一种新颖的三电平软开关功率因数校正电路.docx

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一种新颖的三电平软开关功率因数校正电路

一种新颖的三电平软开关功率因数校正电路

1  引言

   近年来，人们对电力电子装置的电压等级和功率等级的要求不断提高，多电平变换器作为顺应这一潮流的一种解决方案，正受到越来越多的关注[1]。

与此同时，随着大量电力电子装置的普及使用，其对电网造成日益严重的谐波污染问题，各国都对电力电子装置的功率因数制定了严格的标准，因此，对功率因数校正（PFC）电路的拓扑结构和控制技术的研究，是近年来电力电子技术领域的又一研究热点。

另一方面，由于众所周知的原因，高频化是电力电子学一直追求的目标，伴随着高频化，功率器件的开关损耗问题成为一个日益突出的矛盾，由此软开关技术应运而生，它成为降低开关损耗，提高系统效率以及改善EMI问题的一个重要手段。

本文在上述电力电子技术研究的3个热点中找到一个应用的契合点。

提出了一种新颖的单相三电平无源无损软开关PFC电路拓扑。

在分析传统二极管箝位型三电平逆变桥臂拓扑结构的基础上，推导出具有实用价值的三电平Buck和Boost电路，讨论了由三电平Boost电路构成的三电平PFC电路的原理及实现问题。

为了提高系统的效率且不增加控制的复杂性，将一种无原理性过压的无源无损软开关的基本单元应用于三电平PFC电路中，实现了功率器件的软开关，提高了系统的效率；最后给出了仿真和实验结果。

2 单相三电平PFC电路的来源、原理和实现

2.1单相三电平PFC电路的来源

   正如传统的两电平逆变桥臂可以很容易地拆分得到Buck和Boost电路，采用类似的方法，也可以将图1（a）所示的二极管箝位型三电平逆变器桥臂，经过适当地改进[2]，拆分为如图1（b），1（c）所示的具有实用价值的三电平Buck和Boost电路。

2.2单相三电平PFC电路的原理和实现

   Boost电路因其输入电流连续，拓扑结构简单，效率高等特点，常被作为单相PFC电路拓扑的首选，但因Boost电路的升压特性，在220V交流输入的情况下，输出电压通常控制在400V左右。

在升压比例不变的情况下，若输入电压进一步升高，相应的输出电压也会随之上升；或者在输入电压不变的情况下，希望有高的输出电压。

这都意味着Boost电路中的功率器件需要承受400V以上的电压应力，这样，一方面增加了器件的开关损耗和通态损耗，另一方面，当电压升高到一定程度时，给器件的选择带来了困难，这在希望高压，高频运行的单相PFC电路中成了一个很难解决的矛盾。

因此，单相三电平Boost电路，为解决这一矛盾提供了一个很好的途径。

   将单相三电平Boost电路用作PFC的主电路在文献[3,4]中曾被提出和研究，但它们都是突兀的直接给出，并没有如本文所述给出其来源。

其控制的基本思想是将工作范围分为两个区域，根据输入电压Vi的幅值和二分之一输出电压Vo/2幅值的比较，采用不同的工作模式，实现PFC的功能。

   三电平PFC电路的控制实际上和两电平PFC电路的控制没有本质区别，它的主要目的仍是输入电流跟踪输入电压，但由于特殊的电路结构，需在原有的控制逻辑中附加如下额外的判断条件

   这里，逻辑L1用来判断工作区域，逻辑L2用来控制中点电压平衡。

逻辑L1，L2和来自通常的PFC闭环控制的逻辑L0，共同作用，决定PFC电路工作模式的选择，即不同的开关状态组合。

   值得注意的是，文献[4]中给出的控制方法中L0逻辑来自输入电流滞环比较器的输出，它是一个变频脉冲信号，而本文采用如图

（2）所示的控制方法，其L0逻辑是来自3854的定频脉冲信号，正是这个区别，使得本文的控制方法，最终得到的开关管门极信号几乎为定频（因为逻辑L1，L2的比较器为回差较大的滞环比较器，它们的变化频率远低于L0），从而不仅方便输入电感的取值，而且为无源无损软开关的实现提供了便利条件。

3 新颖的单相三电平无源无损软开关PFC电路

3.1电路拓扑和基本原理

   尽管采用三电平PFC的拓扑结构，在相同输出电压条件下，开关管的电压应力减低一半，从而相应的通态损耗和开关损耗有所减小，但当开关频率较高时，这些损耗依然可观，因此，使用软开关技术来进一步提高效率，仍然是必要和有意义的。

   软开关技术从广义上可分为有源软开关技术和无源软开关技术两大类，它们的分类和界定及优缺点对比，在文献[2]中已有详尽的阐述。

   这里给出一种无须附加额外检测和控制的三电平无源无损软开关电路拓扑，如图（3）所示，附加的无源无损软开关单元（虚线框内），是现有单端电路无源无损软开关最简单的拓扑之一[2,5~8]，由1个谐振电感Lr1

（2），1个谐振电容Cr1

（2），1个储能电容Cs1

（2）和3个二极管D1

（2）1,D1

（2）2,D1

（2）3组成。

电感Lr1

（2）和电容Cr1

（2），Cs1

（2）之间的谐振实现了开关管的零电流开通和续流二极管的零电压关断，以及开关管的零电压关断和续流二极管的零电压开通。

同时，每个周期Cs1

（2）收集这些谐振能量，并最终将其转移到负载，实现了吸收电路的无损运行。

3.2 工作过程分析

   在分析工作过程之前作如下假设：

   1） 除续流二极管外，所有器件均为理想器件；

   2） 输入电感L远大于谐振电感Lr1

（2）；

   3） 输出电容足够大，输出电压恒定。

   由于电路结构的对称性，仅分析S1和D1之间的换流过程，每周期工作过程分为8个阶段，如图4（a）～（h）所示。

开关波形如图（5）所示，分析如下：

（1）阶段1（t0

t0时刻S1开通，由于谐振电感Lr1的存在，D1的电流值从输入电流Ii开始以一定斜率线性减小，同时S1的电流从零开始以相同的斜率线性上升，实现开关管S1的零电流开通，Lr1的电流由式（3）给出。

（2）阶段2（t1

此时，电感Lr1的电流和电容Cs1，Cr1的电压之和V（t）分别为

开关管S1的峰值电流等于输入电流Ii与谐振电感峰值电流之和，该峰值出现在VCs1+VCr1=V1时，可由下式表示：

  （3）阶段3（t2

Lr1,Cs1，D12，D13开始第2个谐振过程，该过程谐振电感电流Ilr1和储能电容电压Vcs1如下：

t3时刻，Ilr1（t3）等于零，第2个谐振过程结束，Lr1中能量完全传递到Cs1中。

  （4）阶段4 （t3

之后，Cr1，Cs1的电压保持不变，电路进入S1，S2导通的稳定运行状态。

  （5）阶段5（t4

即管电压按式（19）从零开始上升，实现S1的零电压关断。

  （6）阶段6 （t5

  （7）阶段7（t6

该阶段Vcs1如式（22）所示。

  （8）阶段8 （t7

2.3  无源无损软开关电路参数设计

   从上述的工作过程，可以得出以下几个设计要点：

（1）从减小开关管S1开通时的di/dt，以及减小续流二极管D1反向恢复电流所造成的损耗的角度，应该选择尽可能大的Lr1；

（2）在阶段6，D12和D13必须在Cs1放电到零之前自然关断，否则D11，D12，D13将在整个开关周期中一直保持导通，从而使S1失去软开关的条件，为此，下面的不等式必须满足：

上式表明，应选较大的Cr1并希望Irr较大。

  （3）从式（9），（18）可以看出，Cr1越大，开关管S1的电流应力和续流二极管D1的电压应力也将越大。

可见，Lr1，Cr1的取值应综合考虑，折中选取。

根据式（18），二极管上的过压近似等于

，所以Cs1与Cr1的值应尽可能大，工程中选择25倍以上,可得到0.2倍V1的过压。

  （4）从上面的分析还可看出，开关管S1关断时无原理性过压，续流二极管D1开通时无原理性过流。

4 仿真和实验结果

   为验证本文提出的无源无损软开关技术的有效性，将该无源无损软开关单元附加于三电平PFC电路中，建立了1台新颖的2kW单相三电平无源无损软开关PFC电路样机。

相关电路参数如下：

输入电感2mH，功率器件选用IRFP460（两管并联），快恢复二极管选用HFA25TB60，输出电容C1=C2=1410mF，交流输入电压220V，输出电压

400V，开关频率40kHz。

谐振电感Lr1

（2）为18mH，谐振电容Cr1

（2）为43nF，储能电容Cs1

（2）为1mF，辅助二极管D1

（2）1,D1

（2）2,D1

（2）3为MUR8100。

图（6）是利用Pspice8.0仿真软件得到的仿真结果，可以看出输入电流能很好地跟踪输入电压，电路运行在三电平状态。

中点电压是平衡的。

相应的实验波形如图（7）所示，实验结果和仿真结果非常一致。

   图（8）所示为硬开关条件下，开关管和续流二极管的电压和电流波形，图（9）给出的是附加无源无损软开关单元后，相应的电压和电流波形，显然，后者很好的实现了开关管和续流二极管的软开关运行。

从图中可以看出，开关管的开通过程是很好的零电流开通，但关断过程，电压和电流有一很小重叠区域，事实上，如果增大谐振电容Cr1

（2），管电压的上升斜率将减小，零电压关断的情况会更好，只是相应的开通电流过冲会增大，这一点从式（9）和（18）可以清晰体现，图中的软开关过程是在综合考虑开通电流过冲和关断电压缓升后，折中选择电路参数所得到的结果。

并且，开关管关断过程无过压，二极管开通时无过流，验证了前文的分析。

   从仿真和实验波形，还可以观察到一个很重要的现象，在每周期电流波形的“两肩”，电流波形各有一个畸变，这2个位置正好对应不同工作区域之间过渡的时刻，其产生的原因，可能是由工作区域逻辑的滞环特性以及电流环的动态响应较慢所致。

正是这个畸变使三电平PFC的功率因数有所降低，实验实测PF约为0.97左右。

图（10）给出的是软开关条件下，三电平PFC电路输入电压和输入电流波形，对比图7（a）不难发现，前者的输入电流波形优于后者，实验结果证实了观察到的现象，实测的软开关三电平PFC的PF值约0.99左

右，这是使用软开关吸收电路的一个意外收获，其原因在于，由于谐振电感串入续流二极管所在支路，限制了在工作区域过度时刻的电流突变，减小了输入电流的畸变，因而相应地提高了PF值。

图（11）给出的是在不同功率条件下，硬开关和无源无损软开关的效率对比曲线，结果表明，所提供的无源无损软开关PFC电路，较之相应的硬开关电路，效率明显的提高。

5 结论

   利用电路拓扑结构的改进，提高电力电子装置的电压和功率等级的多电平变换技术，改善电力电子装置功率因数的PFC技术，以及提高系统效率，改善电力电子装置EMI特性的软开关技术，是目

前电力电子技术领域的3个研究热点，本文在这3者之间找到了一个应用的契合点，提出了一种新颖的单相三电平无源无损软开关PFC电路拓扑，介绍了这种电路拓扑的来源，工作原理，实现方法，以及相应的无源无损软开关电路的电路拓扑，工作过程和设计原则，并进行了仿真和实验研究，结果表明，该电路不仅实现了三电平PFC的基本功能，大大降低了开关管的电压应力，而且实现了开关管和续流二极管的软开关运行，提高了系统效率。

且没有带来控制上的复杂性。

是一种既有理论意义，又有实用价值的电路拓扑。