雙重單級PFC軟開關變換器

摘要：針對目前開關變換器不能在一級同時實現(xiàn)高功率因數(shù)、高效率、大功率輸出的缺點，提出了一種雙重單級功率因數(shù)校正(PFC)軟開關拓撲結構。詳細分析了變換器的各種工作模態(tài)，給出了變換器參數(shù)的設計方法以及實現(xiàn)高功率因數(shù)和軟開關的條件。實驗驗證了變換器的可行性和正確性。該變換器在諸如風力發(fā)電系統(tǒng)、大功率分布式電源系統(tǒng)、航空等領域中具有重要應用價值。
關鍵詞：變換器；軟開關；功率因數(shù)校正

1 引言
近年來，隨著智能電網(wǎng)、微電網(wǎng)的快速發(fā)展，電網(wǎng)對電力電子裝置提出了更高的要求，希望開關變換器能在一級同時實現(xiàn)高功率因數(shù)、高效率、大功率輸出。為滿足高效率的要求，必須減少其損耗，最好的方法是軟開關。軟開關電路分為準諧振、零開關脈寬調制(PWM)和零轉換PWM電路3大類。綜合考慮，采用零電壓開通和零電壓關斷(ZVS)來實現(xiàn)軟開關。為達到各類諧波標準，電力電子裝置輸入端必須校正輸入電流，減少諧波對電網(wǎng)的污染。單級有源PFC電路能夠克服兩級有源PFC動態(tài)響應慢、成本高、兩級轉換效率低等缺點。
在此從單級PFC變換器和軟開關變換器的拓撲結構分析入手，將以上兩個變換器做適當組合，從而形成了雙重單級PFC軟開關變換器，雙重變換器可減小輸入和輸出濾波器體積和重量，極易實現(xiàn)冗余控制，提高了系統(tǒng)的可靠性。同時，模塊化結構易于并聯(lián)運行，實現(xiàn)大功率輸出。

2 工作原理
圖1為雙重單級PFC軟開關變換器。由兩個單重正激式軟開關PFC變換器并聯(lián)而成，單重正激式軟開關PFC變換器由Boost單元和正激式軟開關單元構成。V1，V2為輔助開關管；V1，V4為主開關管；L1，L2為輸入電感；Lr1，Lr2為諧振電感；CV1～CV4為V1～V4的寄生電容；Lm1，Lm2為正激式變壓器T1，T2的激磁電感；C1，C2為筘位電容；C3，C4為儲能電容；VD5，VD7為整流二極管；L3，L4為輸出濾波電感；C5為輸出濾波電容；R為等效負載。

圖2為雙重單級PFC軟開關變換器穩(wěn)態(tài)時的工作波形。在一個開關周期Ts內，該單元具體的工作過程大致可分為16個階段。為了簡化分析，先假定：電路工作在穩(wěn)定狀態(tài)，所有元器件都是理想的；C3，C4上電壓保證其上的電壓恒定；在一個Ts內輸入電壓不變，為常數(shù)；Lm1= Lm2，Lr1=Lr2，Lr1Lm1，Lr2Lm2；C1>>CV3，C2>>CV4；C1，C2足夠大，認為其上的電壓保持不變，相當于一個恒壓源；儲存在Lr1，Lr2中的能量大于儲存在諧振電容中的能量，以便實現(xiàn)開關管的ZVS。
模態(tài)1[t0～t1] V3和V2開通，V4和V1關斷，VD2，VD3，VD5，VD8正向導通，VD1，VD4，VD6，VD7反向截止。L1的電流iL1在輸入電壓Uin的作用下線性上升，C3給T1的初級繞組充電，Uin和L2給C4充電，L2的電流iL2線性下降。T1的初級繞組電流iLr1在uLr1=uC3-uLm1作用下線性上升，而T2的初級繞組電流iLr2在uLr2=-uC2-uLm2作用下線性下降，CV3的電壓uCV3=0，CV4的電壓uCV4=uC4+uC2。T1的次級繞組電壓uns1= uC3／n，而T2的次級繞組電壓uns2=-uC2／n。L3上的電流iL3線性上升，L4上的電流iL4線性下降。此模態(tài)結束于V3的關斷。
模態(tài)2[t1～t2] V3和V4均關斷，V2繼續(xù)開通，V1繼續(xù)關斷，VD1，VD3，VD5，VD8正向導通，VD2，VD4，VD6，VD7反向截止。Uin和L1給C3充電，iL1線性下降，V3關斷，勵磁電流iLm1和次級繞組映射回來的電流給CV3充電，很明顯，該過程很短，iLm1可認為不變，uCV3很快從零開始上升到uC3。此時VD6開通，下半單元的電路狀態(tài)與模態(tài)1中狀態(tài)相同，此過程結束。
模態(tài)3[t2～t3]V3和V4均關斷，V2繼續(xù)開通，V1繼續(xù)關斷，VD1，VD3，VD5，VD6，VD8正向導通，VD2，VD4，VD7反向截止。Uin和L1仍給C3充電，iL1線性下降，此模態(tài)開始于t2，由于VD5，VD6都導通，故CV3被箝位在uC3，加在Lm1上的電壓為零。由于Lr1和CV3的諧振作用，uC3被iLr1充電到uC3+uC1，V1的體二極管VDr1導通，為V1的ZVS開通創(chuàng)造了條件。當uCV3上升到uC3+uC1時，VD5反向截止。下半單元的電路狀態(tài)與模態(tài)1中狀態(tài)相同。