升壓ZVT-PWM轉換器的工作原理及應用設計實現方案

引言

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）技術中。傳統的升壓電路工作在硬開關狀態，其特點是工作在不連續導電模式時，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，因而控制簡單;缺點是開關不僅要通過較大的通態電流，而且關斷較大的峰值電流會引起很大的關斷損耗，同時還會產生嚴重的電磁干擾。因此，在升壓電路中采用軟開關技術不但可以提高開關頻率，還能解決開關開通與關斷損耗、容性開通、感性關斷和二極管反相恢復4大難題。然而，在軟開關技術方面前人已經提出好幾種電路，如諧振型轉換器、準諧振轉換器和零開關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，使其工作在軟開關狀態，特點是工作在連續導電模式，優點是功率開關管開通損耗和二極管的反向恢復損耗都大大降低，較之采用傳統硬開關控制技術的功率因數校正提高了一大步。通過電路仿真和實際電路設計，發現都可以很好地達到功率因數校正的目的，而且顯著減少了功率管的開關損耗，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。而零開關PWM轉換器中，雖然諧振元件不是一直工作在諧振狀態，但諧振電感卻串聯在主功率回路中，它的損耗較大，同時，開關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）。這類轉換器是軟開關技術的又一飛躍。其特點是工作在PWM方式下，輔助諧振電路只是在主開關管開關時工作一段時間，從實現開關管的軟開關;其它時候不工作，從而減小了輔助電路的功耗。而且，輔助電路并聯在主功率回路中，輔助電路的工作不會增加主開關管的電壓和電流應力，主開關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ZVT 網絡，該網絡由輔助開關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，輔助開關QZVT先于主開關QMAIN 開通，使ZVT 諧振網絡工作，電容Cr上電壓（即主開關QMAIN 兩端電壓）下降到零，創造主開關QMAIN 零電壓開通條件。

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，主開關QMAIN和輔助開關QZVT關斷，二極管D1導通，負載電流全部流過D1。在t0時刻，輔助開關QZVT 導通，隨著QZVT 的開通，諧振電感Lr 中的電流線性上升到IIN。而二極管D1中的電流線性下降至零，二極管D1零電流關斷，即實現了二極管的軟關斷。而在實際電路中，二極管D1 需要經歷反向恢復以除去結電荷。此時，ZVT諧振電感Lr上的電壓為VO，電感電流上升至IIN的時間t01為：

2. t1-t2：在t1 時刻，諧振電感Lr 中的電流線性上升到IIN，Lr和Cr開始諧振。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實際上是CDS與 COSS的和。在Cr放電的同時，諧振電感中的電流則持續上升。漏極電壓降至零所需的時間長度應是諧振周期的1/4。在諧振周期結束時，主開關管的體二極管開通。這一過程結束時，QMAIN的體二極管開通。

3. t2-t3：這一期間開始時，主開關QMAIN的漏極電壓降到零，其體內二極管開通。流過體二極管的電流由ZVT電感提供。由于電感兩端的電壓為零，因此，二極管處于續流狀態。而與此同時，主開關管實現了零電壓導通。

4. t3-t4：在t3時刻，控制電路感應到主開關管QMAIN的漏極電壓降為零時，開通主開關管QMAIN，同時關斷輔助開關管QZVT。在輔助開關管QZVT關斷后，Lr中的能量通過二極管D2向負載傳輸。

5. t4-t5：在t4 時刻，D2中的電流下降到零，此時電路的工作狀態與普通的升壓轉換器相同。而實際中，Lr將與輔助開關管QZVT的結電容COSS發生諧振，使二極管D1陽極電壓為負。

6. t5-t6：這個階段電路的工作過程和普通 升壓轉換幾乎完全一致，主開關管QMAIN關斷，其漏-源結電容被充至VO，主二極管D1開始向負載供電。由于一開始結電容使漏極電壓為零，因此，主開關管QMAIN的關斷損耗大大降低。

7. t6-t0：這個階段處于續流狀態，二極管D1導通，電路通過電感L為負載提供能量。

實驗結果

電路參數設計

設計指標：單相交流輸入220V，上下波動15%，輸出功率為2000W，效率為90%，輸出電壓為380V，轉換器工作頻率為100kHz。

仿真結果

在計算機仿真軟件Matlab的Simulink中建立仿真模型進行仿真。仿真參數：Vin=220V;L=200mH;fk=100kHz;Lr=4.7mH;Cr=470pF。仿真結果如圖3所示。

圖3 輸入電壓/電流仿真圖

從圖3可以看出，輸入電流較好地跟蹤了輸入電壓，達到了功率因數校正的目的。

實驗分析

搭好主電路和控制電路，調試后用示波器觀察波形，圖4為輸入交流電壓/電流實驗波形圖。由圖可見，輸入交流電流與輸入交流電壓相位相同，輸入電流波形為正弦波，實現了系統的高功率因數。電壓由于功率管的開關及分布參數的影響還存在一些毛刺，可以通過使用共模電感加以抑制。

圖4 交流輸入電壓和電流波形

結語

綜上所述，在單相功率因數校正電路中采用升壓ZVT-PWM 轉換器，可以實現軟開關PFC。實驗結果表明，該電路很好地達到了功率因數校正的目的，而且減少了開關管的損耗，抑制了電磁干擾并提高了系統的效率。

責任編輯：gt