1引言

　　有源功率因數(shù)校正（APFC" title="APFC">APFC）技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)各種電源裝置" title="電源裝置">電源裝置網(wǎng)側(cè)電流正弦化，把非線性負(fù)載變換成為一個(gè)等效純電阻，使功率因數(shù)接近1，極大地減少了電流的高次諧波，消除了無功損耗，減小了電磁干擾（EMI）。目前已進(jìn)入商業(yè)實(shí)用階段。由于是在電網(wǎng)和電源裝置之間串聯(lián)插入的功率校正裝置，因此功率因數(shù)校正裝置的可靠性和電效率顯得尤為重要。能夠?qū)崿F(xiàn)功率因數(shù)校正的電路有多種，在功率較大的場(chǎng)合，BOOST" title="BOOST">BOOST電路具有許多優(yōu)點(diǎn)而得到了廣泛的應(yīng)用[1]。但是，單相BOOST型PFC硬開關(guān)變換器工作于電流連續(xù)模式（CCM）時(shí)，由于BOOST二極管的反向恢復(fù)，功率開關(guān)器件將產(chǎn)生很大的開通損耗（這部分損耗將占PFC電路總損耗的30％）[2]。同時(shí)產(chǎn)生很大的干擾。這不僅降低了功率，更為嚴(yán)重的是，由于損耗引起溫升，降低了可靠性。所以在大功率時(shí)，硬開關(guān)BOOST電路存在嚴(yán)重的缺陷[1]。零電壓" title="零電壓">零電壓過渡（ZVT）技術(shù)應(yīng)用于BOOST電路很好地解決了二極管反向恢復(fù)問題。但是其輔助管工作于硬關(guān)斷狀態(tài)，將產(chǎn)生較大的關(guān)斷損耗。

2改進(jìn)型ZVT－BOOST電路的原理

　　為了減少ZVT－BOOST電路輔助管的關(guān)斷損耗，在輔助管上加入無損吸收電路，實(shí)現(xiàn)輔助管的軟關(guān)斷。電路如圖1所示，圖中C1、VD1就是關(guān)斷時(shí)的無損耗吸收電路。

　　電路的工作有八個(gè)階段組成，如圖2所示。

　　Mode1,t0－t1階段：t0時(shí)刻輔管Sr受控開通，流過BOOST二極管VD的電流iD開始向輔管Sr、輔助電感Lr換流。LrdiLr/dt=U0，直至iLr=iL,iD=0。

　　Mode2,t1－t2階段：BOOST二極管VD電流過零關(guān)斷，諧振電容Cr(包括主管S的內(nèi)部電容)和輔助電感Lr諧振，iLr繼續(xù)上升，Ucr下降。

　　當(dāng)Uin>Ucr時(shí)，BOOST電感L中的電流iL開始上升。

　　Mode3,t2－t3階段：Ucr下降為零，主管S的內(nèi)部反并聯(lián)二極管導(dǎo)通，主管S的端壓被鉗位于－0.7V。

　　Mode4,t3－t4階段：在零端壓下主管S受控開通，iL流入S：LdiL/dt=Uin，同時(shí)輔管Sr受控關(guān)斷，iLr向吸收電容C1以及輔管Sr內(nèi)部電容Cds諧振充電：LrdiLr/dt=Ucl=UCds,(C1＋Cds)dUcl/dt=iLr。

　　由于增加了吸收電容C1，所以輔管Sr關(guān)斷時(shí)電壓上升的速度變慢，實(shí)現(xiàn)了關(guān)斷緩沖。

　　Mode5，t4－t5階段：當(dāng)Ucl=Ucds=UO時(shí)，VD2導(dǎo)通，Ucl、Ucds被箝位于UO，Lr通過已開通的主管S向負(fù)載釋放能量，直至iLr=0。

　　Mode6,t5－t6階段：iLr下降為零，VD1、VD2、VD3因電流過零關(guān)斷，iL通過導(dǎo)通的主管S繼續(xù)上升。

　　Mode7,t6－t7階段：主管S受控關(guān)斷，iL向Cr充電，Ucr上升；由于Ucl＋Ucr=UO,Ucr上升使Ucl下降（也就是iL向C1反向充電，VD2導(dǎo)通）。直至Ucr=UO,Ucl=0,使輔管Sr的緩沖電容C1電壓無損回零，實(shí)現(xiàn)

圖1改進(jìn)型ZVT－BOOST電路

（a）Mode1   (b)Mode2

（c）Mode3    (d)Mode4

（e）Mode5    (f)Mode6

（g）Mode7    (h)Mode8

圖2電路工作的八個(gè)階段

圖3電路工作的原理波形

了無損吸收，可以看出，C1對(duì)主管S關(guān)斷也起到了關(guān)斷緩沖的作用。

　　Mode8,t7－t8階段：BOOST二極管VD開通，并保持Ucr=UO,Ucl=0。

　　電路進(jìn)入下一周期。圖3給出了電路的主要波形。

　　可以看出，改進(jìn)型ZVT－BOOST電路的主管在零電壓下開通。關(guān)斷時(shí)，并聯(lián)電容減少了關(guān)斷損耗。輔管由于增加了緩沖吸收電容C1，減少了關(guān)斷損耗。而且吸收電路的能量（1/2）C1U2o向負(fù)載釋放，沒有造成損耗。因此，無損吸收進(jìn)一步降低了原來ZVT－BOOST電路的損耗。

3仿真結(jié)果

　　對(duì)圖1電路用PSPICE進(jìn)行仿真，選用參數(shù)為：L=600μH，Cr=1000pF,Lr=20μH,C1=1nF,Cds=400pF,Uin=200V(DC),UO=400V,RO=82Ω。圖4給出了仿真結(jié)果。

4主要參數(shù)的設(shè)計(jì)

　　把改進(jìn)型ZVT－BOOST電路運(yùn)用于PFC，設(shè)計(jì)指標(biāo)：Pin=4.0kW,Uin=220V,Uo=400V,fs=50kHz,PF>0.99,輸入電流脈動(dòng)<10％ 。

(1)BOOST電感L

L的選取應(yīng)滿足輸入電流紋波" title="紋波">紋波的要求，根據(jù)SPWM的調(diào)制原理，不難得到[4]。

式中，Uin(pk)為輸入電壓的峰值；△I為最大輸入電流紋波。

（2）輸出濾波電容Co

對(duì)輸入、輸出瞬時(shí)功率進(jìn)行分析，可以看出輸出電壓Uo包含有兩倍網(wǎng)頻（即100Hz）的紋波，為了使Uo滿足設(shè)計(jì)要求（脈動(dòng)<5％ ） ，

（3）諧振參數(shù)Lr、Cr

由前述原理可知，為了保證主管零電壓開通，主管的開通時(shí)刻應(yīng)比輔管延時(shí)一段時(shí)間td,

td≥t2－t1=t10＋t21(4)

式中，t10為iL從VD換向Sr所需的時(shí)間，

t10=t1－t0=Lr·iLmax/Uo(5)

其中iLmax應(yīng)取最大輸入電流并考慮其紋波。

其中Tr為諧振周期。

　　改進(jìn)型ZVT－BOOST電路由于給輔管增加了無損吸收電路（緩沖強(qiáng)度可按強(qiáng)型設(shè)計(jì)），大大減?。ㄉ踔料┝岁P(guān)斷損耗，進(jìn)一步減小整個(gè)電路的損耗。

圖4PSPICE仿真結(jié)果

圖5改進(jìn)型ZVT—BOOST電路實(shí)驗(yàn)波形

　　設(shè)計(jì)時(shí)，諧振頻率fr一般取開關(guān)頻率fs的5～10倍。過高，則諧振電流峰值太大；過小，則td過長(zhǎng)，主電路不能利用的占空比太大，造成輸入電流的畸變和輸出電壓的不穩(wěn)。Cr的選取應(yīng)有利于減少主管的關(guān)斷損耗和不引起過大的諧振峰值電流。由于C1同樣對(duì)主管起到了關(guān)斷緩沖吸收的作用，因此Cr的值可取小，甚至不用外接。取Cr=1000pF(包括主管內(nèi)部輸出電容)、Lr=20μH，td=2μs。

　?。?）吸收電容C1

　　C1取大有利減小主管和輔管的關(guān)斷損耗，但過大，則會(huì)造成L中的能量不足以使UC1恢復(fù)回零，起不到緩沖的作用，實(shí)驗(yàn)中取C1=1nF。

5實(shí)驗(yàn)結(jié)果與結(jié)論

(a)主管驅(qū)動(dòng)與主管端壓波形  (b)PFC電路輸入端電壓、電流波形

　　圖5給出了采用改進(jìn)型ZVT－BOOST電路實(shí)現(xiàn)PFC的實(shí)驗(yàn)波形。