電源轉換器正朝著(zhù)越來(lái)越高的功率密度的方向發(fā)展。通常，獲得這種高功率密度的方法是提高開(kāi)關(guān)頻率，可以縮小濾波器組件的尺寸。但是，提升開(kāi)關(guān)頻率會(huì )極大地增加系統的開(kāi)關(guān)損耗，而這種損耗會(huì )阻礙系統在高于 100 kHz 的開(kāi)關(guān)頻率上運行。

1 引言

為了在保持一定效率的同時(shí)增加開(kāi)關(guān)頻率，人們開(kāi)發(fā)出了幾種軟開(kāi)關(guān)技術(shù)（1、2 和 3）。大多數諧振技術(shù)都增加了半導體電流和/或電壓應力，從而導致器件體積增大，并增加大環(huán)流帶來(lái)的傳導損耗。然而，一種新型轉換器被開(kāi)發(fā)了出來(lái)，其允許在沒(méi)有增加開(kāi)關(guān)損耗的情況提高開(kāi)關(guān)頻率，同時(shí)克服了諧振技術(shù)的大部分弊端。在實(shí)現主開(kāi)關(guān)零電壓開(kāi)啟和升壓二極管零電流關(guān)閉的時(shí)候，零電壓轉換 (ZVT) 轉換器工作在一個(gè)固定頻率上。這僅僅是通過(guò)在開(kāi)關(guān)轉換期間運用諧振操作來(lái)實(shí)現的。在周期的剩余時(shí)間里，從根本上將諧振網(wǎng)絡(luò )從電路中消除，而且轉換器的運行同其非諧振部分完全一致。

同傳統的升壓轉換器相比，這種技術(shù)帶來(lái)了效率方面的提高，并可以在低應力下運行升壓二極管（這是因為關(guān)閉狀態(tài)下受控的 di/dt）。二極管軟開(kāi)關(guān)還可以降低 EMI（這是一個(gè)重要的系統考慮因素）。

有源功率因數校正將對轉換器的輸入電流進(jìn)行編程以跟隨線(xiàn)電壓，并且有可能實(shí)現 3% THD 的 0.999 功率因數。Unitrode UC3855A/B IC 集成了功率因數校正控制電路，該控制電路可以為高功率因數提供數個(gè)電流傳感和功率級 ZVT 運行方面的增強特性。

UC3855 集成了設計一款帶有平均電流模式控制功能的 ZVT 功率級所需的所有控制功能。由于其能夠在避免斜率補償和其他方法（5、6）低噪聲抗擾度的同時(shí)對輸入電流進(jìn)行精確地編程，因此人們選擇了平均電流模式控制。

1.1 ZVT 技術(shù)

1.1.1 ZVT 升壓轉換器功率級

除開(kāi)關(guān)轉換以外的整個(gè)開(kāi)關(guān)周期中，ZVT 升壓轉換器的運行均同傳統的升壓轉換器一樣。圖 1 顯示的就是 ZVT 升壓功率級。ZVT 網(wǎng)絡(luò )由 QZVT、D2、Lr 和 Cr 組成，提供了升壓二極管和主開(kāi)關(guān)的有源緩沖。[4、7、8] 描述了 ZVT 電路的運行情況，為了敘述的完整性在此處進(jìn)行了回顧。參見(jiàn)圖 2，下列時(shí)序間隔可以被定義為：

圖 1 具有 ZVT 功率級的升壓轉換器

圖 2 ZVT 時(shí)序結構圖

1.1.2 ZVT 時(shí)序

1.1.2.1 t0-t1

t0 之前的時(shí)間里，主開(kāi)關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)，二極管 D1 正傳導滿(mǎn)負載電流。在 t0 處，輔助開(kāi)關(guān) (QZVT) 被開(kāi)啟。由于輔助開(kāi)關(guān)處于開(kāi)啟狀態(tài)，Lr 中的電流線(xiàn)性地上升至 IIN。在此期間，二極管 D1 中的電流正逐漸下降。當二極管電流達到零時(shí)，該二極管關(guān)閉（例如 D1 的軟開(kāi)關(guān)）。在實(shí)際電路中，由于二極管需要一定時(shí)間來(lái)消除結電荷 (junction charge)，因此會(huì )有一些二極管逆向恢復。ZVT 電感上的電壓為 VO，因此電流上升至 Iin 所需要的時(shí)間為：

1.1.2.2 t1-t2

在 t1 處，Lr 電流達到了 IIN，且 Lr 和 Cr 開(kāi)始產(chǎn)生諧振。該諧振周期在其電壓等于零以前對 Cr 放電。漏極電壓的 dv/dt 由 Cr（Cr 為外部 CDS 和 COSS 的組合）控制。Cr 放電的同時(shí)流經(jīng) Lr 的電流不斷增加。漏極電壓達到零所需要的時(shí)間為諧振時(shí)間的 1/4。在該周期結束時(shí)，主開(kāi)關(guān)的主體二極管開(kāi)啟。

1.1.2.3 t2-t3

在該時(shí)間間隔開(kāi)始時(shí)，開(kāi)關(guān)漏極電壓已達到 0V，并且主體二極管被開(kāi)啟。流經(jīng)該主體二極管的電流將由 ZVT 電感驅動(dòng)。該電感上的電壓為零，因此電流處于續流狀態(tài)。此時(shí)，主開(kāi)關(guān)被開(kāi)啟，以實(shí)現零電壓開(kāi)關(guān)。 1.1.2.4 t3-t4

在 t3 處，UC3855 感應到 QMAIN 的漏極電壓降至零，并在關(guān)閉 ZVT 開(kāi)關(guān)的同時(shí)開(kāi)啟主開(kāi)關(guān)。ZVT 開(kāi)關(guān)關(guān)閉以后，Lr 中的能量被線(xiàn)性地從 D2 釋放至負載。

1.1.2.5 t4-t5

在 t4 處，D2 中的電流趨于零。當這種情況發(fā)生時(shí)，該電路就像一個(gè)傳統升壓轉換器一樣運行。但是，在一個(gè)實(shí)際電路中，Lr 同驅動(dòng) D1 陰極（由于 Lr 的另一端被鉗位控制至零）正極節點(diǎn)的 ZVT 開(kāi)關(guān) COSS 一起諧振。在 ZVT 電路設計部分將對這種影響進(jìn)行討論。

1.1.2.6 t5-t6

該級也非常像一個(gè)傳統升壓轉換器。主開(kāi)關(guān)關(guān)閉。QMAIN 漏－源節點(diǎn)電容充電至 VO，并且主二極管開(kāi)始向負載提供電流。由于節點(diǎn)電容起初將漏極電壓保持在零狀態(tài)，因此關(guān)閉損耗被極大地降低了。

由上述內容可知，這種轉換器的運行僅在開(kāi)啟開(kāi)關(guān)轉換期間不同于傳統升壓轉換器。主功率級組件并未出現比正常情況更多的電壓或電流應力，而且開(kāi)關(guān)和二極管均歷經(jīng)了軟開(kāi)關(guān)轉換。通過(guò)極大地減少開(kāi)關(guān)損耗，可以在不降低效率的情況下增加工作頻率。二極管也可以在更低的損耗條件下工作，從而在更低溫度、更高可靠性的條件下運行。該軟開(kāi)關(guān)轉換還降低了主要由升壓二極管硬關(guān)閉引起的 EMI。

1.1.3 控制電路要求

為了保持主開(kāi)關(guān)的零電壓開(kāi)關(guān)，ZVT 開(kāi)關(guān)在 Cr 電壓諧振至零以前必須為開(kāi)啟狀態(tài)。通過(guò)使用一個(gè)相當于低線(xiàn)壓和最大負載條件下 tZVT 的固定延遲，可以實(shí)現這一目標。

但是，這樣一來(lái)在輕負載或更高線(xiàn)壓的條件下延遲的時(shí)間會(huì )比必要延遲時(shí)間更長(cháng)，從而會(huì )增加 ZVT 電路傳導損耗以及峰值電流應力。通過(guò)感應 QMAIN 漏極電壓何時(shí)降至為零，UC3855 實(shí)現了一個(gè)可變 tZVT。一旦該電壓降至 ZVS 引腳閾值電壓 (2.5V) 以下時(shí)，ZVT 柵極驅動(dòng)信號便被終止，并且主開(kāi)關(guān)柵極驅動(dòng)升高。圖 3 顯示了該控制波形。在振蕩器開(kāi)始放電時(shí)開(kāi)關(guān)周期開(kāi)始，ZVT 柵極驅動(dòng)在放電周期開(kāi)始時(shí)升高。在 ZVS 引腳感應到零電壓狀態(tài)或者放電期間結束（振蕩器放電時(shí)間為最大 ZVT 脈寬）以前，ZVT 信號均處于高位。這樣就使 ZVT 開(kāi)關(guān)僅在需要的時(shí)候開(kāi)啟。

圖 3 ZVT 控制波形

2 控制電路運行及設計

圖 4 顯示了 UC3855A/B 的結構圖（引腳數與 DIL?20 封裝相當）。其顯示了一款集成了基本 PFC 電路的控制器，包括平均電流模式控制以及促進(jìn) ZVT 工作的驅動(dòng)電路。該器件還具有簡(jiǎn)化電流傳感的電流波形合成器電路，以及過(guò)壓和過(guò)電流保護。在下列各章節中，該控制器件被分解成若干個(gè)功能模塊，并對其進(jìn)行了單獨的討論。

圖 4 UC3855 控制器結構圖

2.1 與 UC3854A/B 的比較

UC3855A/B 的 PFC 部分與 UC3854A/B 完全一樣。他們共有的幾個(gè)設計參數在下面被突出顯示了出來(lái)，以說(shuō)明其相似性。