電源:一種新穎的零電壓轉(zhuǎn)換PFC變換器設(shè)計(jì)
1 引 言
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/176424.htm在單相功率因數(shù)校正變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中,單開關(guān)PWM升壓變換器因其突出的優(yōu)越性而在近些年被廣泛應(yīng)用于各類功率電子系統(tǒng)中。而同時(shí),由于開關(guān)工作頻率不斷提高所帶來的諸如開關(guān)損耗、電磁干擾等問題也日益嚴(yán)重,這些問題嚴(yán)重得影響了變換器工作的可靠性和頻率的提高和 [1-2]。為此,電力電子領(lǐng)域的專家學(xué)者們一直在探索各種解決方案,并于近些年先后提出了許多零電壓或零電流軟開關(guān)技術(shù)[1-4],為解決上述問題提供了一條理想途徑。
本文提出了一種新穎的有源鉗位零電壓轉(zhuǎn)換(ZVT)PWM功率因數(shù)校正變換器,它采用了有源鉗位技術(shù),且電感和電容工作在諧振模式,從而可以獲得軟開關(guān)條件。該變換器可在固定頻率下實(shí)現(xiàn)主開關(guān)管的零電壓開關(guān),并且在任何輸入電壓和負(fù)載條件下都能實(shí)現(xiàn)輔助開關(guān)管的零電流開關(guān)。
2 工作原理
圖1所示為提出的ZVT PFC變換器的工作原理圖。主開關(guān)旁邊并聯(lián)了一個(gè)吸收電容Cs,實(shí)現(xiàn)了主開管的零電壓關(guān)斷。
圖1 ZVT PFC變換器原理圖
主開關(guān)和輔助開關(guān)在圖3和圖4所示序列的觸發(fā)下,一個(gè)開關(guān)周期可以分為六個(gè)工作階段。圖2所示即為變換器在六個(gè)工作模式下的等效電路圖。在對六個(gè)工作模式加以分析之前,先做以下假定:在t0時(shí)刻以前,VCr=2Vo,ILr=Ii。
模式1:(t0~t1)如圖2(a)
在t0時(shí)刻以前,主開關(guān)管K關(guān)斷,輔助開關(guān)管在t0時(shí)刻導(dǎo)通。電感Lr和電容Cr開始諧振,電感電流ILr按(2)式規(guī)律開始減小。
(1)
(2)
其中,
模式2:(t1~t2)如圖2(b)
在t1時(shí)刻,電感電流ILr減小到零,二極管DC關(guān)斷。電容Cs、Cr和電感Lr諧振,電容Cs放電,電感電流ILr方向改變。
(3)
(4)
模式3:(t2~t3)如圖2(c)
在t2時(shí)刻,電容上的電壓Vcs減小為零,主開關(guān)管在零電壓的條件下導(dǎo)通。電感Lr和電容Cr諧振,電容Cr繼續(xù)放電直到電容上的電壓Vcr減小到零,此時(shí)二極管D導(dǎo)通。之后,輔助開關(guān)S在零電流的條件下關(guān)斷,電感電流ILr線性減小到零。然后電感電流ILr改變方向并線性增加, 在t3時(shí)刻,其值再次達(dá)到Ii。
模式4:(t3~t4)如圖2(d)
在t3時(shí)刻,二極管D關(guān)斷,電感Lr和電容Cr諧振,并對電容Cr充電。
模式5:(t4~t5)如圖2(e)
在t4時(shí)刻,電容上的電壓Vcr達(dá)到最大值2Vo ,電感電流ILr減小到零,PFC電路進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。
模式6:(t5~t6)如圖2(f)
由于吸收電容Cs的存在,在t5時(shí)刻,主開關(guān)實(shí)現(xiàn)了零電壓關(guān)斷,電流源Ii對電容Cs充電,電容電壓Vcs線性增加,直到其值為Vo,此時(shí)二極管Dc開始導(dǎo)通。至此,一個(gè)完整的工作周期結(jié)束,下一個(gè)工作周期開始。
3 仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果
為驗(yàn)證上述分析過程的正確性,利用PSpice對ZVS-PWM PFC變換器做了仿真分析,仿真條件為:輸入電流=5/30A;輸出直流電壓=400V;開關(guān)頻率=100kHz;諧振電容Cr=15nF;吸收電容 Cs=1.0nF;諧振電感Lr=5uH;主開關(guān)K :IRFP460;輔助開關(guān)S:IRFP840;二極管D:MUR890;鉗位二極管DC:MUR3040;輸出電容Co=1000uF。
仿真波形如圖3、圖4所示:分別為滿載和輕載條件下電壓、電流、主開關(guān)管和輔助開關(guān)管驅(qū)動信號的仿真波形。從這些波形中可以看出,主開關(guān)管工作于固定頻率,并且實(shí)現(xiàn)了零電壓轉(zhuǎn)換。同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了輔助開管的零電流轉(zhuǎn)換和二極管的軟關(guān)斷。
為了進(jìn)一步驗(yàn)證該變換器的工作原理和性能,在實(shí)驗(yàn)室完成了一臺功率為3kW,工作頻率為100kHz的通信用開關(guān)電源裝置。圖6和圖7給出了輸入交流 160V~275V,輸出電壓為400V時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形。控制器以UC3854為核心,輔以必要的外圍電路,可使所提出的ZVT PFC變換器獲得近似正弦波的輸入電流,并且THD很小,只有5.7%, PFC達(dá)到了0.99。 輸入電流和電壓波形如圖6所示。圖7給出了提出的ZVT-PWM PFC工作在滿載條件下的實(shí)驗(yàn)波形圖??梢钥闯觯瑢?shí)驗(yàn)波形與仿真結(jié)果一致。主開關(guān)管和輔助開關(guān)管都可在全負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)零電流開關(guān),并且電壓和電流應(yīng)力都很小。另外,二極管D也實(shí)現(xiàn)了軟關(guān)斷。
4 結(jié) 論
本文提出了兩種新穎的ZVT-PWM升壓PFC變換器,分析了其工作過程及電路參數(shù)。通過仿真和實(shí)驗(yàn)都驗(yàn)證了這種變換器不僅可實(shí)現(xiàn)主開關(guān)管的零電壓轉(zhuǎn)換和輔助開關(guān)管的零電流開關(guān),而且開關(guān)管的電壓電流應(yīng)力非常小,同時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明提出的變換器效率可高達(dá)94%.
參考文獻(xiàn):
[1] K.Mark Smith,Keyue M.Smedley. “A Comparison of Voltage Mode Soft Switching Methods for PWM Converters”[J],IEEE Applied Power Electronics Conference,1996,pp.291~298
[2] Alecandre Ferrari de Souza, Ivo Barbi. “A New ZVS-PWM Unity Power Factor Rectifier With Reduced
[3] G.C.Hua,F.C.Lee.“Novel Zero-Voltage-Transition PWM Converters”[J],IEEE Power Electronics Specialist Conference, 1992, pp.55~61
[4] G.C.Hua,F.C.Lee. “Novel Zero-Current-Transition PWM Converters”[J],IEEE Power Electronics Specialist Conference, 1993, pp.538~544
Conduction Loss”[J],IEEE Power Electronics Specialist Con ference, 1994, pp.342~348
[5] 阮新波 嚴(yán)仰光 《直流開關(guān)電源的軟開關(guān)技術(shù)》 科學(xué)出版社 2000年
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