單相Boost型功率因數校正電路軟開(kāi)關(guān)技術(shù)綜述

摘要：對單相Boost功率因數校正電路軟開(kāi)關(guān)技術(shù)進(jìn)行了分類(lèi)，分為零電壓開(kāi)關(guān)功率因數校正電路、零電壓轉換功率因數校正電路、零電流開(kāi)關(guān)功率因數校正電路、零電流轉換功率因數校正電路、有源箝位功率因數校正電路和帶有無(wú)損吸收電路的功率因數校正電路，并對每一類(lèi)型的電路的拓撲結構、工作方式及工作特點(diǎn)做出分析。
關(guān)鍵詞：功率因數校正；軟開(kāi)關(guān)技術(shù)；DC／DC變換

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，已廣泛應用到電力、冶金、化工、煤炭、通訊、家電等領(lǐng)域。多數電力電子裝置通過(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(xiàn)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80年代中后期，開(kāi)關(guān)電源有源功率因數校正技術(shù)引起了國內外許多學(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電路拓撲結構中，Boost升壓型功率因數校正電路由于具有主電路結構簡(jiǎn)單，變換效率高，控制策略易實(shí)現等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應用。高頻化可以減小有源功率因數校正電路的體積、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行，有源功率因數校正電路的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)成為重要的研究方向。

本文對單相Boost有源功率因數校正電路軟開(kāi)關(guān)技術(shù)進(jìn)行了分類(lèi)，并對每一類(lèi)型的電路的拓撲結構、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功率因數校正電路
ZVS工作方式是指利用諧振現象及有關(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功率因數校正電路，也稱(chēng)擴展周期準諧振功率因數校正電路。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。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ZV―ZCS關(guān)斷。電路的不足之處是開(kāi)關(guān)的電流應力比較大。

2 零電壓轉換(ZVT)PWM功率因數校正電路
在ZVT工作方式中，諧振網(wǎng)絡(luò )拓撲與主電路是并聯(lián)的。零轉換PWM功率因數校正電路的導通損耗和開(kāi)關(guān)損耗很小，能實(shí)現零開(kāi)關(guān)特性而不增大開(kāi)關(guān)的電流或電壓應力，適用于較高電壓和大功率的變換器。

圖2所示電路是傳統的ZVT電路。電感Lr與主開(kāi)關(guān)S1寄生電容諧振使其寄生二極管導通，開(kāi)關(guān)S1實(shí)現ZVS開(kāi)通；同時(shí)，電感Lr抑制了二極管D1的反向恢復，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的反向恢復得到抑制，電路結構簡(jiǎn)單；不足之處是輔助開(kāi)關(guān)硬開(kāi)通。

圖3所示是對傳統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．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)導通，開(kāi)關(guān)S1實(shí)現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，電路結構與工作方式比較復雜。

圖6所示電路是對傳統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)導通，開(kāi)關(guān)S1可實(shí)現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，電路的結構與工作方式比較復雜。

圖7所示電路結構與以上的ZVT結構差別比較大。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，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的反向恢復得到抑制，電路結構簡(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的電壓應力較大。

圖8所示電路是一種新型ZVT有源功率因數校正電路。在輔助開(kāi)關(guān)S2開(kāi)通前，電容Cr兩端電壓為負，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寄生二極管導通實(shí)現了ZVS開(kāi)通；當流過(guò)開(kāi)關(guān)S1的電流由負變正時(shí)，電感Lr與電容Cb、Cr諧振，二極管D5導通，開(kāi)關(guān)S2實(shí)現ZV―ZCS關(guān)斷。

電路優(yōu)點(diǎn)在于主開(kāi)關(guān)S1實(shí)現了ZVS開(kāi)通，輔助開(kāi)關(guān)S2實(shí)現了ZV．ZCS關(guān)斷，二極管D1的反向恢復得到抑制，以上幾點(diǎn)都可以顯著(zhù)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)電流應力比較大。

圖9所示電路結構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導通；當流過(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)現了ZV-ZCS開(kāi)通。

此電路的優(yōu)點(diǎn)是開(kāi)關(guān)S1、S2實(shí)現ZV-ZCS開(kāi)通，開(kāi)關(guān)S1實(shí)現了ZVS關(guān)斷，二極管的反向恢復得到抑制，開(kāi)關(guān)電壓電流應力較小，電路結構簡(jiǎn)單。不足之處是電感L始終有電流流過(guò)，導致電流中環(huán)流較大，會(huì )增大通態(tài)損耗。

3 零電流開(kāi)關(guān)(ZCS)PWM功率因數校正電路
ZCS工作方式是指利用諧振現象及有關(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，當電容Cr兩端電壓降至零時(shí)，二極管D1導通，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ZCS關(guān)斷。

此電路的優(yōu)點(diǎn)在于開(kāi)關(guān)S1、S2均實(shí)現了ZCS關(guān)斷，兩個(gè)二極管的反向恢復得到抑制；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別在于實(shí)現了一個(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，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ZCS關(guān)斷。

此電路的優(yōu)點(diǎn)是主開(kāi)關(guān)S1實(shí)現了ZCS關(guān)斷，輔助開(kāi)關(guān)S2實(shí)現了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 零電流轉換(ZCT)PWM功率因數校正電路
圖13電路為傳統的零電流轉換功率因數校正電路。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反并二極管導通，實(shí)現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)現了主開(kāi)關(guān)S1的ZCS關(guān)斷，電路結構簡(jiǎn)單。不足之處是，輔助開(kāi)關(guān)硬開(kāi)關(guān)開(kāi)通關(guān)斷，二極管的反向恢復沒(méi)有得到抑制，主開(kāi)關(guān)電流應力較大。

圖14電路對傳統的ZCT―PWM功率因數校正電路進(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，其反向恢復得到抑制；諧振電流換向后，開(kāi)關(guān)S2反并二極管導通，實(shí)現ZCS關(guān)斷；開(kāi)關(guān)S2開(kāi)通后，電容Cr與電感lr諧振，開(kāi)關(guān)S1反并二極管導通，實(shí)現ZCS關(guān)斷。

此電路的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現了開(kāi)關(guān)S1、S2的ZCS關(guān)斷，二極管的反向恢復得到抑制；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 有源箝位功率因數校正電路
在Boost PFC變換器中，為了抑制二極管的反向恢復，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，但是當主開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)，諧振電感會(huì )在開(kāi)關(guān)上產(chǎn)生很大的電壓應力，為了保證電路的安全運行，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ZVS開(kāi)通。電路增加二極管Dc是為了消除二極管Db結電容與電感Lr的諧振。

電路的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現了，主開(kāi)關(guān)與輔助開(kāi)關(guān)的zvs開(kāi)通，二極管Db的反向恢復得到抑制；不足之處是開(kāi)關(guān)S1、S2都是硬關(guān)斷。

復合有源箝位功率因數校正電路對有源箝位功率因數校正電路的改進(jìn)主要體現在電路拓撲和控制時(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通實(shí)現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寄生二極管導通實(shí)現ZVS開(kāi)通。

此電路的優(yōu)點(diǎn)在于兩個(gè)開(kāi)關(guān)均實(shí)現了ZVS開(kāi)通，二極管的反向恢復得到抑制，電路結構簡(jiǎn)單；不足之處是開(kāi)關(guān)與二極管的電壓應力較大。針對這一不足，提出了最小電壓復合有源箝位電路，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任兩者導通時(shí)，另一個(gè)被箝位在Voo。該電路波形與復合有源箝位功率因數校正電路相似，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，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，當開(kāi)關(guān)S再次開(kāi)通時(shí)，二極管的反向恢復不會(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對開(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構和工作過(guò)程都比較復雜。

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首先導通，電感Ls抑制了二極管D的反向恢復，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)寄生二極管導通，開(kāi)關(guān)S2實(shí)現ZVS開(kāi)通。

此電路的優(yōu)點(diǎn)在于電路結構簡(jiǎn)單，能有效抑制二極管的反向恢復，輔助開(kāi)關(guān)實(shí)現ZVS開(kāi)通。

7 結語(yǔ)
綜上所述，各種類(lèi)型的軟開(kāi)關(guān)功率因數校正電路具有能夠抑制二極管反向恢復，實(shí)現開(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。