摘要：提出了一種軟開關單周期控制AC/DC變換器，以Boost電路工作在電流斷續(xù)狀態(tài)為例，分析了該電路的工作原理。仿真結果表明，該電路在整個輸入電壓范圍內(nèi)都能保持軟開關特性，達到了高功率因數(shù)和高效率的目的。

關鍵詞：有源功率因數(shù)校正；單周期控制；軟開關；電流斷續(xù)

1  引言

    開關電源在儀器儀表，通信及自動化設備中得到了廣泛的應用,但是，開關電源是個電磁騷擾源，它產(chǎn)生的諧波將會沿線路產(chǎn)生傳導干擾和輻射干擾，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的一項重大課題，采用有源功率因數(shù)校正（APFC）技術是最佳解決方式。

    隨著變換器工作的高頻化，功率開關、二極管以及吸收電路上的能量損失將隨開關頻率的增加而增加，APFC電路的效率將明顯降低。借助各種軟開關技術進一步提高APFC電路的性能是解決這一問題最有效的途徑，因此，將軟開關技術與APFC相結合，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，其主旨是在一個開關周期內(nèi)控制平均電流或電壓以期達到參考值，文獻[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。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)響應快。

2  主電路工作原理

    Boost電路被廣泛應用于單相整流電源的功率因數(shù)校正技術中，當其工作在不連續(xù)導電模式時，其優(yōu)點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。缺點是開關不僅要導通較大的通態(tài)電流，而且將關斷更大的峰值電流并引起很大的關斷損耗，同時還會產(chǎn)生嚴重的電磁干擾。軟開關技術的成功應用解決了硬開關的固有缺點，大大減少了功率管的開關損耗，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)的單相軟開關單位功率因數(shù)整流器，其主電路拓撲如圖1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Lr，諧振電容Cr，開關器件S1，S2，續(xù)流二極管D2，D3組成，D4將直流側與諧振網(wǎng)絡及交流側隔開。

圖1  單周期控制軟開關Boost電路拓撲

    該拓撲結構有以下特點：

    1）PWM技術和軟開關技術融為一體，不需輔助換流電路；

    2）軟開關對PWM的影響?。?/span>

    3）諧振網(wǎng)絡屬于ZVT,ZCT并聯(lián)諧振直流環(huán)，功率器件可實現(xiàn)軟開關；

    4）電路拓撲簡單，諧振控制開關S1，S2同步導通和關斷，控制易于實現(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

    單周期控制是一種非線性控制技術，該控制方法的突出特點是，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，即能在一個開關周期內(nèi)，有效地抑制電源側的擾動，既沒有穩(wěn)態(tài)誤差，也沒有暫態(tài)誤差，這種控制技術可廣泛應用于非線性系統(tǒng)的場合，如脈寬調制、諧振、軟開關式的變換器等。采用單周期控制技術，便可以有效地克服傳統(tǒng)電壓反饋控制中的缺陷，同時也不必考慮電流模式控制中的人為補償。

    下面以Boost變換器為例來說明單周期控制技術的原理。如圖1所示，假定開關頻率fs=1/Ts為常數(shù)。電路開始工作時，輸入時鐘信號，由D觸發(fā)器U3產(chǎn)生恒定頻率的開關脈沖，同時開通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），當積分器輸出電壓uint達到給定值uref時，比較器U2輸出高電平，D觸發(fā)器（U3）發(fā)出關斷信號關斷S1和S2。與此同時，D觸發(fā)器發(fā)出的復位信號使實時積分器復位為零，為下一周期做準備。由上面分析，可以得出下式：

    uint=usdt=ugdt=uref(1)

    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。當輸入電壓ug升高，uint的上升斜率就陡，這樣積分值uint達到給定信號的時間就短。從而占空比D就小；反之，當輸入電壓ug降低時，積分值uint達到給定信號uref的時間就長，占空比D就大。

    在單周期控制中，占空比D由下式?jīng)Q定：

    ugdt=uref(2) 
 采用這種非線性控制，使得us電壓的平均值在每一開關周期內(nèi)都與uref完全相同，并且與輸入電壓ug的大小無關。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。

圖2  給定信號為常數(shù)時的調節(jié)過程

4  仿真結果

    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，是功能強大的模擬電路和數(shù)字電路混合仿真EDA軟件。

    應用PSPICE進行仿真，仿真電路參數(shù)如下：

    輸入電壓    AC 220V；

    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；

    開關頻率    50kHz。

    圖3為軟開關波形圖,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，主功率開關管實現(xiàn)了零電流開通和零電壓關斷。

圖3  軟開關波形 
圖4為單周期控制電路波形圖，從上到下波形依次為：

圖4  單周期控制波形圖

    1）開關脈沖信號；

    2）主功率開關管柵源電壓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，當開關脈沖開通時，升壓電感電流上升，主功率開關和積分器同時開通，一旦積分器輸出達到參考電壓，比較器輸出高電平，D觸發(fā)器復位，同時關斷主功率開關和積分器，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，交流側電流與電壓同相位，從而實現(xiàn)了單位功率因數(shù)。

圖5  輸入電壓與輸入電流波形

5  結語

    由以上分析可知，帶有軟開關的單周期控制AC/DC變換器，當工作在不連續(xù)導電模式時，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)響應快，效率高，預期在小功率開關電源領域內(nèi)將會有廣泛的應用前途。