基于单周期控制的软开关AC/DC变换器

摘要：提出了一种软开关单周期控制AC/DC变换器，以Boost电路工作在电流断续状态为例，分析了该电路的工作原理。仿真结果表明，该电路在整个输入电压范围内都能保持软开关特性，达到了高功率因数和高效率的目的。

关键词：有源功率因数校正；单周期控制；软开关；电流断续

1  引言

    开关电源在仪器仪表，通信及自动化设备中得到了广泛的应用,但是，开关电源是个电磁骚扰源，它产生的谐波将会沿线路产生传导干扰和辐射干扰，从而对电网产生污染，并对邻近电子设备产生干扰。如何消除电力电子装置的谐波污染，并提高其功率因数，已成为电力电子技术的一项重大课题，采用有源功率因数校正（APFC）技术是最佳解决方式。

    随着变换器工作的高频化，功率开关、二极管以及吸收电路上的能量损失将随开关频率的增加而增加，APFC电路的效率将明显降低。借助各种软开关技术进一步提高APFC电路的性能是解决这一问题最有效的途径，因此，将软开关技术与APFC相结合，是APFC发展方向之一。

    单周期控制（One-CycleControl）是近年来提出的新控制技术，其主旨是在一个开关周期内控制平均电流或电压以期达到参考值，文献[1]和[2]就是通过控制二极管上的平均电压来间接控制输出电压。本文将单周期控制用于Boost电路，并且加入了软开关。此电路简单，能在一周期内消除输入线电压扰动，使每周期输出电压等于参考电压，动态响应快。

2  主电路工作原理

    Boost电路被广泛应用于单相整流电源的功率因数校正技术中，当其工作在不连续导电模式时，其优点为峰值电感电流基本上正比于输入电压，输入电流波形自然地跟随输入电压波形，因而功率因数高。缺点是开关不仅要导通较大的通态电流，而且将关断更大的峰值电流并引起很大的关断损耗，同时还会产生严重的电磁干扰。软开关技术的成功应用解决了硬开关的固有缺点，大大减少了功率管的开关损耗，抑制了电磁干扰，并获得了较高的效率。

    本文提出一种带有谐振直流环的单相软开关单位功率因数整流器，其主电路拓扑如图1所示。此电路采用二极管整流加升压斩波器的形式，升压变换器电感电流断续，PWM谐振直流环器件为MOSFET，电路由谐振电感Lr，谐振电容Cr，开关器件S1，S2，续流二极管D2，D3组成，D4将直流侧与谐振网络及交流侧隔开。

图1  单周期控制软开关Boost电路拓扑

    该拓扑结构有以下特点：

    1）PWM技术和软开关技术融为一体，不需辅助换流电路；

    2）软开关对PWM的影响小；

    3）谐振网络属于ZVT,ZCT并联谐振直流环，功率器件可实现软开关；

    4）电路拓扑简单，谐振控制开关S1，S2同步导通和关断，控制易于实现；

    5）交流端输入电流接近正弦波，功率因数接近1。

3  单周期控制技术

    单周期控制是一种非线性控制技术，该控制方法的突出特点是，无论是稳态还是暂态，它都能保持受控量(通常为斩波波形)的平均值恰好等于或正比于给定值，即能在一个开关周期内，有效地抑制电源侧的扰动，既没有稳态误差，也没有暂态误差，这种控制技术可广泛应用于非线性系统的场合，如脉宽调制、谐振、软开关式的变换器等。采用单周期控制技术，便可以有效地克服传统电压反馈控制中的缺陷，同时也不必考虑电流模式控制中的人为补偿。

    下面以Boost变换器为例来说明单周期控制技术的原理。如图1所示，假定开关频率fs=1/Ts为常数。电路开始工作时，输入时钟信号，由D触发器U3产生恒定频率的开关脉冲，同时开通S1和S2，输出电压Uo分压后的电压us经积分器U1开始积分（初始状态为零），当积分器输出电压uint达到给定值uref时，比较器U2输出高电平，D触发器（U3）发出关断信号关断S1和S2。与此同时，D触发器发出的复位信号使实时积分器复位为零，为下一周期做准备。由上面分析，可以得出下式：

    uint=usdt=ugdt=uref(1)

    如果给定参考信号uref为常数，则输出电压Uo就为常数，积分器输出电压uint的斜率直接反映了输入电压ug的变化。当输入电压ug升高，uint的上升斜率就陡，这样积分值uint达到给定信号的时间就短。从而占空比D就小；反之，当输入电压ug降低时，积分值uint达到给定信号uref的时间就长，占空比D就大。

    在单周期控制中，占空比D由下式决定：

    ugdt=uref(2) 

    采用这种非线性控制，使得us电压的平均值在每一开关周期内都与uref完全相同，并且与输入电压ug的大小无关。这样，输出电压Uo就是给定信号uref的线性函数，可以用图2来表示。

图2  给定信号为常数时的调节过程

4  仿真结果

    新推出的PSPICE9.1版本，工作于Windows9x／NT平台上，CPU仅要求是奔腾以上、32M内存、100M以上剩余硬盘空间、800×600以上显示分辨率，是功能强大的模拟电路和数字电路混合仿真EDA软件。

    应用PSPICE进行仿真，仿真电路参数如下：

    输入电压    AC 220V；

    升压电感    300μH；

    谐振电感    15μH；

    谐振电容    0.02μF；

    输出电压    450V；

    输出电容    470μF；

    开关频率    50kHz。

    图3为软开关波形图,从上到下波形依次为：

    1）输出电压Uo；

    2）谐振电容电压UCr；

    3）主功率开关管栅源电压ugs；

    4）谐振电感电流ilr；

    5）谐振电路续流二极管电流iD2（iD3）。

    从图3中可以看出，主功率开关管实现了零电流开通和零电压关断。

图3  软开关波形 

    图4为单周期控制电路波形图，从上到下波形依次为：

图4  单周期控制波形图

    1）开关脉冲信号；

    2）主功率开关管栅源电压ugs；

    3）比较器输出；

    4）积分器输出电压uint；

    5）参考电压uref。

    从图4中可以看出，当开关脉冲开通时，升压电感电流上升，主功率开关和积分器同时开通，一旦积分器输出达到参考电压，比较器输出高电平，D触发器复位，同时关断主功率开关和积分器，升压电感电流也开始下降。

    图5为输入电流和输入电压仿真波形图，从图中可以看出，交流侧电流与电压同相位，从而实现了单位功率因数。

图5  输入电压与输入电流波形

5  结语

    由以上分析可知，带有软开关的单周期控制AC/DC变换器，当工作在不连续导电模式时，输入电流波形自然地跟随输入电压波形，功率因数高，线路简单，动态响应快，效率高，预期在小功率开关电源领域内将会有广泛的应用前途。