基于單周期控制的軟開關(guān)AC/DC變換器

摘要：提出了一種軟開關(guān)單周期控制AC/DC變換器，以Boost電路工作在電流斷續(xù)狀態(tài)為例，分析了該電路的工作原理。仿真結(jié)果表明，該電路在整個輸入電壓范圍內(nèi)都能保持軟開關(guān)特性，達(dá)到了高功率因數(shù)和高效率的目的。

關(guān)鍵詞：有源功率因數(shù)校正；單周期控制；軟開關(guān)；電流斷續(xù)

1  引言

    開關(guān)電源在儀器儀表，通信及自動化設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用,但是，開關(guān)電源是個電磁騷擾源，它產(chǎn)生的諧波將會沿線路產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾和輻射干擾，從而對電網(wǎng)產(chǎn)生污染，并對鄰近電子設(shè)備產(chǎn)生干擾。如何消除電力電子裝置的諧波污染，并提高其功率因數(shù)，已成為電力電子技術(shù)的一項重大課題，采用有源功率因數(shù)校正（APFC）技術(shù)是最佳解決方式。

    隨著變換器工作的高頻化，功率開關(guān)、二極管以及吸收電路上的能量損失將隨開關(guān)頻率的增加而增加，APFC電路的效率將明顯降低。借助各種軟開關(guān)技術(shù)進(jìn)一步提高APFC電路的性能是解決這一問題最有效的途徑，因此，將軟開關(guān)技術(shù)與APFC相結(jié)合，是APFC發(fā)展方向之一。

    單周期控制（One-CycleControl）是近年來提出的新控制技術(shù)，其主旨是在一個開關(guān)周期內(nèi)控制平均電流或電壓以期達(dá)到參考值，文獻(xiàn)[1]和[2]就是通過控制二極管上的平均電壓來間接控制輸出電壓。本文將單周期控制用于Boost電路，并且加入了軟開關(guān)。此電路簡單，能在一周期內(nèi)消除輸入線電壓擾動，使每周期輸出電壓等于參考電壓，動態(tài)響應(yīng)快。

2  主電路工作原理

    Boost電路被廣泛應(yīng)用于單相整流電源的功率因數(shù)校正技術(shù)中，當(dāng)其工作在不連續(xù)導(dǎo)電模式時，其優(yōu)點為峰值電感電流基本上正比于輸入電壓，輸入電流波形自然地跟隨輸入電壓波形，因而功率因數(shù)高。缺點是開關(guān)不僅要導(dǎo)通較大的通態(tài)電流，而且將關(guān)斷更大的峰值電流并引起很大的關(guān)斷損耗，同時還會產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁干擾。軟開關(guān)技術(shù)的成功應(yīng)用解決了硬開關(guān)的固有缺點，大大減少了功率管的開關(guān)損耗，抑制了電磁干擾，并獲得了較高的效率。

    本文提出一種帶有諧振直流環(huán)的單相軟開關(guān)單位功率因數(shù)整流器，其主電路拓?fù)淙鐖D1所示。此電路采用二極管整流加升壓斬波器的形式，升壓變換器電感電流斷續(xù)，PWM諧振直流環(huán)器件為MOSFET，電路由諧振電感Lr，諧振電容Cr，開關(guān)器件S1，S2，續(xù)流二極管D2，D3組成，D4將直流側(cè)與諧振網(wǎng)絡(luò)及交流側(cè)隔開。

圖1  單周期控制軟開關(guān)Boost電路拓?fù)?/p>

    該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有以下特點：

    1）PWM技術(shù)和軟開關(guān)技術(shù)融為一體，不需輔助換流電路；

    2）軟開關(guān)對PWM的影響??；

    3）諧振網(wǎng)絡(luò)屬于ZVT,ZCT并聯(lián)諧振直流環(huán)，功率器件可實現(xiàn)軟開關(guān)；

    4）電路拓?fù)浜唵危C振控制開關(guān)S1，S2同步導(dǎo)通和關(guān)斷，控制易于實現(xiàn)；

    5）交流端輸入電流接近正弦波，功率因數(shù)接近1。

3  單周期控制技術(shù)

    單周期控制是一種非線性控制技術(shù)，該控制方法的突出特點是，無論是穩(wěn)態(tài)還是暫態(tài)，它都能保持受控量(通常為斬波波形)的平均值恰好等于或正比于給定值，即能在一個開關(guān)周期內(nèi)，有效地抑制電源側(cè)的擾動，既沒有穩(wěn)態(tài)誤差，也沒有暫態(tài)誤差，這種控制技術(shù)可廣泛應(yīng)用于非線性系統(tǒng)的場合，如脈寬調(diào)制、諧振、軟開關(guān)式的變換器等。采用單周期控制技術(shù)，便可以有效地克服傳統(tǒng)電壓反饋控制中的缺陷，同時也不必考慮電流模式控制中的人為補(bǔ)償。

    下面以Boost變換器為例來說明單周期控制技術(shù)的原理。如圖1所示，假定開關(guān)頻率fs=1/Ts為常數(shù)。電路開始工作時，輸入時鐘信號，由D觸發(fā)器U3產(chǎn)生恒定頻率的開關(guān)脈沖，同時開通S1和S2，輸出電壓Uo分壓后的電壓us經(jīng)積分器U1開始積分（初始狀態(tài)為零），當(dāng)積分器輸出電壓uint達(dá)到給定值uref時，比較器U2輸出高電平，D觸發(fā)器（U3）發(fā)出關(guān)斷信號關(guān)斷S1和S2。與此同時，D觸發(fā)器發(fā)出的復(fù)位信號使實時積分器復(fù)位為零，為下一周期做準(zhǔn)備。由上面分析，可以得出下式：

    uint=usdt=ugdt=uref(1)

    如果給定參考信號uref為常數(shù)，則輸出電壓Uo就為常數(shù)，積分器輸出電壓uint的斜率直接反映了輸入電壓ug的變化。當(dāng)輸入電壓ug升高，uint的上升斜率就陡，這樣積分值uint達(dá)到給定信號的時間就短。從而占空比D就??；反之，當(dāng)輸入電壓ug降低時，積分值uint達(dá)到給定信號uref的時間就長，占空比D就大。

    在單周期控制中，占空比D由下式?jīng)Q定：

    ugdt=uref(2)  [!--empirenews.page--]

    采用這種非線性控制，使得us電壓的平均值在每一開關(guān)周期內(nèi)都與uref完全相同，并且與輸入電壓ug的大小無關(guān)。這樣，輸出電壓Uo就是給定信號uref的線性函數(shù)，可以用圖2來表示。

圖2  給定信號為常數(shù)時的調(diào)節(jié)過程

4  仿真結(jié)果

    新推出的PSPICE9.1版本，工作于Windows9x／NT平臺上，CPU僅要求是奔騰以上、32M內(nèi)存、100M以上剩余硬盤空間、800×600以上顯示分辨率，是功能強(qiáng)大的模擬電路和數(shù)字電路混合仿真EDA軟件。

    應(yīng)用PSPICE進(jìn)行仿真，仿真電路參數(shù)如下：

    輸入電壓    AC 220V；

    升壓電感    300μH；

    諧振電感    15μH；

    諧振電容    0.02μF；

    輸出電壓    450V；

    輸出電容    470μF；

    開關(guān)頻率    50kHz。

    圖3為軟開關(guān)波形圖,從上到下波形依次為：

    1）輸出電壓Uo；

    2）諧振電容電壓UCr；

    3）主功率開關(guān)管柵源電壓ugs；

    4）諧振電感電流ilr；

    5）諧振電路續(xù)流二極管電流iD2（iD3）。

    從圖3中可以看出，主功率開關(guān)管實現(xiàn)了零電流開通和零電壓關(guān)斷。

圖3  軟開關(guān)波形  [!--empirenews.page--]

    圖4為單周期控制電路波形圖，從上到下波形依次為：

圖4  單周期控制波形圖

    1）開關(guān)脈沖信號；

    2）主功率開關(guān)管柵源電壓ugs；

    3）比較器輸出；

    4）積分器輸出電壓uint；

    5）參考電壓uref。

    從圖4中可以看出，當(dāng)開關(guān)脈沖開通時，升壓電感電流上升，主功率開關(guān)和積分器同時開通，一旦積分器輸出達(dá)到參考電壓，比較器輸出高電平，D觸發(fā)器復(fù)位，同時關(guān)斷主功率開關(guān)和積分器，升壓電感電流也開始下降。

    圖5為輸入電流和輸入電壓仿真波形圖，從圖中可以看出，交流側(cè)電流與電壓同相位，從而實現(xiàn)了單位功率因數(shù)。

圖5  輸入電壓與輸入電流波形

5  結(jié)語

    由以上分析可知，帶有軟開關(guān)的單周期控制AC/DC變換器，當(dāng)工作在不連續(xù)導(dǎo)電模式時，輸入電流波形自然地跟隨輸入電壓波形，功率因數(shù)高，線路簡單，動態(tài)響應(yīng)快，效率高，預(yù)期在小功率開關(guān)電源領(lǐng)域內(nèi)將會有廣泛的應(yīng)用前途。