BOOST软开关技术综述

BOOST软开关技术综述

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。

1.零电压开关(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。

电路优点在于主开关S1实现了ZVS开通，辅助开关S2实现了ZV．ZCS关断，二极管D1的反向恢复得到抑制，以上几点都可以显著提高电路效率。电路不足之处是辅助开关硬开通，主开关电流应力比较大。

图9所示电路结构与电路的工作方式比较特殊。主开关S1关断后，其寄生电容被恒流充电至输出电压Vo，为辅助开关S2提供ZV—ZCS关断，此时二极管D。及D4导通；开关S2关断后，电感L与开关S2寄生电容发生谐振至开关S2两端电压等于Vo，二极管D3导通；当流过电感L的电流减少至零时，电感L与开关S1、S2的寄生电容谐振，谐振结束时，开关S1和S2两端电压与流过两开关的

电流均为零，开关S1和S2实现了ZV-ZCS开通。

此电路的优点是开关S1、S2实现ZV-ZCS开通，开关S1实现了ZVS关断，二极管的反向恢复得到抑制，开关电压电流应力较小，电路结构简单。不足之处是电感L始终有电流流过，导致电流中环流较大，会增大通态损耗。

3 .零电流开关(ZCS)PWM功率因数校正电路

ZCS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电流在开启或关断过程中维持为零。

从图10电路及波形图可以看出，主开关S1首先开通，通过开关S1的电流逐渐增加至输入电流值，此时二极管D1、D2关断，电容Cr反向充电至Vo；辅助开关S2开通后，电容Cr与Lr2谐振，当电容Cr两端电压降至零时，二极管D1导通，电容Cr与电感Lrl、Lr2谐振至开关S1、S2反并二极管开通，两开关实

现ZCS关断。