基于單周期控制的軟開關(guān)AC/DC變換器

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(gè)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(xiàng)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(gè)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(shí)，其優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)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(shí)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(diǎn)，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l(wèi)r，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。

該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有以下特點(diǎn)：

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的影響小；

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(shí)現(xiàn)軟開關(guān)；

4）電路拓?fù)浜唵?，諧振控制開關(guān)s1，s2同步導(dǎo)通和關(guān)斷，控制易于實(shí)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(diǎn)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(gè)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(shí)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(shí)，輸入時(shí)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(shí)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(shí)，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(shí)，d觸發(fā)器發(fā)出的復(fù)位信號使實(shí)時(shí)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：

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(shí)間就短。從而占空比d就??；反之，當(dāng)輸入電壓ug降低時(shí)，積分值uint達(dá)到給定信號uref的時(shí)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：

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。

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ac220v；

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(shí)現(xiàn)了零電流開通和零電壓關(guān)斷。

圖4為單周期控制電路波形圖，從上到下波形依次為：

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(shí)，升壓電感電流上升，主功率開關(guān)和積分器同時(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)了單位功率因數(shù)。

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(shí)，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。