朱子庚，李彩生，黃棟杰，劉向立

（許繼電源有限公司，河南 許昌 461000）

一種軟開(kāi)關(guān)交錯(cuò)并聯(lián)PFC變換器

朱子庚，李彩生，黃棟杰，劉向立

（許繼電源有限公司，河南 許昌 461000）

重點(diǎn)研究了基于TI的UCC28070控制的一種有源軟開(kāi)關(guān)交錯(cuò)并聯(lián)Boost PFC變換器，提出了一種新型的有源交錯(cuò)并聯(lián)的Boost軟開(kāi)關(guān)電路。在Boost主開(kāi)關(guān)兩端并聯(lián)一個(gè)由有源輔助開(kāi)關(guān)和關(guān)斷緩沖吸收電容組成的有源緩沖吸收支路，Boost的主開(kāi)關(guān)管可以實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通與關(guān)斷，二極管的反向恢復(fù)帶來(lái)的能量損耗能夠大大減少。并且，在整個(gè)開(kāi)關(guān)周期期間，附加的輔助開(kāi)關(guān)管是零電壓開(kāi)關(guān)。最后，設(shè)計(jì)試制了一臺(tái)5 kW實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，結(jié)果表明，該電路的所有功率器件均實(shí)現(xiàn)了軟開(kāi)關(guān)。

軟開(kāi)關(guān)；交錯(cuò)并聯(lián)；零電壓開(kāi)關(guān)

Boost PFC電路因其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)得到了廣泛應(yīng)用，然而，傳統(tǒng)的Boost電路在低輸入電壓大電流場(chǎng)合表現(xiàn)出功率半導(dǎo)體器件發(fā)熱嚴(yán)重、升壓電感體積急劇增加、變換器功率密度及效率急劇下降等問(wèn)題。

這里給出1種新型有源軟開(kāi)關(guān)交錯(cuò)并聯(lián)Boost PFC變換器電路拓?fù)?，與傳統(tǒng)的交錯(cuò)并聯(lián)Boost電路相比，該拓?fù)渲械闹鏖_(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)了零電壓開(kāi)關(guān)，輔助開(kāi)關(guān)的引入并沒(méi)有給主開(kāi)關(guān)管帶來(lái)額外的電壓應(yīng)力，并且輔助開(kāi)關(guān)在整個(gè)開(kāi)關(guān)周期均是零電壓開(kāi)通和零電壓關(guān)斷。

1 交錯(cuò)并聯(lián)BoostPFC變換器

交錯(cuò)并聯(lián)BoostPFC變換器拓?fù)潆娐啡鐖D1所示。圖1中，L1,L2為Boost升壓電感；Q1,Q2為主開(kāi)關(guān)管；D1,D2為升壓二極管。阻尼吸收電容Cs,Lr,Q3,Cr構(gòu)成諧振放電回路，在主開(kāi)關(guān)管Q1,Q2開(kāi)通前Q3分別先提前1個(gè)周期開(kāi)通，將Q1,Q2上面的電荷放到母線上，使主開(kāi)關(guān)管實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通。Lr為諧振電感，Cr為諧振電容，與MOS管Q3的結(jié)電容形成LCC諧振放電回路。Q3的驅(qū)動(dòng)可以是以Q1,Q2的驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)上升沿為觸發(fā)信號(hào)的觸發(fā)器提前1個(gè)周期的脈沖信號(hào)產(chǎn)生。

圖1 交錯(cuò)并聯(lián)BoostPFC變換器拓?fù)潆娐稦ig.1 Interleaved parallel BoostPFC converter circuit topology

2 理論分析與等效模型建立

在該拓?fù)潆娐贩治鲋锌梢詫⑤敵鰹V波電容看作1個(gè)恒壓源Vo。每個(gè)單元的電感足夠大，以至于每個(gè)開(kāi)關(guān)周期可以將電感上電流看作恒流源，電壓Vrec為整流電壓，可以定義為等式：

式中：Vrec為整流電壓；Vm為輸入電壓最大值；f為工頻電壓頻率50 Hz。

輸入電壓為正弦變化，因此PFC的開(kāi)關(guān)占空比不是恒定的，其可以表示為

式中：Vo為輸出電壓。

根據(jù)以上分析，該P(yáng)FC變換器的等效模型可以等效為如圖2所述拓?fù)潆娐返牡刃щ娐纺Ｐ汀?/p>

圖2 PFC變換器的等效模型Fig.2 The equivalent model of PFC converter

3 模態(tài)分析

在文章中，對(duì)該變換器的工作模態(tài)進(jìn)行了分析。該變換器的主開(kāi)關(guān)管Q1,Q2的驅(qū)動(dòng)是頻率與占空比相同相位相差180°的驅(qū)動(dòng)脈沖波形。輔助開(kāi)關(guān)管Q3的驅(qū)動(dòng)是超前于主開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)的固定占空比驅(qū)動(dòng)脈沖。此變換器在占空比d>0.5與d< 0.5時(shí)分別對(duì)應(yīng)8種工作模態(tài)，其前8種工作模態(tài)與后8種工作模態(tài)類似，因此這里只對(duì)d>0.5時(shí)的前8種工作模態(tài)進(jìn)行分析。如圖3為所述拓?fù)潆娐樊?dāng)d>0.5時(shí)的典型波形。

圖3 拓?fù)涞牡湫筒ㄐ危ㄕ伎毡萪＞0.5）Fig.3 Theoretical waveforms of the proposed topology

1）當(dāng)t0

式中：VCs為阻尼吸收電容上電壓；Lr為諧振電感。

式中：iD1為升壓二極管上面電流。

2）t1

3）t2

在此區(qū)間內(nèi)，主開(kāi)關(guān)管滿足零電壓開(kāi)通狀態(tài)?？梢约俣↙1上面的平均電流是輸入電流在穩(wěn)態(tài)時(shí)的一半。輔助開(kāi)關(guān)管的延時(shí)td可以表示為

式中：iin為交流輸入電流。

從式（10）可以看出，最差的情形是在輸入電流最大的時(shí)候。輸入輸出電壓是事先知道或事先定義好的，輔助電路參數(shù)值要根據(jù)輸入電流值去計(jì)算。也就是說(shuō)，最差的狀態(tài)取決于變換器的額定功率。

4）t3

5）t4

6）t5

7）t6

8）t7

該變換器的2個(gè)獨(dú)立單元是以同樣的占空比與頻率工作，唯一不同的是相位相差180°。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

制作了1臺(tái)5 kW的充電變換器樣機(jī)，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。變換器參數(shù)要求：輸入電壓AC 220 V，50 Hz；輸出電壓DC 400 V，輸出電流12.5 A；開(kāi)關(guān)頻率100 kHz。

圖4 輸入電壓和輸入電流波形（輸入電壓220 V）Fig.4 The input voltage and input current waveforms of the topology

圖5 2路交錯(cuò)的開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)波形Fig.5 Drive waveforms of the interleaved parallelled switch

圖4為典型波形分析，輸入電壓和輸入電流波形，同相位。圖5為2路交錯(cuò)MOS管驅(qū)動(dòng)波形，相位相差180°。圖6為驅(qū)動(dòng)和主開(kāi)關(guān)管DS電壓波形。圖7a為主開(kāi)關(guān)管電流和DS電壓波形；圖7b為主開(kāi)關(guān)開(kāi)通時(shí)的電流與DS電壓波形圖。圖7中主開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)的驅(qū)動(dòng)與DS電壓波形圖。實(shí)現(xiàn)了開(kāi)通時(shí)ZCS，關(guān)斷時(shí)ZVS，與理論分析一致。圖8為主開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)的驅(qū)動(dòng)與DS電壓波形圖，實(shí)現(xiàn)了關(guān)斷時(shí)的ZVS。圖9、圖10是輸出電壓與輸入電流在動(dòng)態(tài)變化時(shí)的波形變化圖，當(dāng)負(fù)載動(dòng)態(tài)變化時(shí)在幾個(gè)周期內(nèi)就恢復(fù)了正常。

圖6 驅(qū)動(dòng)和主開(kāi)關(guān)管DS電壓波形Fig.6 Drive and the main switch tube DSvoltage waveforms

圖7 主開(kāi)關(guān)管電流和DS電壓波形Fig.7 The main switch tube current and DSvoltage waveforms

圖8 主開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)的驅(qū)動(dòng)與DS波形Fig.8 The main switch shut off driving waveforms and DSwaveforms

圖9 輸出電壓與輸入電流波形（從2.5 kW到5 kW突變）Fig.9 Output voltage and input current waveforms（mutation from 2.5 kW to 5 kW）

圖10 輸出電壓與輸入電流波形（從5 kW到2.5 kW突變）Fig.10 Output voltage and input current waveforms（mutation from 5 kW to 2.5 kW）

5 結(jié)論

本文提出一種新型的有源交錯(cuò)并聯(lián)Boost軟開(kāi)關(guān)電路，分析了該電路的工作過(guò)程并給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。Boost主開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)了零電流開(kāi)通，零電壓關(guān)斷，消除了電壓和電流的交疊現(xiàn)象，減小了開(kāi)關(guān)損耗，提高了工作效率。并且，二極管的反向恢復(fù)電流為零，解決了二極管的反向恢復(fù)問(wèn)題，大大改善了硬開(kāi)關(guān)PWM變換器引起的EMI問(wèn)題。另外，輔助開(kāi)關(guān)管實(shí)現(xiàn)了零電壓開(kāi)通和零電壓關(guān)斷，因?yàn)檩o助開(kāi)關(guān)管的電流應(yīng)力較小，所以可以選用小電流開(kāi)關(guān)管。并對(duì)該樣機(jī)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)測(cè)試，穩(wěn)定性良好，值得推廣。

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修改稿日期：2016-06-15

A Soft Switch Interleaved Parallel PFC Converter

ZHU Zigeng，LI Caisheng，HUANG Dongjie，LIU Xiangli
（XJ POWER Co.，Ltd，Xuchang 461000，Henan，China）

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，碩士研究生，中級(jí)工程師，Email：zzg.good@163.com

2015-11-06