspice

LI Yi-ming
(College of Computer Science, Hunan Institute of Science and Technology, Yueyang 414006, china)

This paper focuses on the power factor correction circuit—Boost-ZVT converter. Distinguished from the past Boost converter, the Boost-ZVT converter, it implements the main switch of the soft turn-off, reducing switching losses. Finally, Pspice software is carried out the main circuit simulation. The simulation results show that Boost-ZVT converter has a good effect in power factor correction design, but also a high practical value.

PFC; Boost-ZVT; simulation

TP311

A

1672-5298(2010)03-0034-05

2010-05-27

李一鳴(1979- ), 女, 湖南岳陽(yáng)人, 碩士, 湖南理工學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院講師. 主要研究方向: 計(jì)算機(jī)硬件及DPS技術(shù)