升壓ZVT-PWM轉換器在單項功率因數校正中的應用

　　目前，升壓電路被廣泛應用于單相整流電源的功率因數校正(PFC)技術(shù)中。傳統的升壓電路工作在硬開(kāi)關(guān)狀態(tài)，其特點(diǎn)是工作在不連續導電模式時(shí)，電感電流峰值正比于輸入電壓，輸入電流波形跟隨輸入電壓波形，因而控制簡(jiǎn)單;缺點(diǎn)是開(kāi)關(guān)不僅要通過(guò)較大的通態(tài)電流，而且關(guān)斷較大的峰值電流會(huì )引起很大的關(guān)斷損耗，同時(shí)還會(huì )產(chǎn)生嚴重的電磁干擾。因此，在升壓電路中采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)不但可以提高開(kāi)關(guān)頻率，還能解決開(kāi)關(guān)開(kāi)通與關(guān)斷損耗、容性開(kāi)通、感性關(guān)斷和二極管反相恢復4大難題。然而，在軟開(kāi)關(guān)技術(shù)方面前人已經(jīng)提出好幾種電路，如諧振型轉換器、準諧振轉換器和零開(kāi)關(guān)PWM轉換器等，雖然在單相功率因數校正電路中采用這些電路可以提高功率因數和系統效率，但總體上并不理想。本文采用升壓ZVT-PWM轉換電路，使其工作在軟開(kāi)關(guān)狀態(tài)，特點(diǎn)是工作在連續導電模式，優(yōu)點(diǎn)是功率開(kāi)關(guān)管開(kāi)通損耗和二極管的反向恢復損耗都大大降低，較之采用傳統硬開(kāi)關(guān)控制技術(shù)的功率因數校正提高了一大步。通過(guò)電路仿真和實(shí)際電路設計，發(fā)現都可以很好地達到功率因數校正的目的，而且顯著(zhù)減少了功率管的開(kāi)關(guān)損耗，抑制了電磁干擾，可獲得較高的效率。

　　升壓諧振轉換器(包括準諧振和多諧振轉換器)的諧振電感和諧振電容一直參與能量傳遞，而且它們的電壓和電流應力很大。而零開(kāi)關(guān)PWM轉換器中，雖然諧振元件不是一直工作在諧振狀態(tài)，但諧振電感卻串聯(lián)在主功率回路中，它的損耗較大，同時(shí)，開(kāi)關(guān)管和諧振元件的電壓應力和電流應力與準諧振轉換器完全相同，為此提出了零轉換PWM轉換器。它可分為零電壓轉換PWM轉換器(升壓ZVT-PWM)和零電流轉換PWM轉換器(升壓ZCT-PWM)。這類(lèi)轉換器是軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的又一飛躍。其特點(diǎn)是工作在PWM方式下，輔助諧振電路只是在主開(kāi)關(guān)管開(kāi)關(guān)時(shí)工作一段時(shí)間，從實(shí)現開(kāi)關(guān)管的軟開(kāi)關(guān);其它時(shí)候不工作，從而減小了輔助電路的功耗。而且，輔助電路并聯(lián)在主功率回路中，輔助電路的工作不會(huì )增加主開(kāi)關(guān)管的電壓和電流應力，主開(kāi)關(guān)管的電壓和電流應力很小。

　　升壓ZVT-PWM轉換器

　　主電路拓撲及工作原理

　　電路零轉換工作原理

　　升壓ZVT-PWM轉換電路如圖1所示，下面來(lái)分析所采用電路的工作原理和電路運行模式：升壓ZVT-PWM轉換器不同于傳統的升壓轉換器，圖 1和圖2分別為它的電路圖及波形圖。升壓ZVT-PWM轉換器在傳統的升壓轉換器基礎上增加了一個(gè)ZVT 網(wǎng)絡(luò )，該網(wǎng)絡(luò )由輔助開(kāi)關(guān)QZVT、諧振電感Lr、諧振電容Cr及二極管D2和D3組成。電路工作時(shí)，輔助開(kāi)關(guān)QZVT先于主開(kāi)關(guān)QMAIN 開(kāi)通，使ZVT 諧振網(wǎng)絡(luò )工作，電容Cr上電壓(即主開(kāi)關(guān)QMAIN 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 升壓ZVT-PWM轉換器主電路

圖2 升壓ZVT-PWM轉換器波形圖

　　運行模式分析

　　假設輸入電感足夠大，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VO 代替。設t>

　　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導通，負載電流全部流過(guò)D1。在t0時(shí)刻，輔助開(kāi)關(guān)QZVT 導通，隨著(zhù)QZVT 的開(kāi)通，諧振電感Lr 中的電流線(xiàn)性上升到IIN。而二極管D1中的電流線(xiàn)性下降至零，二極管D1零電流關(guān)斷，即實(shí)現了二極管的軟關(guān)斷。而在實(shí)際電路中，二極管D1 需要經(jīng)歷反向恢復以除去結電荷。此時(shí)，ZVT諧振電感Lr上的電壓為VO，電感電流上升至IIN的時(shí)間t01為：

　　(1)

　　2. t1-t2：在t1 時(shí)刻，諧振電感Lr 中的電流線(xiàn)性上升到IIN，Lr和Cr開(kāi)始諧振。在諧振周期內，Cr放電直到電壓為零。漏極電壓變換率du/dt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上升。漏極電壓降至零所需的時(shí)間長(cháng)度應是諧振周期的1/4。在諧振周期結束時(shí)，主開(kāi)關(guān)管的體二極管開(kāi)通。這一過(guò)程結束時(shí)，QMAIN的體二極管開(kāi)通。