单相Boost型功率因数校正电路软开关技术综述

摘要：对单相Boost功率因数校正电路软开关技术进行了分类，分为零电压开关功率因数校正电路、零电压转换功率因数校正电路、零电流开关功率因数校正电路、零电流转换功率因数校正电路、有源箝位功率因数校正电路和带有无损吸收电路的功率因数校正电路，并对每一类型的电路的拓扑结构、工作方式及工作特点做出分析。
关键词：功率因数校正；软开关技术；DC／DC变换

O 引言
近二十年来电力电子技术得到了飞速的发展，已广泛应用到电力、冶金、化工、煤炭、通讯、家电等领域。多数电力电子装置通过整流器与电力网接口，经典的整流器是一个由二极管或晶闸管组成的非线性电路，它会在电网中产生大量电流谐波和无功功率，污染电网，成为电力公害。在20世纪80年代中后期，开关电源有源功率因数校正技术引起了国内外许多学者的重视，进行了许多专题研究并取得了大量成果。

有源功率因数校正技术在整流器与滤波电容之间增加一个DC／DC开关变换器。在各种单相PFC电路拓扑结构中，Boost升压型功率因数校正电路由于具有主电路结构简单，变换效率高，控制策略易实现等优点而得到广泛应用。高频化可以减小有源功率因数校正电路的体积、重量，提高电路的功率密度。为了使电路能够在高频下高效率地运行，有源功率因数校正电路的软开关技术成为重要的研究方向。

本文对单相Boost有源功率因数校正电路软开关技术进行了分类，并对每一类型的电路的拓扑结构、工作方式及工作特点做出了分析。

l 零电压开关(ZVS)PWM功率因数校正电路
ZVS工作方式是指利用谐振现象及有关器件的箝位作用，使开关变换器中开关管的电压在开启或关断过程中维持为零。

图1电路为ZVS功率因数校正电路，也称扩展周期准谐振功率因数校正电路。在辅助开关S1开通时，电感Lr抑制二极管Dr的反向恢复。电感Lr与电容Cf发生谐振至流过开关S1的电流降至输入电流大小。开关S2导通后，电感Lr与电容Cf再次谐振至流过开关S1的电流为O，电容Cr两端电压为Vo,使开关S1、开关S2实现ZV―ZCS关断。电路的不足之处是开关的电流应力比较大。

2 零电压转换(ZVT)PWM功率因数校正电路
在ZVT工作方式中，谐振网络拓扑与主电路是并联的。零转换PWM功率因数校正电路的导通损耗和开关损耗很小，能实现零开关特性而不增大开关的电流或电压应力，适用于较高电压和大功率的变换器。

图2所示电路是传统的ZVT电路。电感Lr与主开关S1寄生电容谐振使其寄生二极管导通，开关S1实现ZVS开通；同时，电感Lr抑制了二极管D1的反向恢复，二极管D2为电感Lr中的能量提供释放回路。

此电路的优点在于主开关ZVS开通，二极管D1的反向恢复得到抑制，电路结构简单；不足之处是辅助开关硬开通。

图3所示是对传统ZVT电路的改进电路，其开关时序、丰开关的电压、电流波形与图2相同。改进之处是在电感回路中串接二极管D3消除升压二极管D1寄生电容与电感Lr寄生振荡；在二极管D2两端并接电容减小了开关S2的关断损耗，可以提高电路的效率。

电路的不足之处是改进后电路的辅助开关仍为硬开通。

图4所示电路主开关S1为ZVS开通，其开通过程与上面两种电路稍有不同，当谐振电感Lsn2与电容Csnl与开关S1寄生电容谐振至开关S1两端电压为零时，开关S1开通；Csnl与Csn2可改善开关S1、S2的关断过程，减小关断损耗；电感Lsn2抑制了二极管D的反向恢复．二极管Db、Dc为电感Lsn2提供能量释放回路。

电路不足之处是辅助开关S2硬开通。

图5电路对图4所示电路进行了改进。如波形图所示，主开关S1开通前，其寄生二极管已经导通，开关S1实现ZVS开通；开关S1开通后，由于耦合电感的作用，促使流过Lx的电流迅速减小至接近零，辅助开关S2实现了ZCS关断；电容Cr减小了电路的关断损耗。

电路的不足之处是辅助开关S2硬开通，电路结构与工作方式比较复杂。

图6所示电路是对传统ZVT电路的又一改进电路。在主开关S1开通前，其寄生二极管已经导通，开关S1可实现ZVS开通；开关S1开通后，由于耦合电感的作用，流过辅助开关S2的电流迅速下降至接近零，开关S2被击穿二极管Ds钳制在一个很低的电压，开关S2实现ZCS关断。

电路的不足之处是辅助开关硬开通，电路的结构与工作方式比较复杂。

图7所示电路结构与以上的ZVT结构差别比较大。主开关S1关断后，二极管D开通，电容Cc通过耦合电感N2放电．开关S2寄生二极管开通实现了ZVS开通；开关S2关断后，开关S1寄生二极管开通实现了ZVS开通。同时，耦合电感N1抑制了二极管D的反向恢复，耦合电感N2则为N1中的能量提供了释放回路。

此电路的优点是两个开关均为ZVS开通，二极管D的反向恢复得到抑制，电路结构简单。不足之处在于两个开关均为硬开关关断，辅助开关S2的电压应力较大。

图8所示电路是一种新型ZVT有源功率因数校正电路。在辅助开关S2开通前，电容Cr两端电压为负，S2开通后，电感Lr与电容Cs、Cr发生谐振使主开关S1寄生二极管导通实现了ZVS开通；当流过开关S1的电流由负变正时，电感Lr与电容Cb、Cr谐振，二极管D5导通，开关S2实现ZV―ZCS关断。