升壓ZVT-PWM轉(zhuǎn)換器在單項功率因數(shù)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(shù)校正(PFC)技術(shù)中。傳統(tǒng)的升壓電路工作在硬開關(guān)狀態(tài)，其特點是工作在不連續(xù)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(guān)不僅要通過較大的通態(tài)電流，而且關(guān)斷較大的峰值電流會引起很大的關(guān)斷損耗，同時還會產(chǎn)生嚴重的電磁干擾。因此，在升壓電路中采用軟開關(guān)技術(shù)不但可以提高開關(guān)頻率，還能解決開關(guān)開通與關(guān)斷損耗、容性開通、感性關(guān)斷和二極管反相恢復4大難題。然而，在軟開關(guān)技術(shù)方面前人已經(jīng)提出好幾種電路，如諧振型轉(zhuǎn)換器、準諧振轉(zhuǎn)換器和零開關(guān)PWM轉(zhuǎn)換器等，雖然在單相功率因數(shù)校正電路中采用這些電路可以提高功率因數(shù)和系統(tǒng)效率，但總體上并不理想。本文采用升壓ZVT-PWM轉(zhuǎn)換電路，使其工作在軟開關(guān)狀態(tài)，特點是工作在連續(xù)導電模式，優(yōu)點是功率開關(guān)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(tǒng)硬開關(guān)控制技術(shù)的功率因數(shù)校正提高了一大步。通過電路仿真和實際電路設計，發(fā)現(xiàn)都可以很好地達到功率因數(shù)校正的目的，而且顯著減少了功率管的開關(guān)損耗，抑制了電磁干擾，可獲得較高的效率。

　　升壓諧振轉(zhuǎn)換器(包括準諧振和多諧振轉(zhuǎn)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(guān)PWM轉(zhuǎn)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，開關(guān)管和諧振元件的電壓應力和電流應力與準諧振轉(zhuǎn)換器完全相同，為此提出了零轉(zhuǎn)換PWM轉(zhuǎn)換器。它可分為零電壓轉(zhuǎn)換PWM轉(zhuǎn)換器(升壓ZVT-PWM)和零電流轉(zhuǎn)換PWM轉(zhuǎn)換器(升壓ZCT-PWM)。這類轉(zhuǎn)換器是軟開關(guān)技術(shù)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(guān)管開關(guān)時工作一段時間，從實現(xiàn)開關(guān)管的軟開關(guān);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(lián)在主功率回路中，輔助電路的工作不會增加主開關(guān)管的電壓和電流應力，主開關(guān)管的電壓和電流應力很小。

　　升壓ZVT-PWM轉(zhuǎn)換器

　　主電路拓撲及工作原理

　　電路零轉(zhuǎn)換工作原理

　　升壓ZVT-PWM轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器不同于傳統(tǒng)的升壓轉(zhuǎn)換器，圖 1和圖2分別為它的電路圖及波形圖。升壓ZVT-PWM轉(zhuǎn)換器在傳統(tǒng)的升壓轉(zhuǎn)換器基礎(chǔ)上增加了一個ZVT 網(wǎng)絡，該網(wǎng)絡由輔助開關(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，輔助開關(guān)QZVT先于主開關(guān)QMAIN 開通，使ZVT 諧振網(wǎng)絡工作，電容Cr上電壓(即主開關(guān)QMAIN 兩端電壓)下降到零，創(chuàng)造主開關(guān)QMAIN 零電壓開通條件。

圖1 升壓ZVT-PWM轉(zhuǎn)換器主電路

圖2 升壓ZVT-PWM轉(zhuǎn)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(guān)QMAIN和輔助開關(guān)QZVT關(guān)斷，二極管D1導通，負載電流全部流過D1。在t0時刻，輔助開關(guān)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(guān)斷，即實現(xiàn)了二極管的軟關(guān)斷。而在實際電路中，二極管D1 需要經(jīng)歷反向恢復以除去結(jié)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：

　　(1)

　　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(nèi)，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(xù)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(jié)束時，主開關(guān)管的體二極管開通。這一過程結(jié)束時，QMAIN的體二極管開通。