雙重單級(jí)PFC軟開(kāi)關(guān)變換器

摘要：針對(duì)目前開(kāi)關(guān)變換器不能在一級(jí)同時(shí)實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)、高效率、大功率輸出的缺點(diǎn)，提出了一種雙重單級(jí)功率因數(shù)校正(PFC)軟開(kāi)關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。詳細(xì)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(shè)計(jì)方法以及實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)和軟開(kāi)關(guān)的條件。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了變換器的可行性和正確性。該變換器在諸如風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、大功率分布式電源系統(tǒng)、航空等領(lǐng)域中具有重要應(yīng)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞：變換器；軟開(kāi)關(guān)；功率因數(shù)校正

1 引言
近年來(lái)，隨著智能電網(wǎng)、微電網(wǎng)的快速發(fā)展，電網(wǎng)對(duì)電力電子裝置提出了更高的要求，希望開(kāi)關(guān)變換器能在一級(jí)同時(shí)實(shí)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(kāi)關(guān)。軟開(kāi)關(guān)電路分為準(zhǔn)諧振、零開(kāi)關(guān)脈寬調(diào)制(PWM)和零轉(zhuǎn)換PWM電路3大類。綜合考慮，采用零電壓開(kāi)通和零電壓關(guān)斷(ZVS)來(lái)實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)。為達(dá)到各類諧波標(biāo)準(zhǔn)，電力電子裝置輸入端必須校正輸入電流，減少諧波對(duì)電網(wǎng)的污染。單級(jí)有源PFC電路能夠克服兩級(jí)有源PFC動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢、成本高、兩級(jí)轉(zhuǎn)換效率低等缺點(diǎn)。
在此從單級(jí)PFC變換器和軟開(kāi)關(guān)變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析入手，將以上兩個(gè)變換器做適當(dāng)組合，從而形成了雙重單級(jí)PFC軟開(kāi)關(guān)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(shí)現(xiàn)冗余控制，提高了系統(tǒng)的可靠性。同時(shí)，模塊化結(jié)構(gòu)易于并聯(lián)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)大功率輸出。

2 工作原理
圖1為雙重單級(jí)PFC軟開(kāi)關(guān)變換器。由兩個(gè)單重正激式軟開(kāi)關(guān)PFC變換器并聯(lián)而成，單重正激式軟開(kāi)關(guān)PFC變換器由Boost單元和正激式軟開(kāi)關(guān)單元構(gòu)成。V1，V2為輔助開(kāi)關(guān)管；V1，V4為主開(kāi)關(guān)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(chǔ)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(fù)載。

圖2為雙重單級(jí)PFC軟開(kāi)關(guān)變換器穩(wěn)態(tài)時(shí)的工作波形。在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期Ts內(nèi)，該單元具體的工作過(guò)程大致可分為16個(gè)階段。為了簡(jiǎn)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(gè)Ts內(nèi)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(rèn)為其上的電壓保持不變，相當(dāng)于一個(gè)恒壓源；儲(chǔ)存在Lr1，Lr2中的能量大于儲(chǔ)存在諧振電容中的能量，以便實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管的ZVS。
模態(tài)1[t0～t1] V3和V2開(kāi)通，V4和V1關(guān)斷，VD2，VD3，VD5，VD8正向?qū)?，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(jí)繞組充電，Uin和L2給C4充電，L2的電流iL2線性下降。T1的初級(jí)繞組電流iLr1在uLr1=uC3-uLm1作用下線性上升，而T2的初級(jí)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(jí)繞組電壓uns1= uC3／n，而T2的次級(jí)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(jié)束于V3的關(guān)斷。
模態(tài)2[t1～t2] V3和V4均關(guān)斷，V2繼續(xù)開(kāi)通，V1繼續(xù)關(guān)斷，VD1，VD3，VD5，VD8正向?qū)ǎ琕D2，VD4，VD6，VD7反向截止。Uin和L1給C3充電，iL1線性下降，V3關(guān)斷，勵(lì)磁電流iLm1和次級(jí)繞組映射回來(lái)的電流給CV3充電，很明顯，該過(guò)程很短，iLm1可認(rèn)為不變，uCV3很快從零開(kāi)始上升到uC3。此時(shí)VD6開(kāi)通，下半單元的電路狀態(tài)與模態(tài)1中狀態(tài)相同，此過(guò)程結(jié)束。
模態(tài)3[t2～t3]V3和V4均關(guān)斷，V2繼續(xù)開(kāi)通，V1繼續(xù)關(guān)斷，VD1，VD3，VD5，VD6，VD8正向?qū)ǎ琕D2，VD4，VD7反向截止。Uin和L1仍給C3充電，iL1線性下降，此模態(tài)開(kāi)始于t2，由于VD5，VD6都導(dǎo)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(dǎo)通，為V1的ZVS開(kāi)通創(chuàng)造了條件。當(dāng)uCV3上升到uC3+uC1時(shí)，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。