一种新颖的三电平软开关功率因数校正电路

一种新颖的三电平软开关功率因数校正电路1

引言近年年来，人们对对电力电子装装置的电压等等级和功率等等级的要求不不断提高，多多电平变换器器作为顺应这这一潮流的一一种解决方案案，正受到越越来越多的关关注[1]。与此此同时，随着着大量电力电电子装置的普普及使用，其其对电网造成成日益严重的的谐波污染问问题，各国都都对电力电子子装置的功率率因数制定了了严格的标准准，因此，对对功率因数校校正（PFC）电路的拓拓扑结构和控控制技术的研研究，是近年年来电力电子子技术领域的的又一研究热热点。另一方方面，由于众众所周知的原原因，高频化化是电力电子子学一直追求求的目标，伴伴随着高频化化，功率器件件的开关损耗耗问题成为一一个日益突出出的矛盾，由由此软开关技技术应运而生生，它成为降降低开关损耗耗，提高系统统效率以及改改善EMI问题的一个个重要手段。本本文在上述电电力电子技术术研究的3个热点中找找到一个应用用的契合点。提提出了一种新新颖的单相三三电平无源无无损软开关PFC电路拓扑。在在分析传统二二极管箝位型型三电平逆变变桥臂拓扑结结构的基础上上，推导出具具有实用价值值的三电平Buck和Boost电路，讨论论了由三电平平Boost电路构成的的三电平PFC电路的原理理及实现问题题。为了提高高系统的效率率且不增加控控制的复杂性性，将一种无无原理性过压压的无源无损损软开关的基基本单元应用用于三电平PFC电路中，实实现了功率器器件的软开关关，提高了系系统的效率；；最后给出了了仿真和实验验结果。2单相三电平PFC电路的来源源、原理和实实现2.1单相三电平PFC电路的来源源正如传统的的两电平逆变变桥臂可以很很容易地拆分分得到Buck和Boost电路，采用用类似的方法法，也可以将将图1(a)所示的二极极管箝位型三三电平逆变器器桥臂，经过过适当地改进进[2]，拆分分为如图1(b)，1(c)所示的具有有实用价值的的三电平Buck和Boost电路。2.2单相三三电平PFC电路的原理理和实现Booost电路因其输输入电流连续续，拓扑结构构简单，效率率高等特点，常常被作为单相相PFC电路拓扑的的首选，但因因Boost电路的升压压特性，在220V交流输入的的情况下，输输出电压通常常控制在400V左右。在升升压比例不变变的情况下，若若输入电压进进一步升高，相相应的输出电电压也会随之之上升；或者者在输入电压压不变的情况况下，希望有有高的输出电电压。这都意意味着Boost电路中的功功率器件需要要承受400V以上的电压压应力，这样样，一方面增增加了器件的的开关损耗和和通态损耗，另另一方面，当当电压升高到到一定程度时时，给器件的的选择带来了了困难，这在在希望高压，高高频运行的单单相PFC电路中成了了一个很难解解决的矛盾。因因此，单相三三电平Boost电路，为解解决这一矛盾盾提供了一个个很好的途径径。将单相三三电平Boost电路用作PFC的主电路在在文献[3,4]中曾被提出出和研究，但但它们都是突突兀的直接给给出，并没有有如本文所述述给出其来源源。其控制的的基本思想是是将工作范围围分为两个区区域，根据输输入电压Vi的幅值和二二分之一输出出电压Vo/2幅值的比较较，采用不同同的工作模式式，实现PFC的功能。三三电平PFC电路的控制制实际上和两两电平PFC电路的控制制没有本质区区别，它的主主要目的仍是是输入电流跟跟踪输入电压压，但由于特特殊的电路结结构，需在原原有的控制逻逻辑中附加如如下额外的判判断条件

这里，逻逻辑L1用来判断工工作区域，逻逻辑L2用来控制中中点电压平衡衡。逻辑L1，L2和来自通常常的PFC闭环控制的的逻辑L0，共同作用用，决定PFC电路工作模模式的选择，即即不同的开关关状态组合。值值得注意的是是，文献[4]中给出的控控制方法中LL0逻辑来自输输入电流滞环环比较器的输输出，它是一一个变频脉冲冲信号，而本本文采用如图图(2)所示的控制制方法，其LL0逻辑是来自3854的定频脉冲冲信号，正是是这个区别，使使得本文的控控制方法，最最终得到的开开信定逻器为回回差较大的滞滞环比较器，它它们的变化频频率远低于LL0），从而不不仅方便输入入电感的取值值，而且为无无源无损软开开关的实现提提供了便利条条件。3

新颖的单单相三电平无无源无损软开开关PFC电路3.1电路拓扑和和基本原理尽尽管采用三电电平PFC的拓扑结构构，在相同输输出电压条件件下，开关管管的电压应力力减低一半，从从而相应的通通态损耗和开开关损耗有所所减小，但当当开关频率较较高时，这些些损耗依然可可观，因此，使使用软开关技技术来进一步步提高效率，仍仍然是必要和和有意义的。软软开关技术从从广义上可分分为有源软开开关技术和无无源软开关技技术两大类，它它们的分类和和界定及优缺缺点对比，在在文献[2]中已有详尽尽的阐述。这这里给出一种种无须附加额额外检测和控控制的三电平平无源无损软软开关电路拓拓扑，如图(3)所示，附加加的无源无损损软开关单元元（虚线框内内），是现有有单端电路无无源无损软开开关最简单的的拓扑之一[[2,5~88]，由1个谐振电感感Lr1(2)，1个谐振电容容Cr1(2))，1个储能电容容Cs1(2)和3个二极管D1(2)11,D1(2))2,D1(2))3组成。电电感Lr1(2)和电电容Cr1(2)，Cs1(2)之间间的谐振实现现了开关管的的零电流开通通和续流二极极管的零电压压关断，以及及开关管的零零电压关断和和续流二极管管的零电压开开通。同时，每每个周期Cs1(2)收集集这些谐振能能量，并最终终将其转移到到负载，实现现了吸收电路路的无损运行行。3.2

工作作过程分析在在分析工作过过程之前作如如下假设：1）除续流二二极管外，所所有器件均为为理想器件；；2）输入电感感L远大于谐振振电感Lr1(2)；3）输出电容容足够大，输输出电压恒定定。由于电路路结构的对称称性，仅分析析S1和D1之间的换流流过程，每周周期工作过程程分为8个阶段，如如图4(a)～(h)所示。开关关波形如图(5)所示，分析析如下：

（1）阶段1（t0<t<t1,图4(a））假定在在t0时刻之前，S1关断，S2，D1导通，电路路处于S2导通，D1续流的稳定定工作状态。t0时刻S1开通，由于谐振电感Lr1的存在，D1的电流值从输入电流Ii开始以一定斜率线性减小，同时S1的电流从零开始以相同的斜率线性上升，实现开关管S1的零电流开通，Lr1的电流由式(3)给出。

（2）阶阶段2（t1<t<t2,图4(b)）t1时刻，D1反向恢复结结束，D1关断，由于于VCs1和VCr1等于0，D12自然导通通，谐振电感感Lr1，储能电容容Cs1，谐振电容容Cr1，开始谐振振，D1端电压从零零谐振上升，实实现D1的零电压关关断。此时，电电感Lr1的电流和电电容Cs1，Cr1的电压之和和V(t)分别为开关管S1的峰峰值电流等于于输入电流IIi与谐振电感感峰值电流之之和，该峰值值出现在VCs1+VCr1=V1时，可由下下式表示：

（3）阶阶段3（t2<t<t3,图4(c)）t2时刻，Cr1充电至V1，D13导通，Vcr1保持恒定。LLr1,Cs1，D12，D13开始第2个谐振过程程，该过程谐谐振电感电流流Ilr1和储能电容容电压Vcs1如下：t3时刻，Illr1(t3)等于零，第2个谐振过程程结束，Lr1中能量完全全传递到Cs1中。

（4）阶阶段4

（t3<t<t4,图4（d））t3时刻，Ilr1减小到零，D12，D13关断。之之后，Cr1，Cs1的电压保持持不变，电路路进入S1，S2导通的稳定定运行状态。

（5）阶段5（t4<t<t5,图4(e)）t4时刻，S1关断，输入入电流经D13对Cr1放电，S1的管电压等等于V1-Vcr1，即管电压按式((19)从零开始上上升，实现S1的零电压关关断。

（6）阶段6

（t5<t<t6,图4(f)）t5时刻，Cr1放电到零，D11，D12导通，因因此Lr1的端电压等等于Vcs1，Cs1通过Lr1向输出端谐谐振放电，这这个阶段的电电路方程与阶阶段2类似，Ilr1和Vcs1如式(18)，(19)所示：

（7）阶阶段7（t6<t<t7,图4(g)）t6时刻，电感感电流ilr1上升到Ii，D12和D13关断，电电流Ii继续通过D11使Cs1放电，Vcs1的缓慢变化化为D1的零电压开开通提供了条条件。该阶段段Vcs1如式（22）所示。

（8）阶阶段8

（t7<t<t8,图4(h)）t7时刻，Cs1放电到零，D11关断，同同时D1自然开通，CCs1中的存储能能量完全传递递到负载，负负载电流通过过D1输出，电路路又回到与阶阶段1开始时刻t0相同的稳态态运行阶段，等等待下一个开开关周期的到到来。2.33

无源无损软软开关电路参参数设计上过得个：：

（1）从减小开开关管S1开通时的di/dt，以及减小小续流二极管管D1反向恢复电电流所造成的的损耗的角度度，应该选择择尽可能大的的Lr1；

（2）在阶段6，D12和D13必须在Cs1放电到零之之前自然关断断，否则D11，D12，D13将在整个个开关周期中中一直保持导导通，从而使使S1失去软开关关的条件，为为此，下面的的不等式必须须满足：上式表明，应选选较大的Cr1并希望Irr较大。

（3）从式(9)，(18)可以看出，CCr1越大，开关关管S1的电流应力力和续流二极极管D1的电压应力力也将越大。可可见，Lr1，Cr1的取值应综综合考虑，折折中选取。根根据式(18)，二极管上上的过压近似似等于，所以以Cs1与Cr1的值应尽可可能大，工程程中选择25倍以上,可得到0.2倍V1的过压。

（4）从上面的的分析还可看看出，开关管管S1关断时无原原理性过压，续续流二极管D1开通时无原原理性过流。4

仿真和实验结果为验证本文提出的无源无损软开关技术的有效性，将该无源无损软开关单元附加于三电平PFC电路中，建立了1台新颖的2kW单相三电平无源无损软开关PFC电路样机。相关电路参数如下：输入电感2mH，功率器件选用IRFP460(两管并联)，快恢复二极管选用HFA25TB60，输出电容C1=C2=1410mF，交流输入电压220V，输出电压400V，开关关频率40kHHz。谐振电感感Lr1(2)为18mH，谐振电容容Cr1(2)为43nF，储能电容容Cs1(2)为1mF，辅助二极极管D1(2)11,D1(2))2,D1(2))3为MUR81100。图(6)是利用Pspicce8.0仿真软件得得到的仿真结结果，可以看看出输入电流流能很好地跟跟踪输入电压压，电路运行行在三电平状状态。中点电电压是平衡的的。相应的实实验波形如图图(7)所示，实验验结果和仿真真结果非常一一致。图（8）所示为为硬开关条件件下，开关管管和续流二极极管的电压和和电流波形，图图（9）给出的是是附加无源无无损软开关单单元后，相应应的电压和电电流波形，显显然，后者很很好的实现了了开关管和续续流二极管的的软开关运行行。从图中可可以看出，开开关管的开通通过程是很好好的零电流开开通，但关断断过程，电压压和电流有一一很小重叠区区域，事实上上，如果增大大谐振电容CCr1(2)，管管电压的上升升斜率将减小小，零电压关关断的情况会会更好，只是是相应的开通通电流过冲会会增大，这一一点从式（9）和（18）可以清晰晰体现，图中中的软开关过过程是在综合合考虑开通电电流过冲和关关断电压缓升升后，折中选选择电路参数数所得到的结结果。并且，开开关管关断过过程无过压，二二极管开通时时无过流，验验证了前文的的分析。从仿仿真和实验波波形，还可以以观察到一个个很重要的现现象，在每周周期电流波形形的“两肩”，电流波形形各有一个畸畸变，这2个位置正好好对应不同工工作区域之间间过渡的时刻刻，其产生的的原因，可能能是由工作区区域逻辑的滞滞环特性以及及电流环的动动态响应较慢慢所致。正是是这个畸变使使三电平PFC的功率因数数有所降低，实实验实测PF约为0.97左右。图（10）给出的是是软开关条件件下，三电平平PFC电路输入电电压和输入电电流波形，对对比图7(a）不难发现现，前者的输输入电流波形形优于后者，实实验结果证实实了观察到的的现象，实测测的软开关三三电平PFC的PF值约0.99左右，这是使用软软开关吸收电电路的一个意意外收获，其其原因在于，由由于谐振电感感串入续流二二极管所在支支路，限制了了在工作区域域过度时刻的的电流突变，减减小了输入电电流的畸变，因因而相应地提提高了PF值。图（11）给出的是是在不同功率率条件下，硬硬开关和无源源无损软开关关的效率对比比曲线，结果果表明，所提提供的无源无无损软开关PFC电路，较之之相应的硬开开关电路，效效率明显的提提高。5

结论

利用电路拓拓扑结构的改改进，提高电电力电子装置置的电压和功功率等级的多多电平变换技技术，改善电电力电子装置置功率因数的的PFC技术，以及及提高系统效效率，改善电电力电子装置置EMI特性的软