新型无源无损Boost APFC电路设计与仿真

于仲安 葛庭宇 何俊杰

摘 要： 传统的软开关电路能较好地解决Boost有源功率因数校正（APFC）电路中开关管开通与关断时所引起的损耗高、升压二极管关断时反向恢复引起的尖峰电流冲击大的问题；但随之出现的是升压二极管在关断后要承受2倍于输出电压的反向峰值，并且软开关电路元器件应力也较大。提出一种适用于Boost 升压电路的无源无损软开关电路，在理论分析软开关电路工作过程的基础上进行仿真实验。结果证明开关管实现了零电流开通和零电压关断所有二极管软开关，并且电路中所有元器件的电压电流应力小，提高了电路的工作效率。

关键词： 软开关电路； 无源无损电路； 有源功率因数校正； 升压电路； Boost； 升压二极管

中图分类号： TN643+.3?34； TM743 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）16?0043?04

Abstract： The traditional soft?switching circuit can resolve the problems of the high loss at the moment of switch?on and switch?off of the switch tube in the Boost active power factor correction （APFC） circuit， and the large impact of the peak current caused by the reverse recovery at the moment of switch?off of the booster diode. However， the booster diode has to bear a reverse peak being twice of the output voltage at the moment of its switch?off， and the component stress of the soft?switching circuit is relatively large. Therefore， a passive lossless soft?switching circuit suitable for the Boost booster circuit is proposed. On the basis of theoretical analysis of the working process of the soft?switching circuit， a simulation experiment was carried out. The results show that the switch tube can realize zero?current turn?on and zero?voltage turn?off of all diodes′ soft?switching， and the small voltage and current stresses of all the components in the circuit， which can improve the working efficiency of the circuit.

Keywords： soft?switching circuit； passive lossless circuit； active power factor correction； boosted circuit； Boost； booster diode

0 引 言

由于开关电源在各类电力电子设备、电路中的广泛应用，其与电网相接时所引起的谐波污染会给电网带来严重的危害[1]，甚至破坏电路线路，损坏用电设备[2]。为了减小电力电子装置对配电网的污染，APFC被广泛应用在各类开关器件中[3]。另外随着开关电源的逐步提升，开关管高频化已成为一种趋势，但开关管的通断损耗也随之增加。软开关技术作为解决开关电源高频通断所引起损耗的关键技术之一，已成为时下的研究热点。目前主要研究方法有RCD无损缓冲电路、有源缓冲电路、谐振变换器和无损软开关等技术[4]。与其他缓冲技术不同的是，无源无损软开关电路仅需少量的储能元件，无需额外增加有源开关管[5]，且电路结构相对简单[6]、性能优越、可靠性高、得到较为广泛的实际研究[7?8]。

基于此本设计提出一种适用于Boost电路的新型无源无损软开关电路，所提软开关电路没有增大Boost电路中开关管与二极管电压电流的应力，开关管与升压二极管均实现了软通断。同时，软开关电路本身也实现了软通断且器件应力小。分析了无源無损软开关电路的工作过程，并在此基础上结合有源功率因数校正芯片UC3854设计了Boost APFC电路，最后通过仿真证明了分析的合理性。

1 软开关电路工作状态分析

新型无源无损Boost软开关电路如图1虚线框内所示。图中与升压二极管[D0]串联的电感[Lr]抑制其反向恢复引起的尖峰电流，并实现开关管VS的零电流开通。电容[Cr]负责开关管VS的零电压关断与能量的转移。电感[Ls]抑制软开关电路在工作过程中引起的谐振电流峰值应力，减小开关管VS以及软开关电路的器件应力。最终电容[Cs]把谐振的能量回馈至负载端，这样在一个周期内就实现了开关管的零损耗。

为了便于分析软开关电路的工作模式，假设：

1） 开关管与全部二极管均为理想元件[9]，升压二极管[D0]除外；

2） 输入电感[L]足够大，流经其电流恒定；

3） 输出电容[Co]足够大，输出电压纹波忽略不计。

根据以上三个假设条件对软开关电路的各个工作状态进行分析，图2为几个主要的软开关电路理论工作波形图。

2 仿真分析

本文采用UC3854作为Boost APFC电路的控制芯片，其主要参数设置如下：输入交流电压[Uin=80～270 V]；开关频率[fs=100 kHz]；输出电压[Uo=400 V]，输出功率[Po=250 W]；升压电感[L=1 mH]，输出滤波电容[Co=450 μF]。其中功率开关管采用APT8030LVR型MOSFET，升压二极管采用快恢复型MUR3060PT_SL，其余二极管均采用小功率型快恢复二极管。

关于软开关电路参数的设计，应保证在开关管的一个工作周期内完成能量的转移和能量往输出端的回馈，从而实现软开关的工作条件[10]，即[Ton]应该小于开关管的导通时间，[Toff]同样要小于开关管的关断时间，否则将无法实现软开关。通过前面的分析经过反复的计算与验证，最终取：[Cr=2.9 nF]；[Lr=7.5 μΗ]；[Cs=8 nF]；[Ls=40 μΗ]。

根据以上计算所得数据，在仿真软件Saber中基于UC3854设计电路原理图，并进行仿真。图3为输入电流和输入电压的波形，可见两者同频同相，实现了有源功率因数校正的目的。然后通过软件的傅里叶分析功能测得输入电流的[THD=0.020 31]，根据公式[PF=11+THD2]，求得[PF≈0.999 8]，功率因数接近于1。图4为输出电压的波形。

图5为MOSFET的硬开关波形，可以看出在硬开关开通的工作状态下，电压还没有下降，电流就已经开始上升，并且电流峰值应力高达25 A；同样在关断状态下，电流还没有下降，电压已经开始上升，两者的交叠部分非常大，这是引起MOSFET损耗的主要原因。

图6为软开关电路作用下的波形。在开通阶段，当MOSFET的电压u（d）下降到5%左右时电流才开始上升，其电流峰值应力几乎为零；在关断阶段，当MOSFET的电流i（d）下降到25%左右时电压才开始上升。软开关电路的整个工作过程有效抑制了开关管电压与电流的变化率，从而基本上实现了功率开关管的零损耗。

图7为新型无源无损Boost软开关电路各个元件的工作波形图，从上往下依次为[uCs]，[uCr]，[iLs]，[iLr]，明显可以看出与前面的分析基本一致，而且各元器件的峰值应力基本为零，从[iLs]的波形可以得知，[Ls]的存在很好地抑制了谐振过程中产生的电流应力。

3 结 论

本文提出一种新型的适用于Boost电路的无源无损软开关电路，并与Boost有源功率因数校正电路相结合，在合理分析所提软开关电路工作原理的基础上进行了仿真验证。结果表明开关管实现了零电流开通与零电压关断，并且所有元器件的电压电流应力小，减小了电路的工作负担，提高了主PFC电路的工作效率，延长了电路的工作寿命，具有較好的实际应用前景。

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