单周控制无源无损软开关高功率因数整流器设计

SHANDONG 毕业设计说明书 单周控制无源无损 软开关高功率因数整流器设计 学 院：电气与电子工程学院 专 业： 自 动 化 学生姓名： 王 海 峰 学 号： 0812106572 指导教师： 张 厚 升 2012 年 6 月 摘要 I 摘 要 在现在的电力电子装置中，整流装置占有很大的比例。传统的 整流装置含有大量的谐波分量，这将会造成严重的谐波污染。因此 本文了研究一种单周期控制的无源无损软开关高功率因数整流器， 从而克服谐波污染和“二次效应”等。 本文对单周期控制技术、功率因数校正技术、无源无损软开关 技术进行了详细的介绍。 设计了一种单周控制的无源无损软开关高 功率因数的整流器，主电路中对单相整流桥、滤波电容、Boost 升 压电感、 EMI 滤波器进行了设计。 同时介绍了无源无损软开关电路， 并设计了它的具体参数。在控制电路中，采用 IR1150 作为主要控 制芯片。对 IR1150 芯片进行了详细的介绍，并且计算了控制电路 的各个参数，对驱动电路也进行了详细的设计。 关键词关键词：单周期控制，功率因数控制，软开关，Boost 变换器 Abstract II Abstract Large proportion of power electronic devices, rectifiers. The traditional rectifier unit contains a large number of harmonic components, which will cause serious harmonic pollution. This article on a single-cycle control passive lossless soft-switching high power factor rectifier, thereby overcoming the harmonic pollution and the “secondary effects“. The single-cycle control technology, power factor correction techniques, passive lossless soft-switching techniques are described in detail. Designed a single-cycle control passive lossless soft-switching high power factor rectifier, the main circuit of the single-phase bridge rectifier, filter capacitor, Boost inductor and EMI filter design. Also introduced passive lossless soft-switching circuit, and design of specific parameters. In the control circuit using the IR1150 as the main control chip.IR1150 chips in detail, and calculate the various parameters of the control circuit, drive circuit is also carried out a detailed design. Keywords: single-cycle control, power factor control, soft-switching Boost converter, electromagnetic interference 目录 III 目录 摘 要 I Abstract II 目录 . III 第一章 引 言 1 1.1 研究背景 .1 1.2 研究意义 .2 1.3 研究现状 .4 1.4 研究目的 .5 1.5 本章小结 5 第二章 单周控制无源无损软开关的关键技术.6 2.1 单周期控制技术 .6 2.1.1 对单周期控制技术的分析 7 2.1.2 单周期控制技术的主要特点 9 2.2 功率因数校正（PFC）技术 .9 2.2.1 输入侧功率因数的技术介绍 9 2.2.2 功率因数校正技术的发展方向 11 2.3 无源无损软开关技术 12 2.3.1 无源无损软开关的分类 . 12 2.3.2 软开关技术的发展状况 . 12 2.3.3 无源无损软开关技术的意义 15 2.4 本章小结 16 第三章 单周控制无源无损软开关整流器的主电路设计.17 3.1 单周控制无源无损高功率因数整流器的工作原理 17 3.2 单周期控制功率因数的校正技术的分析 18 3.3 主电路的设计 .20 3.3.1 单相整流桥设计 21 3.3.2 滤波电容的设计 22 3.3.3Boost 升压电感的设计 . 23 目录 IV 3.3.4 无源无损软开关电路设计 24 3.3.4.1 无源无损软开关技术的工作原理 . 24 3.3.4.2 无源无损软开关的参数设计 25 3.3.5 电磁干扰（EMI）滤波器与噪声的抑制 . 26 3.4 本章小结 27 第四章 控制电路的设计 29 4.1IR1150 芯片的介绍 29 4.1.1IR1150 控制芯片的外观 . 29 4.1.2 IR1150 的主要特性 . 29 4.1.3 主要管脚功能介绍 30 4.2 控制电路的详细设计 .31 4.3 驱动电路的设计 .36 4.4 辅助工作电源设计 37 4.5 本章小结 38 第五章 结 论 39 参考文献 .40 致 谢 42 附录 43 第一章 引言 1 第一章 引 言 1.1 研究背景 在现在的电力电子装置中，整流装置占有很大的比例。目前， 我们所用的整流装置很大一部分都是采用二极管整流。 因为整流二 极管的非线性和滤波电容的储能作用， 使输入的电流发生畸变从而 产生脉冲状的电流波形，其中包括大量的谐波分量。当这些谐波分 量大量的注入电网时就会产生严重的谐波“污染”。所以抑制谐波并 且 对 电 力 电 子 设 备 进 行 功 率 因 数 的 校 正 已 经 成 为 电 力 电 子 技 术 领 域面临的一项重大课题，受到越来越多的关注，成为了国内外争相 讨论研究的热点。 目前，大多数的整流器都是采用平均电流控制，从而达到功率 校正的目的。但在平均电流控制中，需要检测输入电压、输出电压、 电感电流， 并且还要使用乘法器来实现， 这就使得系统的控制复杂， 而且投资也会升高。 单周期控制技术（PFC）是一种新型的控制方法，它不需要乘 法器，同时具有调制和控制的两重性。该技术无论是在稳态还是暂 态都能够保持受控量的平均值恰好等于或者正比于控制参考信号， 具有开关频率恒定、动态响应快、鲁棒性强、易于实现等优点。这 项技术最早应用于 DC/DC 变换器的控制中，现在已经逐步运用于 开关功率放大器、有源电力滤波器、交错运行并联开关变换器、矩 阵式交流稳压电源、单相和三相功率因数矫正器等领域。 为了克服谐波“污染”和“二次效应”等一系列问题，单周期控制 技术无疑是一种好的选择。IR1150 的问世，也提高了功率因数校 正的应用效率。 但是很多单周期控制的功率因数校正器的主开关均 采用硬开关模式，开关损耗较大。为了克服硬开关的缺陷，人们提 出了许多软开关技术。谐振型软开关有以下几个特点：它由软开关 第一章 引言 2 控制器控制开关器件，利用辅助高频 L、C 谐振网络，使得开关过 渡期间的电压或电流谐振过零， 具有开关损耗最小、 EMI 得到抑制、 保留定频 PWM 控制方法等优点。但是，这里的谐振能量必须足够 大才能够创造开关管的零电流开通和零电压关断的条件。此外，谐 振电路应该在特定的软开关控制信号下工作。 实际上辅助电的自身 功 率 损 耗 以 及 可 能 出 现 较 高 的 通 态 电 流 等 因 素 将 增 加 一 些 额 外 损 耗。电路与控制的复杂度将带来成本的提高与可靠性的降低。 对于无损缓冲型软开关电路，由于谐振型软开关技术的出现， 目前有实际应用意义的是无源型电路。近几年来，改变有损缓冲方 法，利用开关管的状态变化，将用于缓冲开通或缓冲关断的储能元 件所吸收的能量，以无源馈能方式复位为零电能状态，从而实现无 源软开关的方法，可能以较简单是拓扑、较少的额外损耗获得接近 于 有 源 软 开 关 方 法 的 效 果 而 得 到 人 们 的 重 视 。 虽 然 无 辅 助 有 源 开 关， 缓冲电路难以在超前于或滞后于开关开通或关断控制时序下吸 能或馈能，不易产生类似谐振型软开关的零电压或零电流式过渡， 但它能将开关过渡期间的电压与电流波形错开， 以很小的交叠面积 来显著降低开关损耗而无辅助有源器件的额外损耗。 开关器件内部 寄生电容所产生的放电损耗，不能被无源方法排除，但此种损耗较 其他开关损耗要低得多， 也可能较有源软开关的辅助开关所产生的 损耗要低。无源无损软开关技术是无源软开关技术的拓展，该技术 没有电阻元件，只采用电感、电容和二极管等无源器件，通过电感 和电阻的谐振工作，实现能量的传递和转移。使开关管能实现零电 流开通和零电压关断，提高变换器的工作效率。 1.2 研究意义 在以前的很长一段时间内， 电力电子设备的输入电路主要采用 二极管整流和电容滤波来组成整流环节。 由于整流二极管的非线性 以及滤波电容的储能作用， 从而使得输入电流发生畸变而成为脉冲 状的电流波形，其中含有大量的谐波分量。这些谐波分量注入电网 第一章 引言 3 会引起很严重的谐波“污染”。一方面产生“二次效应”，即电流流过 线路阻抗造成谐波电压降，反过来使电网电压（正弦波）也发生畸 变，另一方面会造成电路障碍，使用电设备损坏。所以对电力电子 设备进行功率因数校正已成为必然趋势。目前，大多数整流器采用 平均电流控制来达到功率因数校正的目的， 但平均电流控制中需要 检测输入电压、电感电流、输出电压，并且使用乘法器来实现，使 得系统控制复杂，投资增加。单周期控制是一种不需要乘法器的新 颖控制方法，它同时具有调制和控制的双重性，该技术的突出特点 是：无论是稳态还是暂态，它都能保持受控量的平均值恰好等于或 正比于控制参与信号，具有动态响应快、开关频率恒定、鲁棒性强、 易于实现等优点。 单相 Boost 电路具有电路简单、成本低、效率高等优点，从而 得到了广泛的应用。Boost 变换器工作在连续导电模式的时候，它 的电感电流就是输入电流。 电感电流是能够被采样并且能够被控制 的， 因此能使电感电流的幅值与和输入电压同相位的正弦信号成正 比，从而达到功率因数校正的目的。但是，电感是工作在电流连续 模式下的，因此开关器件开通的时候二极管并不能马上就关断，必 须经过一段反向恢复时间后才能够关断， 这个时候相当于输出电压 经过二极管直接加在开关器件的两端， 使开关器件开通的时候有一 个很大的瞬时峰值电流。 这个值是和二极管的反向恢复时间有关系 的，它随着反向恢复时间的增加而增加。在小功率的情况下，因为 通过二极管的电流比较小,所以反向恢复的时间不长，此电路是可 以正常工作的。但是在大功率的情况下，通过二极管的电流增大， 使反向恢复的时间变长，开关器件的瞬态峰值电流增大，延续时间 变长，从而使开关器件承受的电流应力和开通损耗变大，同时会产 生较大的并且难以克服的电磁干扰，极易损坏开关器件。 一 般 采 用 吸 收 电 路 或 者 软 开 关 技 术 来 抑 制 开 关 器 件 在 开 关 过 程中产生的过电压、过电流。在传统的 Boost 电路上加上无源无损 吸收支路，由于比较直观，因此它是最早被采用的开关应力改善方 第一章 引言 4 法，有非常显而易见的优势：不需要辅助开关；不需要控制电路、 检测电路和驱动电路；不会改变电路原有的工作原理和模式。像这 样的无源无损技术使用于所有的工作模式，而且它的成本比较低， 工作效率和可靠性比较高。 在传统的 PWM 电路中，电力电子开关器件一般在比较高的电 压下开通，在大电流的情况下关断，处于强迫开关的过程。像这样 的电路结构简单，输出的波形还算理想。但是在高频状态下工作会 受到电磁干扰、二次击穿等影响。本课题正是基于单周控制技术， 对 boost 升压变换器实现闭环控制， 从而达到功率因数校正的目的。 1.3 研究现状 单周期控制是 20 世纪 90 年代初由美国加州大学的 Keyue M Smedley 提出的，作为一种新颖的控制方法，并首先在 Buck 变换 器中进行了实验验证。其控制思想是通过控制开关的占空比，使每 个开关周期中开关量的平均值严格等于或正比于控制参考量。 它是 一种典型的、实用的非线性控制技术。它的突出特点是：开关量在 一个开关周期中精确地跟随控制基准， 提供了很快的动态响应和很 好的输入扰动抵制， 在一个开关周期内有效的消除电源纹波干扰和 开关误差，控制方法简单可靠。采用单周期控制技术，可以有效的 克服传统电压反馈控制中的缺陷， 同时也不必考虑电流模式控制中 的人为补偿。 单 周 期 功 率 因 数 校 正 与 传 统 功 率 因 数 校 正 相 比 ， 不 需 要 乘 法 器 ， 不 需 要 检 测 输 入 电 压 ， 大 大 简 化 了 电 路 设 计 ， 英 飞 凌 公 司 （Infineon）于 2003 年推出了基于“前沿调制”型单周期功率因数校 正控制芯片 ICE1PCS01，ICE1PCS01 是一种平均电流模式控制的 单周期控制芯片，可以有效的降低电感纹波及 EMI。美国国际整流 公 司 于2005 年 推 出 了 “后 沿 调 制 ”型 单 周 期 功 率 因 数 校 正 芯 片 IR1150， IR1150 是 一 种 峰 值 电 流 模 式 控 制 的 单 周 期 控 制 芯 片 ， IR1150 无需电流环补偿， 在电流环处理上比 ICE1PCS01 芯片简单， 第一章 引言 5 但是也相应降低了电路的抗噪声能力，ICE1PCS01 和 IR1150 均带 有过压保护、过流保护和缓启动电路以及简单的频率设计，两种芯 片的应用大大简化了电路的设计， 使功率因数校正电路印制电路板 面积缩小 50%，外围电子元件减少 40%，并且美国国际整流公司已 经推出 IR1150 的升级版 IR1155，单周期功率因数校正控制必将在 功率因数校正领域得到更广泛的应用。 1.4 研究目的 基 于 单 周 期 控 制 无 源 无 损 软 开 关 高 功 率 因 数 整 流 器 的 基 本 理 论，采用单相 boost 升压电路。从而提出一种新颖的无源无损吸收 方法，它可以使 boost 变换器的无源无损吸收电路的能量得到有效 转移，从而使 boost 变换器效率明显提高。基于单周期控制技术， 对 boost 升压变换器实现闭环控制，从而达到功率校正的目的。使 设计的整流器达到以下预期目标： 使设计出的单周控制无源无损软 开关高功率因数整流器无论是在稳态还是暂态， 都能保持受控量的 平均值恰好等于或正比于控制参与信号，具有动态响应快、开关频 率恒定、鲁棒性强、易于实现等优点。 1.5 本章小结 这 一 章 主 要 介 绍 了 单 周 期 控 制 无 源无 损 软 开 关 高 功 率 因 数 整 流器这一课题的研究背景、研究现状、研究意义及目的。 第二章 单周控制无源无损软开关的关键技术 6 第二章 单周控制无源无损软开关的关键技术 2.1 单周期控制技术 近几年来， 我们对单周期功率校正的研究主要集中于如何简化 传统的功率校正控制电路的结构， 从而避免对输入电压采样和使用 复杂的模拟乘法器。单周期控制技术，很好的解决了这个问题。 单周期控制技术是一种非线性的控制技术，它的基本原理是： 通过控制开关占空比， 使变换器开关量的平均值在每个周期内都与 参考控制电压相等或者成一定的比例， 以此达到在一个周期内消除 稳态误差和暂态误差的目的。这个方法比较突出的特点是：无论是 稳态还是暂态， 它都能够保持开关变量的平均值等于或者正比于控 制参考信号，也就是能在一个开关周期内，自动的消除稳态误差和 瞬态误差，从而能够有效的抑制电源一侧的扰动。也就是在没有静 态误差和动态误差时，能够优化系统响应、减小畸变，并且使前一 周期的误差不会带到下一个周期。 单周期控制技术广泛的应用于非 线性系统的场合，像脉宽调制和软开关式的变换器等。 单 周 期 的 功 率 校 正 电 路 的 控 制 目 的 是 要 使 输 入 电 流 的 低 频 波 形（50Hz）跟随着全波整流后的输入电压波形 ，同时又要保持输 出电压恒定为 。若控制电路的控制策略满足了输入电流与输入电 压成正比，整个变换器可以等效为一个电阻，则有 =/ eggivR （2-1） 在本式中，Re是变换器的等效电阻。对于 Boost 变换器，有 以下关系 =(1-D) govV （2-2） =(1-D) ssegoiVRRR （2-3） 在本式子中，Rs为输入电流的等效检测电阻；D 为开关管的驱 第二章 单周控制无源无损软开关的关键技术 7 动波形占空比。 把 /= seomVVR R 定义为控制电压，会得到 0 1 -=( )d DT smgmm D ViVVR T （2-4） T 为开关周期。 构造控制方程组。 0tT （2-5） 2 0 1 (t)( )d DT mVV T 上个方程组为单周期控制的方程组， 通过电路实现 V1(t)和 V2(t) 的比较就可以确定占空比 D。由方程组可知，单周期控制需要一个 积 分 环 节 。 因 为 对 于 工 频 输 入 电 流 波 形 来 说 开 关 频 率 纹 波 可 以 忽 略，所以 iR可以通过采样输入的电感电流 iLin获得。 2.1.1 对单周期控制技术的分析 1、输入信号的扰动抑制 Ts vref vint vref 图 2-1 单周期控制抑制输入信号的扰动 如图 2-1 所示。假设输入信号改变时控制信号是不变的，那么 开关处于开通状态的时候，开关的输出波形与输入信号是相等的； 1(t)= - smgVVi R 第二章 单周控制无源无损软开关的关键技术 8 当开关关断的时候，开关的输出信号为零。在开关导通的状态下， 输入信号的扰动就会影响实时积分的斜率，所以，积分值达到控制 信号基准值的速度就会受到影响。因为控制信号是不变的，那么实 时积分值达到控制信号的时间 dTs直接由输入信号控制，从而能够 实现对输入扰动的抑制。 从图中可以知道，输入信号的扰动直接决定了实时积分值的斜 率，因此决定了积分值达到控制信号的时间 dTs，斩波波形的平均 值和控制信号值总是等同的， 因而在一个周期内可以完全抑制输入 信号的扰动。 2、跟随控制信号的能力 假设输入的信号不变，控制信号改变，假定为逐步上升的，如 图 2-2 所示，这时候输入信号不变，那么实时积分值的斜率不变， 所以积分值达到控制信号的速度也不变。 Ts vref vint vref 图 2-2 单周期控制的跟随控制信号 当控制信号需要变化到更高的值的时候，为了达到控制信号， 积分值需要增加行进的距离，因此在这一个周期内 dTs将大于上一 个周期，也就是占空比 D 由积分值达到控制信号的时间决定，从而 斩波波形的平均值等于新的上升控制信号。所以，不管控制信号怎 么变化，在一个周期内斩波波形的平均值将实时跟随控制信号。 第二章 单周控制无源无损软开关的关键技术 9 2.1.2 单周期控制技术的主要特点 单周期控制技术主要有以下几个特点： （1）它不像传统的反馈控制那样，当误差出现以后再用几个周 期去消除误差。它是在一个周期内消除稳态误差和瞬态误差，反应 比较迅速。 （2）它抗电源干扰的能力比较强。 （3）不需要产生参考信号，也不用太多的电压传感器。 （4）控制电路简单，不需要加法器、乘法器等复杂的元器件。 （5） 开关变量的输出平均值在一个周期内动态的跟随控制参考 变化。 单周期控制技术就是硬件上要求苛刻一些，想要实现单周期控 制的算法，必须需要高速的复位模拟积分器或者数字积分器。单周 期控制是一种非线性控制方法，能够很好的抑制电源扰动、负载扰 动和跟踪基准变化，具有高线性、大动态范围、鲁棒性好和控制简 单等优点，在各种开关变换器中得到了广泛的应用，是一种很有发 展前景的非线性控制方法。 2.2 功率因数校正（PFC）技术 2.2.1 输入侧功率因数的技术介绍 人们为了得到一个比较平滑的直流输 出电压，一般在整流电 路中采用电容滤波。但是它有一个缺点，就是会使输入电流发生畸 变，这是整流二极管的非线性和滤波电容共同作用引起的。如果把 滤波电容去掉，输入的电流就近似的为正弦波，这样虽然提高了输 入侧的功率因数，而且减小了输入电流的谐波，但是整流电路的输 出电压就变成了脉动波，不再是一个平滑的电压了。所以，如果想 要得到正弦波的输入电流，并且直流输出为平滑的电压，那么就要 第二章 单周控制无源无损软开关的关键技术 10 在整流电路和滤波电容之间加上一个功率因数校正电路。 电路如图 2-3 所示。 图 2-3 含有功率因数校正电路的整流电路 功率因数校正技术的实现方法有以下几种： （1）无源滤波技术 无源滤波技术就是在整流器和滤波电容之间增加一个电感， 用 来增加整流二极管的导通时间，从而降低输入电流的峰值。还可以 在交流侧接入谐振滤波器，可以用来消除三次谐波。 inV 图 2-4 无源功率因数校正结构图 在图 2-4 中，与 C0相比，C1是一个容量比较小的电容，C1上 的电压可以随着输入电压而波动， 这就使得整流二极管的导通角增 大，可以明显改善输入电流的波形。 无源滤波技术具有简单、成本低、可靠性高，电磁干扰小等优 第二章 单周控制无源无损软开关的关键技术 11 点。 但是其尺寸和重量较大； 一般可以把功率因数提高到 0.9 左右， 难以得到更高的功率因数。 （2）有源功率因数校正技术 有 源 功 率 因 数 校 正 技 术 就 是 在 整 流 器 和 滤 波 电 容 之 间 增 加 一 个 整 流 变 换 器 。 它 的 主 要 的 工 作 原 理 就 是 把 电 压 看 成 一 个 参 考 信 号，使输入的电流跟踪参考信号，从而使输入电流的低频分量与输 入电压的波形近似的同频同相，从而提高功率因数，而且还能抑制 谐波，使输出的电压波形比较平滑。 有源功率因数校正技术可以得到较高的功率因数，并且使总谐 波的失真度低，可以在比较宽的输入电压范围内工作，同时它的体 积小、重量轻，可以是输出电压保持恒定。但是它的电路却很复杂， 而且成本高、电磁干扰高，从而使工作效率会有所降低。 因此，综合各方面考虑，采用无源技术可以在可靠性、电磁干 扰 以 及 功 率 因 数 等 方 面 满 足 无 源 无 损 高 功 率 因 数 整 流 器 设 计 的 条 件。 2.2.2 功率因数校正技术的发展方向 这 几 年 ， 人 们 研 究 功 率 因 数 校 正 技 术 主 要 集 中 在 以 下 几 个 方 面： 1、提出新拓补理论； 2、把整流变换器中的新技术应用于功率因数校正电路中，比 如软开关技术； 3、研究新的控制方法。对于中小型功率电器设备来说，成本 低、控制简单的功率因数校正电源是很受欢迎的；对于大功率电器 设备来说，应该采用优良的控制技术，从而构成高性能功率因数校 正电源； 总而言之，研究人员追求的最终目标就是设计出成本低、结构 第二章 单周控制无源无损软开关的关键技术 12 简单、 比较容易实现， 而且还具有软开关功能的高功率因数整流器。 2.3 无源无损软开关技术 2.3.1 无源无损软开关的分类 目前，国内外对于无源无损软开关的研究绝大部分是对单个的 无源无损软开关电路进行分析，缺乏系统的理论。根据无源无损软 开关实现功能的不同分为以下三类： （1）零电流开通无源无损软开关：就是只能实现有源开关器件 的零电流开通的无源无损软开关电路。 这类无源无损软开关一般只 用电感器件或者变压器绕组来实现软开关功能， 有时候需要电容器 件来产生谐振，以回馈能量。 （2）零电压关断无源无损软开关：就是只能实现变换器中有源 开关器件的零电压关断的无源无损软开关电路。 这种无源无损软开 关除了要利用电容器件之外，一般还要借助电感器件，从而利用谐 振来实现储能元件中能量的回馈。 （3）开通和关断复合的无源无损软开关：就是同时能够实现有 源开关器件的零电流导通和零电压关断的无源无损软开关电路。 这 种电路综合了（1）和（2）两种无源无损软开关的功能。 2.3.2 软开关技术的发展状况 在开关电源出现以前，线性稳压电源已经应用了很长时间，这 一类电源的优点是输出电压的精度和纹波能满足很高的要求， 但是 它有两个非常严重的缺点：一是调整开关管工作在线性放大状态， 而且损耗很大，使得整个电源的效率很低；二是需要一个工频变压 器，使得电源的体积大、重量重。这些很显然是不能满足各类用电 设备对电源的要求。所以为了克服线性稳压电源的缺点，开关电源 出现了。伴随着各种新器件、新技术、新理论、新工艺的不断出现， 开关电源技术发生了很大的变化，逐渐的向着高可靠性、高效率、 第二章 单周控制无源无损软开关的关键技术 13 低噪声、高功率密度、低谐波干扰的方向发展。目前，除了对直流 输出电压的纹波要求非常高的场合外， 开关电源已经全面取代了线 性稳压电源，而且由于 IGBT、IGCT 等新的大功率器件的出现，可 以使得开关电源的功率做的很大， 并在中大功率的应用场合逐渐取 代了相控电源，例如电力操作用的直流电源、通信基础电源、电焊 机、电镀装置用的电源都逐渐采用了开关电源。因此，开关电源是 目前直流电源中最主流的产品，代表着稳压电源的发展方向。 提高开关频率可以使电源体积减小、 重量减轻、 功率密度增加， 这是众所周知的。但是，随着开关频率的增加，会产生一系列的新 问题： （1） 器件的开关损耗以及各类附加损耗会随着频率的提高而大 大增加，限制了开关频率的进一步提高。 （2）感性关断和容性开通会造成很高的 dv/dt 和 di/dt，会产生 严重的电磁干扰。 （3）二极管由导通变为截止的时候存在反向恢复期，在此期间 内， 二极管仍然处于导通状态， 如果立即开通与其串联的开关器件， 容易造成直流瞬时间短路，从而产生很大的冲击电流。 （4） 器件的应力较大， 要求在开关过程中有较大的安全工作区。 为了解决以上问题， 在 20 世纪 70 年代出现了零电压开关电路 和零电流开关电路， 这种电路采用准谐振技术， 也就是软开关技术。 软开关技术是相对于硬开关而言的。 下面详细介绍一下硬开关和软 开关技术： 在很多电路中，因为功率开关器件并不是理想的器件，在开通 的时候开关管的电压不是立即下降到零，而是有一个下降的时间， 同 时 它 的 电 流 也 不 是 立 即 上 升 到 负 载 电 流 ， 也 是 有 一 个 上 升 的 时 间。在这段时间里，电流和电压会有一个交叠区；同理，在关断时 也会有一个交叠区，如图 2-5 所示。根据开关两端的电压和开关中 第二章 单周控制无源无损软开关的关键技术 14 流过的电流，可以计算出开关器件消耗的瞬时功率为 ( )( ) ( ) ss P ttt ui 图 2-5 硬开关电路的开关过程 开关器件处于导通或者关断时，消耗的功率都很小，在开关状 态转换的过程中，us和is都很大，消耗的瞬时功率要比导通状态或关 断状态时大上百倍甚至上千倍。通常每个开关器件在一个开关周期 中通断各一次，与开关周期相比，开关过程持续的时间很短，因此 开关过程中产生的平均损耗功率通常是通态损耗功率的几分之一到 数十倍，具体的数值要因开关频率、开关器件类型、电路类型、驱 动特性、电路参数等的不同而有所变化。另外，在开关过程中，不 仅存在开关损耗，而且电压和电流的变化很快，波形出现了明显的 过冲和振荡，导致了开关噪声的产生。 以上所描述的开关过程被称为“硬开关”。在硬开关过程中，会 产生较大的开关损耗和开关噪声。开关损耗随着开关频率的提高而 增加，使电路效率下降，发热量增大，温升提高，阻碍了开关频率 的提高；开关噪声给电路带来严重的电磁干扰问题，影响周边电子 设备的正常工作。 通过在原来的开关电路中增加很小的电感、电容等谐振元件， 构成辅助换相网络，在开关过程前后引入谐振过程，使开关器件开 通前电压先降为零，或关断前电流先降为零，就可以消除开关过程 第二章 单周控制无源无损软开关的关键技术 15 中电压、电流的重叠，降低它们的变化率，从而大大的减小了开关 损耗和开关噪声，甚至消除它们，这样的开关过程就是“软开关”， 软开关电路的开关过程如图2-6所示。 图2-6 软开关电路的开关过程 2.3.3 无源无损软开关技术的意义 随着市场对电源体积和重量越来越苛刻的要求，软开关技术在 电源中的应用将越来越广泛，从发展的角度看，软开关是未来电源 技术的主流。 目前，在众多的软开关电路中，具有实际应用价值的并不多， 目前较为成熟的只有很少的几种，而且采用这些软开关电路大都需 要复杂的驱动、控制电路，成本显著上升；对功率器件、变压器等 的参数要求较高，需要比较先进的工艺制造水平。而且采用无源无 损(或低损)吸收技术能够不断的减少开关损耗、减小开关应力、削弱 电磁干扰的影响等，能达到与一般软开关技术一样的效果，而且采 用这种技术的变换器结构简单、成本低廉、可靠性高，对器件、工 艺的要求很低，因而具有很高的性价比，是一种非常具有吸引力的 技术，得到了越来越多的人的关注。 对用户来讲，电源除了要有高品质之外，还要具有能够接受的 价格。无源吸收技术具有比一般软开关技术更高的性价比。随着无 源吸收技术的不断发展和完善，采用无源吸收技术的电源将越来越 第二章 单周控制无源无损软开关的关键技术 16 多，市场将越来越广阔。 2.4 本章小结 这一章主要介绍了本课题中的三个关键的技术：单周期控制技 术、功率因数校正技术和无源无损软开关技术。 第三章 单周控制无源无损软开关整流器的主电路设计 17 第三章 单周控制无源无损软开关整流器的主电路设计 3.1 单周控制无源无损高功率因数整流器的工作原理 DCG F1 uin L3 L2 L1 C3 C4 C5 C1 C0 C6 Cin VD1VD2 VD3VD4 VT iVT VD5VD6VD7 VD8 C2 Ug iLiL1 R1 R2 RL U0 Rs R7 iRGu LpsDCm 图 3-1 无源无损单周期控制的单相 Boost 变换器的电路原理图 图 3-1 是基于 IR1150 的单周期控制的单相 Boost 功率因数校 正电路。为了分析这个电路的稳定性，使推导过程简化一点，可以 假设：开关频率远远大于电源频率；忽略掉电感电流产生的纹波， 使电路工作于连续性电流模式（CCM） ；把开关器件的导通压降和 第三章 单周控制无源无损软开关整流器的主电路设计 18 开关损耗忽略，并忽略分布参数的影响；确保输入电压、输入电流 在几个连续的开关周期内是恒值，使电路处于准稳态。单周期控制 的单相 Boost 电路的功率因数控制目标就是控制合适的变量，从而 使输入的电流与电压都为全波整流波形， 并且使它们的相位满足相 同的条件，输入阻抗是一个纯电阻，可以表示为 RUIegL （3-1） 这里，IL为输入电流的平均值，Ug为输入电压，Re为等效的 输入阻抗。准稳态状态时，输出的电压 U0与输入的电压 Ug满足以 下条件： )1 (d UU og （3-2） d 为 Boost 变换器的占空比。 将 式 子 （ 3-2） 代 入 式 子 （ 3-1） 中 ， 并 且 在 式 子 两 边 都 乘 以 Rs，Rs为等效的电流检测电阻，则会得到 R d RUIResoLs )1 ( （3-3） 如果采用 IR1150 作为控制芯片，那么可以得到功率因数校正 的控制方程为 R d RUGIRGesoDCLsDC )1 ( （3-4） 这里， RRUGuesoDCm ， GDC为 IR1150 芯片的电流放大器的直流增益。 3.2 单周期控制功率因数的校正技术的分析 在稳态的时候，Boost 电路输入的电压和输出的电压是满足以 下关系的： D V V i o 1 1 （3-5） 在这里，Vi是 Boost 电路输入的电压，Vo是输出的电压，D 为 第三章 单周控制无源无损软开关整流器的主电路设计 19 占空比。采用功率因数校正的电路，就是要达到使输入的电流和输 入的电压同相位的目标，也就是 iRV AVGinei)( （3-6） 这里，Re为等效的电阻，iin（AVG）为在一个开关的周期内输入 电流的平均值。可以得到功率因数校正的控制方程为： )1 ( )( D ViRG mAVGinsDC （3-7） 这里的 Rs是霍尔元件检测电阻，GDC是控制芯片 IR1150 的直 流增益。脉宽信号的产生原理图如图 3-2 所示。 式子（3-7）中所确定的功率因数校正的控制方程，确定了输 入电流 IL与占空比 d 之间的约束关系，使得输入电压和输入电流 的波形、相位相同，因此不需要检测输入电压，而且也不需要使用 乘法器，就可以实现单位功率因数校正的目的。假设输入电流的纹 波比较小，那么电感的峰值电流 iLp近似等于输入电流 IL，那么由 式子（3-7）可以得到： d uiRGu mLPsDCm （3-8） ssDCG R I um um um GATEU tON sT 图 3-2 单周期控制 PWM 信号产生的原理图 基 于 可 以 复 位 的 积 分 器 的 单 周 期 控 制 电 路 能 够 实 现 的 控 制 方 第三章 单周控制无源无损软开关整流器的主电路设计 20 程为 d uiRGu mLPsDCm （3-9） 是积分时间常数，取 =Ts，Ts 为开关周期，那么式子（3-8） 和式子（3-9）就完全一致了，所以单周期控制的 Boost 电路可以 实现功率因数校正的功能。 3.3 主电路的设计 本设计的主要技术指标和参数为： 输入电压为 220V/50Hz 的工频电源； 输出电压为 400Vdc； 电流检测为无感电阻； 开关频率为 50kHz ； 输 入 电 流 能 够 很 好 的 跟 踪 输 入 电 压 ， 输 入 电 流 总 谐 波 畸 变 率 （THD）控制在 5%以下，功率因数控制在 0.992 以上。 主电路的结构图如图 3-3 所示： 图 3-3 主电路图 第三章 单周控制无源无损软开关整流器的主电路设计 21 它的最大输出功率为： W POMAX 10005 . 2400 （3-10） 它的最大的输入功率为： W P P OMAX inMAX 1008 992. 0 1000 （3-11） 开关频率为：fs=50kHz；输入电压为 220V。 所以占空比为： 45. 0 400 220400 V VV O inO （3-12） 输入的交流电流有效值的最大值为： A V PF P I in in MAXRMSin 13 . 5 9 . 0220992 . 0 1008 )( （3-13） 交流电流的峰值为： A V P I in in MAXPKin 2 . 7 9 . 0220 100822 )( （3-14） 平均电流值为： A I I MAXPKin MAXAVGin 58. 4 2 . 722 )( )( （3-15） 3.3.1 单相整流桥设计 最低的电网线电压有效值为： V V MINRMSin 1989 . 0220 )( （3-16） 整流二极管的最大峰值电流为： A IIMAXPKinDP 2 . 7 )( （3-17） 通过二极管的电流平均值为： 第三章 单周控制无源无损软开关整流器的主电路设计 22 A IIMAXAVGinDA 58. 4 )( （3-18） 二极管的反向最大电压为： V UUMAXRMSinDP 3421 . 122022 )( （3-19） 根据上面的计算，并且要考虑 23 倍的安全裕量，所以要选 择单相整流桥模块。 3.3.2 滤波电容的设计 滤波电容具有两个功能： （1）滤除由于器件高频开关动作会造成直流电压纹波； （2）当负载发生变化时，在整流器的惯性环节的延迟时间内， 将直流电压的波动维持在限定的范围内。 当开关动作造成的纹波频率比较高时， 只要需要比较小的电容 就能满足第一项的要求。第二项的要求与负载的大小、输出的纹波 电压和保持时间等因素有关系。一般取保持时间为 15-50ms。电容 的容值由下式决定，即 V rf I k C MINRMSin s MAXRMSin in )( )( 2 （3-20） 这里，k 是电感电流的纹波系数，取 0.3。r 为输入电压的纹波 系数，一般在 3%9%之间，这里取 6%。 由上式可以求得 Cin为 0.412uF。 3.3.3Boost 升压电感的设计 想要设计出性能优良的功率因数校正电路， 除了要选择合理的 IC 外围电路各元件外，还要认真的选择 Boost 升压储能电感器。 它对功率因数校正电路的影响因为它的磁性材料的不同而不同， 往 往影响很大，甚至因为这个电感器的接法不同，也会非常明显的影 响电流的波形。另外，驱动电路的激励脉冲波形的上升沿与下降沿 第三章 单周控制无源无损软开关整流器的主电路设计 23 的 滞 后 或 者 有 振 荡 ， 这 些 都 会 影 响 主 功 率 开 关 管 的 最 佳 的 工 作 状 态。当把输出功率增大到某个阶段时，还会出现输入电流波形发生 畸变的现象，甚至出现死区现象。所以在功率因数校正电路的设计 中，要合理的选择 Boost 功率因数校正升压传感器的磁芯与绕制电 感量，这是很重要的。电感值的计算要以低输入电压 Vin（PK）MAX 及对应的最大的占空比 DMAX时保证电感电流连续为依据。它的计 算公式如下： ()MAXin PK MIN L s VD L f I （3-21） 由于升压电感是工作于 连续性电流模式（ CCM）的，所 以需 要能够通过较大的直流电流而不饱和，而且要有一定的电感量，也 就是所选用的磁性材料应该具有一定的直流安匝数。 可以选用的磁 性材料有加气隙铁氧体、加气隙非晶或微晶、铁镍钼磁环、铁粉芯 磁环等材料。铁镍钼磁环机械抗震性能好，高频损耗比较的小，可 以工作于 100kHz，但是比较昂贵，并且直流安匝数稍微不足。铁 氧体、非晶或微晶都需要加气隙，从而使斩波电感漏磁通增加，这 样一来就会产生比较大的电磁干扰噪声。 铁粉芯磁环内部均匀分部 着微小的气隙， 通过调节气隙的密度可以得到不同直流安匝数的磁 环。这种铁粉芯磁环漏磁通较小，就是因为具有分布的气隙结构。 随着开关频率的增加，一般大于 100kHz，铁粉芯磁环损耗将明显 增加。从成本、电磁干扰噪声、直流安匝数、高频损耗等方面综合 考虑，100kHz 以下开关频率的功率因数校正的斩波电感磁性材料 适宜选择铁粉芯磁环。在这个设计中，Boost 电感器采用 4 块 EE55 铁氧体磁芯复合而成，它的中心柱的截面气隙为 1.5mm，Boost 储 能电感器的绕组导线采用厚度为 0.2mm、 宽度为 33mm 的薄红铜带 叠合，压紧在可以插 4 块 EE55 磁芯的塑料骨架上，再接上焊锡导 线引出，用多层耐高压绝缘胶带扎紧包裹，而不是采用常规的多股 直径为 0.47mm 的漆包线卷绕。这种通过薄铜带工艺绕制的 Boost 储能电感，对减小高频集肤效应、改善 Boost 变换器的开关调制波 第三章 单周控制无源无损软开关整流器的主电路设计 24 形和降低磁件温升都起到很重要的作用。 3.3.4 无源无损软开关电路设计 3.3.4.1 无源无损软开关技术的工作原理 想要能够实现无源无损软开关的技术，需要有两个必须要的条 件 ： 一 个 小 的 电 容 和 一 个 小 的 电 感 。 小 的 电 容 被 称 作 零 电 压 电 容 （ZVC） ，它的作用是实现有源开关器件的零电压关断；小的电感 被称作零电流电感（ZVL） ，它的作用是实现有源开关器件的零电 流开通，并且限制二极管的反向恢复电流。要想实现无源软开关的 无损耗工作，则要回收零电流电感和零电压电容中的能量，这就是 无源无损软开关电路的关键的地方。事实上，为了实现电路的软开 关的功能，零电流电感和零电压电容应该能够复位，他们复位的过 程也就是能量回馈的过程。 各种无源无损软开关技术不同的地方就 是零电流电感和零电压电容中能量的回馈方式不同。 零电流电感一般和有源功率开关器件一起串联在电路中，它的 原理是利用电感电流不能突变的特性，在开关器件开始导通时，使 通过有源开关器件的电流从零开始增大。 调节通过有源开关器件的 电流上升的斜率 di/dt 可以通过调节零电流电感的大小来实现。 零电压电容一般和有源功率开关器件并联在电路中，它的原理 是利用电容电压不能突变的特性，在开关器件关断的时候，使有源 开关器件两端的电压从零开始增大。 调节有源开关器件两端电压上 升的斜率 dv/dt 可以通过调节零电压电容的大小来实现。 1L 1DV2DV3DV 4DV 0C 1C 2C 3C TV 图 3-4 无源无损软开关电路 第三章 单周控制无源无损软开关整流器的主电路设计 25 图 3-4 所示的无源无损软开关电路中，由 L、VT、L1、VD4、 C0组成升压斩波电路，无源无损软开关电路由 L1、VD1、VD2、VD3、 VD4、C1、C2组成。这里，电感 L1为主开关器 VT的零电流开通提 供条件，而且还限制了二极管 VD4的反向恢复电流；电容 C1为开 关器件 VT的零电压关断提供了条件；电容 C2为缓冲电容。VT采 用 PWM 方法工作， 电路中的主要电气量的工作状态如图 3-5 所示。 在图中， iVT是通过开关管 VT的电流； uVT是开关管 VT两端的电压； iL1是通过零电流电感 L1的电流； uc1是零电压电容 C1两端的电压； uc2是缓冲电容 C2两端的电压。 iL iVT uVT 1iL 1uC 2uC oU oUoU oU iL iL c2maxU 0t1t2t3t4t5t6t 图 3-5 无源无损软开关电路各点工作状态 这 个 无 源 无 损 软 开 关 变 换 器 实 现 了 开 关 管 的 零 电 流 开 通 和 零 电压关断，提高了变换器的工作效率，同时相对于其他的谐振软开