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升压ZVT-PWM转换器的工作原理及应用设计实现方案

2020年08月07日 15:16 次阅读

引言

目前,升压电路被广泛应用于单相整流电源的功率因数校正(PFC)技术中。传统的升压电路工作在硬开关状态,其特点是工作在不连续导电模式时,电感电流峰值正比于输入电压,输入电流波形跟随输入电压波形,因而控制简单;缺点是开关不仅要通过较大的通态电流,而且关断较大的峰值电流会引起很大的关断损耗,同时还会产生严重的电磁干扰。因此,在升压电路中采用软开关技术不但可以提高开关频率,还能解决开关开通与关断损耗、容性开通、感性关断和二极管反相恢复4大难题。然而,在软开关技术方面前人已经提出好几种电路,如谐振型转换器、准谐振转换器和零开关PWM转换器等,虽然在单相功率因数校正电路中采用这些电路可以提高功率因数和系统效率,但总体上并不理想。本文采用升压ZVT-PWM转换电路,使其工作在软开关状态,特点是工作在连续导电模式,优点是功率开关管开通损耗和二极管的反向恢复损耗都大大降低,较之采用传统硬开关控制技术的功率因数校正提高了一大步。通过电路仿真和实际电路设计,发现都可以很好地达到功率因数校正的目的,而且显著减少了功率管的开关损耗,抑制了电磁干扰,可获得较高的效率。

升压谐振转换器(包括准谐振和多谐振转换器)的谐振电感和谐振电容一直参与能量传递,而且它们的电压和电流应力很大。而零开关PWM转换器中,虽然谐振元件不是一直工作在谐振状态,但谐振电感却串联在主功率回路中,它的损耗较大,同时,开关管和谐振元件的电压应力和电流应力与准谐振转换器完全相同,为此提出了零转换PWM转换器。它可分为零电压转换PWM转换器(升压ZVT-PWM)和零电流转换PWM转换器(升压ZCT-PWM)。这类转换器是软开关技术的又一飞跃。其特点是工作在PWM方式下,辅助谐振电路只是在主开关管开关时工作一段时间,从实现开关管的软开关;其它时候不工作,从而减小了辅助电路的功耗。而且,辅助电路并联在主功率回路中,辅助电路的工作不会增加主开关管的电压和电流应力,主开关管的电压和电流应力很小。

升压ZVT-PWM转换器

主电路拓扑及工作原理

电路零转换工作原理

升压ZVT-PWM转换电路如图1所示,下面来分析所采用电路的工作原理和电路运行模式:升压ZVT-PWM转换器不同于传统的升压转换器,图 1和图2分别为它的电路图及波形图。升压ZVT-PWM转换器在传统的升压转换器基础上增加了一个ZVT 网络,该网络由辅助开关QZVT、谐振电感Lr、谐振电容Cr及二极管D2和D3组成。电路工作时,辅助开关QZVT先于主开关QMAIN 开通,使ZVT 谐振网络工作,电容Cr上电压(即主开关QMAIN 两端电压)下降到零,创造主开关QMAIN 零电压开通条件。

升压ZVT-PWM转换器的工作原理及应用设计实现方案

图1 升压ZVT-PWM转换器主电路

图2 升压ZVT-PWM转换器波形图

运行模式分析

假设输入电感足够大,可以用恒流源IIN代替,而输出滤波电容足够大,输出端可用恒压源VO 代替。设t《》

1. t0 - t1:在t0之前,主开关QMAIN和辅助开关QZVT关断,二极管D1导通,负载电流全部流过D1。在t0时刻,辅助开关QZVT 导通,随着QZVT 的开通,谐振电感Lr 中的电流线性上升到IIN。而二极管D1中的电流线性下降至零,二极管D1零电流关断,即实现了二极管的软关断。而在实际电路中,二极管D1 需要经历反向恢复以除去结电荷。此时,ZVT谐振电感Lr上的电压为VO,电感电流上升至IIN的时间t01为:

2. t1-t2:在t1 时刻,谐振电感Lr 中的电流线性上升到IIN,Lr和Cr开始谐振。在谐振周期内,Cr放电直到电压为零。漏极电压变换率du/dt由Cr控制,Cr实际上是CDS与 COSS的和。在Cr放电的同时,谐振电感中的电流则持续上升。漏极电压降至零所需的时间长度应是谐振周期的1/4。在谐振周期结束时,主开关管的体二极管开通。这一过程结束时,QMAIN的体二极管开通。

3. t2-t3:这一期间开始时,主开关QMAIN的漏极电压降到零,其体内二极管开通。流过体二极管的电流由ZVT电感提供。由于电感两端的电压为零,因此,二极管处于续流状态。而与此同时,主开关管实现了零电压导通。

4. t3-t4:在t3时刻,控制电路感应到主开关管QMAIN的漏极电压降为零时,开通主开关管QMAIN,同时关断辅助开关管QZVT。在辅助开关管QZVT关断后,Lr中的能量通过二极管D2向负载传输。

5. t4-t5:在t4 时刻,D2中的电流下降到零,此时电路的工作状态与普通的升压转换器相同。而实际中,Lr将与辅助开关管QZVT的结电容COSS发生谐振,使二极管D1阳极电压为负。

6. t5-t6:这个阶段电路的工作过程和普通 升压转换几乎完全一致,主开关管QMAIN关断,其漏-源结电容被充至VO,主二极管D1开始向负载供电。由于一开始结电容使漏极电压为零,因此,主开关管QMAIN的关断损耗大大降低。

7. t6-t0:这个阶段处于续流状态,二极管D1导通,电路通过电感L为负载提供能量。

实验结果

电路参数设计

设计指标:单相交流输入220V,上下波动15%,输出功率为2000W,效率为90%,输出电压为380V,转换器工作频率为100kHz。

仿真结果

计算机仿真软件Matlab的Simulink中建立仿真模型进行仿真。仿真参数:Vin=220V;L=200mH;fk=100kHz;Lr=4.7mH;Cr=470pF。仿真结果如图3所示。

图3 输入电压/电流仿真图

从图3可以看出,输入电流较好地跟踪了输入电压,达到了功率因数校正的目的。

实验分析

搭好主电路和控制电路,调试后用示波器观察波形,图4为输入交流电压/电流实验波形图。由图可见,输入交流电流与输入交流电压相位相同,输入电流波形为正弦波,实现了系统的高功率因数。电压由于功率管的开关及分布参数的影响还存在一些毛刺,可以通过使用共模电感加以抑制。

图4 交流输入电压和电流波形

结语

综上所述,在单相功率因数校正电路中采用升压ZVT-PWM 转换器,可以实现软开关PFC。实验结果表明,该电路很好地达到了功率因数校正的目的,而且减少了开关管的损耗,抑制了电磁干扰并提高了系统的效率。

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