PFC双管反激两级组合式软开关变换器研究

1、PFC 双管反激两级组合式软开关变换器研究陈杰,龚春英(南京航空航天大学航空电源航空科技重点实验室,江苏南京210016摘要:在传统Boost 功率因数校正器(PFC 和双管反激两级变换器的基础上,增加了一条辅助支路,实现了两级变换器各开关管的软开关和PFC 的整流二极管的受控关断。该方案可以有效地减小变换器的开关损耗和解决整流二极管的反向恢复问题,迎合了变换器高频化和高功率密度的发展趋势。最后,用Saber 软件进行了仿真,验证了该方法的可行性。关键词:软开关;功率因数校正器;双管反激中图分类号:TM46文献标识码:AStudy on Integrated Soft 2switch of P

2、FC &Dual 2switch Flyback ConverterCH EN Jie ,GON G Chun 2ying(Aero 2power Sci 2tech Center ,N anjing University of Aeronautics &Astronautics ,N anjing 210016,J iangsu,China Abstract :Based on the traditional boost PFC &dual 2switch flyback converter ,a novel PFC dual 2switch flyback inte

3、grated soft 2switch converter was proposed.All switches of the two 2stage converter were soft switched and the turn 2off rate of the boost rectifier was controlled ,while only one auxiliary line was added.The proposed approach can reduce the switching loss and overcome some problems caused by the re

4、verse recov 2ery.Finally ,the approach is verified through simulation.K ey w ords :soft 2switch ;power factor corrector (PFC ;dual 2switch flyback作者简介:陈杰(1982-,男,博士研究生,Email :nuaachenjie 1引言传统的二极管不控整流功率因数低,谐波电流大,对电网造成了严重的污染,甚至会引发一系列的问题。为了提高电网的供电质量,限制高次谐波污染,国内外电气组织先后制定了相关标准。因此,目前的计算机电源、通讯电源等DC/DC 变换器

5、通常都加上前级功率因数校正器(PFC ,以满足市场准入的要求。双管反激变换器的功率管承受的最大电压不超过输入电压,适合于以Boo st PFC 等作为前级的高压输入场合。另外,该拓扑可以无损的吸收主变压器漏感中的能量,与单管反激拓扑相比,双管反激变换器可以获得更高的变换效率,在中小功率场合有一定的应用空间。软开关技术是开关电源当前研究的一个重点和热点,无论是Boo st PFC 还是DC/DC 变换器,国内外已有很多学者做了深入的研究14。为了减少PFC +DC/DC 两级组合式软开关变换器的元器件,简化电路结构,研究组合式软开关变换器具有重要的意义,而目前对其研究相对较少。文献5,6运用一条

6、辅助支路,实现了Boost PFC 和DC/DC 变换器的组合式软开关。本文在文献5,6的基础之上,研究了一种新颖的Boo st PFC 加双管反激两级组合式软开关变换器,仅在传统的电路上增加了一条辅助支路,即可同时实现前级Boo st PFC 和后级双管反激各开关管的软开关,在一定程度上提高了两级变换器的整机性能。2工作原理分析图1所示为本文提出的组合式软开关PFC 双管反激两级变换器。前级PFC 由输入电源V i ,Boo st 电感L ,功率开关管Q ,整流二极管D 和储能电容C B 组成;后级双管反激由开关管Q 1,Q 2,续流二极管D 1,D 2,变压器T ,输出整流二极管2电气传动

7、2008年第38卷第10期EL ECTRIC DRIV E 2008Vol.38No.10D 3和输出滤波电容C 1构成。D a ,L a ,Q a 和T 的N 3构成了辅助支路,用来实现前级PFC 和后级双管反激的组合式软开关 。图1PFC 双管反激组合式软开关变换器Fig.1Integrated soft 2switch of PFC &dual 2switchflyback converter在分析之前,先作如下假设:1PFC 的储能电容C B 足够大,其两端的电压在一个开关周期内近似不变,可以等效成一个直流电压源V B ;2Boo st 电感L 足够大,在一个开关周期内电流保持

8、不变,故可以用一个恒流源I i 来等效L p 和V i ;3双管反激的输出滤波电容C 1也足够大,在一个开关周期内其两端电压基本维持不变,可以用一个直流电压源V o 等效;4忽略所有功率器件的导通电阻或导通压降,但功率开关器件的结电容和Boost PFC 的整流二极管D 的反向恢复时间不可忽略,这里假设开关管Q ,Q 1和Q 2的结电容均等于C 。根据上述假设,可得简化后的等效电路如图2所示,图2中箭头所指的方向定义为各变量的正方向。图3给出了各开关模态对应的等效电路图。图4给出了电路的一些主要波形 。图2等效电路图Fig.2Equivalent circuit diagram of t he

9、 proposed converter在开关管Q a 开通之前,认为所有的功率管均处于关断状态。那么输入电流I i 通过整流二极管D 给直流母线电容C B 充电;输出整流二极管D 3导通,变压器存储的能量和输出滤波电容共同给负载提供能量。1开关模态1t 0t 1(对应图3a 。在t 0时刻之前,二极管D 导通,输入电流I i 给直流母线电容C B 充电。二极管D 3也处于开通状态,导通电流i D3=(N 1/N 2i p ,变压器存储的能量和输出滤波电容共同给负载供电。此时绕组N 2上的电压等于V o ,绕组N 3上的电压V 3=-(N 3/N 2V o 。在t 0时刻,开关管Q a 导通,加

10、在电感L s 上的电压为V B +(N 3/N 2V o 。因此,电感L a 的电流线性上升,其上升斜率为d i a d t =V B +(N 3/N 2V oL a(1因为绕组N 3与电感L a 串联,流过绕组N 3的电流也线性增加,故绕组N 2的电流线性减小,即流过D 3电流I D3=(N 1/N 2i M -(N 3/N 2i 1线性减小,如图3a 、图4k 所示。2开关模态2t 1t 2(对应图3b 。在t 1时刻,i D3减小到零,此时辅助支路的电流i a =(N 1/N 3i M 。之后,辅助支路的电流进一步增大,则绕组N 1上流过的电流i p =(N 3/N 1i 1将大于激磁电

11、流i M ,超过部分的电流将给双管反激开关管的结电容C Q1,C Q2放电。3开关模态3t 2t 3(对应图3c 。t 2时刻,双管反激开关管的结电容C Q1,C Q2放电至零,之后电流从开关管的体二极管导通,将开关管的漏源极电压钳位在零,为实现主开关管的零电压(ZVS 开通创造了条件。当双管反激开关管的结电容放电至零后,加在变压器原边绕组N 1的电压等于直流母线电压V B ,因此折算到绕组N 3上的电压为V 3=(N 3/N 1V B ,此时加在辅助电感L a 上的电压V a =V B -V 3=(1-N 3/N 1V B ,流过辅助电感的电流继续线性上升,上升斜率为d i a d t =(

12、1-N 3/N 1V BL a(2在一个开关周期内,I i 认为恒定不变,则I i =i D +i a ,因此i D 的电流变化方向与i a 刚好相反,而变化速率相等,即:d i D d t =(N 3/N 1-1V BL a(3由此可见,只要合理选择辅助电感L a 和变压器绕组N 1与N 3的匝比即可控制整流二极管D 的关断速度,避免了由于二极管反向恢复所带来12陈杰,等:PFC 双管反激两级组合式软开关变换器研究电气传动2008年第38卷第10期 图3各开关模态等效电路图Fig.2Equivalent circuit of each switch mode的不利影响,可以减小损耗,降低EM

13、 I 干扰。在此开关模态内,由于绕组N 1承受直流母线电压,变压器的激磁电流线性减小,其变化的斜率d i M /d t =V B /L M 。4开关模态4t 3t 4(对应图3d 。在t 3时刻,整流二极管D 的正向电流i D 减小至零,二极管进入反向恢复过程,反向恢复电流通过辅助支路构成一个回路。在此开关模态内,辅助支路的电流i a 继续上升,上升速度同模态3。5开关模态5t 4t 5(对应图3e 。t 4时刻,整流二极管D 反向恢复完成,二极管截止。辅助支路的电流开始给PFC 功率开关管Q 的结电容C Q 放电,同时也给二极管的结电容充电,且二极管D 的电压上升值等于开关管Q 的下降值。在

14、此开关模态中,绕组N 3两端的电压与前几个模态相等,V 3=(N 3/N 1V B ,故当结电容电压下降到与其电压相等时,辅助电感两端的电压等于零,辅助支路的电流达到最大值。之后,随着开关22电气传动2008年第38卷第10期陈杰,等:PFC 双管反激两级组合式软开关变换器研究图4主要波形图Fig.4Main waveforms of t he proposed converter管Q结电容电压的进一步降低,辅助电感两端的电压开始反向,辅助支路的电流也开始下降。6开关模态6t5t6(对应图3f。在t5时刻,PFC开关管Q的结电容放电至零,电流从开关管的体二极管导通,开关管的漏源极电压被钳位在零

15、,从而为PFC的ZVS开通创造了条件。在此模态内,辅助电感L a两端承受的电压V a= -(N3/N1V B,辅助支路的电流继续下降,下降斜率为d i a d t =-N3/N1V BL a(4为了保证开关管ZVS开通,必须在流经PFC开关管体二极管的电流下降到零之前开通。7开关模态7t6t7(对应图3g。在t6时刻,PFC的开关管Q和双管反激开关管Q1,Q2开通,在开通时它们的体二极管均处于导通状态,故为零电压开通。由于辅助电感的电流不能突变,辅助支路折算到原边绕组N1的电流将从开关管Q1,Q2的源极流向漏极,而超过输入电流I i 的部分从开关管Q的源极流向漏极。辅助电感L a继续承受-(N

16、3/N1V B的电压,电流i a继续负向减小,下降斜率同开关模态6。当辅助支路的电流下降到等于输入电流I i时,流经PFC 开关管Q的电流负向下降至零,然后开始正向上升。8开关模态8t7t8(对应图3h。t7时刻,辅助支路的电流下降至零,流经开关管Q1, Q2的电流也负向下降至零,开始正向上升。为了实现开关管S a的零电流(ZCS关断,应使开关管的关断时间尽量靠近t7。在辅助支路的开关管关断之后,前级PFC和后级双管反激均按传统的工作方式运行。9开关模态9t8t9(对应图3i。在t8时刻,双管反激的主开关管Q1,Q2关断,激磁电感L m和漏感L s与开关管的结电容开始谐振,结电容C Q1,C

17、Q2从零开始上升。由于C Q1,C Q2限制了Q1和Q2漏源极电压的上升速度,因此Q1和Q2是零电压关断。10开关模态10t9t10(对应图3j。t9时刻,双管正激开关管的结电容上升至12(V B+V o N1N2(5此时原边绕组N1两端电压为V o N1/N2。之后,副边整流二极管D3开始导通,磁化电流从原边转移至副边,i D3=i M N1/N2。但由于漏感的存在,原边电流无法突变,漏感L s与开关管Q1,Q2的结电容继续谐振,结电容C Q1,C Q2的电压继续上升。11开关模态11t10t11(对应图3k。t10时刻,双管正激结电容C Q1,C Q2上升至V B,续流二极管D1,D2电压

18、下降至零。之后,续流二极管D1,D2导通,开关管Q1,Q2的结电容C Q1,C Q2电压被钳位在V B,漏感能量通过二极管D1,D2无损的回馈到直流母线。12开关模态12t11t12(对应图3l。t11时刻,漏感能量回馈完毕,开关管Q1,Q2的结电容C Q1,C Q2与漏感L s再次谐振,C Q1,C Q2的电压开始下降。13开关模态13t12t13(对应图3m。在t12时刻,开关管Q1,Q2的结电容电压下降至1/2V B+(N1/N2V o,开关管Q1,Q2完全关断。之后,副边整流二极管D3维持导通直到下个周期开关管Q1,Q2开通。辅助开关管承受的电压应力为(N3/N2V o。14开关模态1

19、4t13t14(对应图3n。t13时刻,PFC开关管Q关断,输入电流I i给开关管的结电容C Q充电,开关管两端的电压线性上升。辅助支路开关管Q a两端的电压与开关管Q两端的电压相等。32陈杰,等:PFC双管反激两级组合式软开关变换器研究电气传动2008年第38卷第10期 15开关模态15t 14t 15(对应图3o 。t 14时刻,PFC 开关管两端的电压升至V B ,整流二极管D 开始导通,输入电流I i 开始给直流母线电容充电。此时辅助支路的开关管Q a 达到最大耐压值V B +(N 3/N 2V o 。t 15时刻,进入下一个开关周期。3仿真结果根据前文的分析,用Saber 软件进行了

20、仿真验证。输入90265V/50Hz ,输出12V/20A ,2级开关频率均为100k Hz 。主变压器3个绕组的匝数分别是:N 1=48,N 2=2,N 3=12,PFC 和双管反激主开关管的等效结电容C =800p F 。图5、图6是在考虑变压器漏感情况下各个开关管的仿真波形。可以看出,PFC 和双管反激的主开关管均实现了零电压开关,而辅助开关管Q a 也实现了零电流关断。图7是在90V 输入满载情况下变换器的输 入电压和输入电流波形。图5各主开关管电压波形Fig.5Voltage waveforms of power switches图6辅助开关管电流波形Fig.6Current wav

21、eform of auxiliary switch图7V i =90V 时,输入电压和电流波形Fig.7Input voltage and input currentwaveforms when V i =90V4结论本文提出的Boo st PFC 和双管反激两级组合式软开关变换器,在传统PFC 和双管反激两级变换器的基础上,增加了一条辅助支路,同时实现了变换器各开关管的ZVS 开关,以及PFC 整流二极管的控制关断。该变换器具有高电能转换效率,低EM I 干扰等优点。同时,软开关可以进一步提高变换器的开关频率,减小体积,提高功率密度。最后,仿真结果验证了该方案是可行的。参考文献1Lu Z ,

22、Green T C.A Study of Soft 2switched CCM BoostAC/DC Converter C Sevent h International Conference on IEE Conf.,Power Electronics and Variable Speed Drives ,1998,456:662-667.2Barreto L H S C ,Sebastiao M G ,de Freitas ,et al .Analysisof a Soft 2switched PFC Boost Converter Using Analog and Digital Control Circuit s J .Industrial Electron