新型無源無損Boost APFC電路設計與仿真

于仲安 葛庭宇 何俊杰

摘 要： 傳統(tǒng)的軟開關電路能較好地解決Boost有源功率因數校正（APFC）電路中開關管開通與關斷時所引起的損耗高、升壓二極管關斷時反向恢復引起的尖峰電流沖擊大的問題；但隨之出現的是升壓二極管在關斷后要承受2倍于輸出電壓的反向峰值，并且軟開關電路元器件應力也較大。提出一種適用于Boost 升壓電路的無源無損軟開關電路，在理論分析軟開關電路工作過程的基礎上進行仿真實驗。結果證明開關管實現了零電流開通和零電壓關斷所有二極管軟開關，并且電路中所有元器件的電壓電流應力小，提高了電路的工作效率。

關鍵詞： 軟開關電路； 無源無損電路； 有源功率因數校正； 升壓電路； Boost； 升壓二極管

中圖分類號： TN643+.3?34； TM743 文獻標識碼： A 文章編號： 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

由于開關電源在各類電力電子設備、電路中的廣泛應用，其與電網相接時所引起的諧波污染會給電網帶來嚴重的危害[1]，甚至破壞電路線路，損壞用電設備[2]。為了減小電力電子裝置對配電網的污染，APFC被廣泛應用在各類開關器件中[3]。另外隨著開關電源的逐步提升，開關管高頻化已成為一種趨勢，但開關管的通斷損耗也隨之增加。軟開關技術作為解決開關電源高頻通斷所引起損耗的關鍵技術之一，已成為時下的研究熱點。目前主要研究方法有RCD無損緩沖電路、有源緩沖電路、諧振變換器和無損軟開關等技術[4]。與其他緩沖技術不同的是，無源無損軟開關電路僅需少量的儲能元件，無需額外增加有源開關管[5]，且電路結構相對簡單[6]、性能優(yōu)越、可靠性高、得到較為廣泛的實際研究[7?8]。

基于此本設計提出一種適用于Boost電路的新型無源無損軟開關電路，所提軟開關電路沒有增大Boost電路中開關管與二極管電壓電流的應力，開關管與升壓二極管均實現了軟通斷。同時，軟開關電路本身也實現了軟通斷且器件應力小。分析了無源無損軟開關電路的工作過程，并在此基礎上結合有源功率因數校正芯片UC3854設計了Boost APFC電路，最后通過仿真證明了分析的合理性。

1 軟開關電路工作狀態(tài)分析

新型無源無損Boost軟開關電路如圖1虛線框內所示。圖中與升壓二極管[D0]串聯的電感[Lr]抑制其反向恢復引起的尖峰電流，并實現開關管VS的零電流開通。電容[Cr]負責開關管VS的零電壓關斷與能量的轉移。電感[Ls]抑制軟開關電路在工作過程中引起的諧振電流峰值應力，減小開關管VS以及軟開關電路的器件應力。最終電容[Cs]把諧振的能量回饋至負載端，這樣在一個周期內就實現了開關管的零損耗。

為了便于分析軟開關電路的工作模式，假設：

1） 開關管與全部二極管均為理想元件[9]，升壓二極管[D0]除外；

2） 輸入電感[L]足夠大，流經其電流恒定；

3） 輸出電容[Co]足夠大，輸出電壓紋波忽略不計。

根據以上三個假設條件對軟開關電路的各個工作狀態(tài)進行分析，圖2為幾個主要的軟開關電路理論工作波形圖。

2 仿真分析

本文采用UC3854作為Boost APFC電路的控制芯片，其主要參數設置如下：輸入交流電壓[Uin=80～270 V]；開關頻率[fs=100 kHz]；輸出電壓[Uo=400 V]，輸出功率[Po=250 W]；升壓電感[L=1 mH]，輸出濾波電容[Co=450 μF]。其中功率開關管采用APT8030LVR型MOSFET，升壓二極管采用快恢復型MUR3060PT_SL，其余二極管均采用小功率型快恢復二極管。

關于軟開關電路參數的設計，應保證在開關管的一個工作周期內完成能量的轉移和能量往輸出端的回饋，從而實現軟開關的工作條件[10]，即[Ton]應該小于開關管的導通時間，[Toff]同樣要小于開關管的關斷時間，否則將無法實現軟開關。通過前面的分析經過反復的計算與驗證，最終?。篬Cr=2.9 nF]；[Lr=7.5 μΗ]；[Cs=8 nF]；[Ls=40 μΗ]。

根據以上計算所得數據，在仿真軟件Saber中基于UC3854設計電路原理圖，并進行仿真。圖3為輸入電流和輸入電壓的波形，可見兩者同頻同相，實現了有源功率因數校正的目的。然后通過軟件的傅里葉分析功能測得輸入電流的[THD=0.020 31]，根據公式[PF=11+THD2]，求得[PF≈0.999 8]，功率因數接近于1。圖4為輸出電壓的波形。

圖5為MOSFET的硬開關波形，可以看出在硬開關開通的工作狀態(tài)下，電壓還沒有下降，電流就已經開始上升，并且電流峰值應力高達25 A；同樣在關斷狀態(tài)下，電流還沒有下降，電壓已經開始上升，兩者的交疊部分非常大，這是引起MOSFET損耗的主要原因。

圖6為軟開關電路作用下的波形。在開通階段，當MOSFET的電壓u（d）下降到5%左右時電流才開始上升，其電流峰值應力幾乎為零；在關斷階段，當MOSFET的電流i（d）下降到25%左右時電壓才開始上升。軟開關電路的整個工作過程有效抑制了開關管電壓與電流的變化率，從而基本上實現了功率開關管的零損耗。

圖7為新型無源無損Boost軟開關電路各個元件的工作波形圖，從上往下依次為[uCs]，[uCr]，[iLs]，[iLr]，明顯可以看出與前面的分析基本一致，而且各元器件的峰值應力基本為零，從[iLs]的波形可以得知，[Ls]的存在很好地抑制了諧振過程中產生的電流應力。

3 結 論

本文提出一種新型的適用于Boost電路的無源無損軟開關電路，并與Boost有源功率因數校正電路相結合，在合理分析所提軟開關電路工作原理的基礎上進行了仿真驗證。結果表明開關管實現了零電流開通與零電壓關斷，并且所有元器件的電壓電流應力小，減小了電路的工作負擔，提高了主PFC電路的工作效率，延長了電路的工作壽命，具有較好的實際應用前景。

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