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双重单级PFC软开关变换器

2013-8-25 16:57| 发布者: lfcx| 查看: 240| 评论: 0|来自: 网络

摘要: 近年来,随着智能电网、微电网的快速发展,电网对电力电子装置提出了更高的要求,希望开关变换器能在一级同时实现高功率因数、高效率、大功率输出。为满足高效率的要求,必须减少其损耗,最好的方法是软开关。软开关 ...

 模态4[t3~t4] V3和V4均关断,V2继续开通,V1开通,VD1,VD3,VD5,VD6,VD8正向导通,VD2,VD4,VD7反向截止。Uin和L1继续给C3充电,iL1线性下降。在此开关模态中,VDr1导通,加在V1上的电压为零,所以V1能ZVS开通。流过VD5,VD6的电流之和等于iL3,当VD6上的电流等于iL3时,VD5反向关断,下半单元的电路状态与模态1中状态相同,此模态结束。
    模态5[t4~t5] V3和V4均关断,V2继续开通,V1开通,VD1,VD3,VD6,VD8正向导通,VD2,VD4,VD5,VD7反向截止。Uin和L1继续给C3充电,iL1线性下降,iLr1在uLr1=-uC1-uLm1作用下线性上升,而iLr2在uLr2=-uC2-uLm2作用下线性下降。下半单元的电路状态与模态1中状态相同,此模态结束。
    模态6[t5~t6] V3和V4均关断,V2关断,V1继续开通,VD1,VD3,VD6,VD8正向导通,VD2,VD4,VD5,VD7反向截止。上半单元电路状态与模态5中状态相同,Uin和L2继续给C4充电,iL2线性下降。在t6时刻V2关断,T2的初级电压uLm2+uLr2=uC4-uCV4,iLr2给CV4反向充电,在t6时刻,使uCV4降为uC4,uLm2≈0,次级电压也等于零。VD7开始正向导通,此模态结束。
    模态7[t6~t7] V3和V4均关断,V2关断,V1继续开通,VD1,VD3,VD6,VD7,VD8正向导通,VD2,VD4,VD5反向截止。上半单元电路状态与模态5中状态相同,Uin和L2继续给C4充电,iL2线性下降。VD7,VD8同时导通,uLm2被箝位在零。故iLm2恒定,VD7上电流iVD2增加,而VD8上电流iVD8减少。同时,由于谐振的作用,CV4一直被反向充电,一直到uCV4=0。此时VDr4正向导通。为V4的ZVS导通创造了条件,此模态结束。
    模态8[t7~t8] V3和V2关断,V4导通,V1继续开通,VD1,VD3,VD6,VD7正向导通,VD2,VD4,VD5,VD8反向截止。上半单元的电路状态与模态5中状态相同,Uin和L2继续给C4充电,iL2线性下降。由于VDr4正向导通,V4能实现ZVS开通,流过VD7和VD8的电流之和等于iL4当流过VD7的电流等于iL4时,VD8反向截止,此模态结束。
    双重单级PFC软开关变换器后半个开关周期(t9~t16)与前半个开关周期(t1~t8)类似。

3 参数设计
3.1 实现高功率因数的条件
    
在单级PFC变换器中,当PFC变换器工作在断续电流模式(DCM)下时,输入电流基本上能跟随输入电压变化,实现其固有的PFC功能。为使PFC变换器工作在DCM下,必须满足以下条件:
    b.JPG
    式中:L1为PFC升压电感;Ro为输出负载阻抗,Ro=24 Ω;Uo为输出电压,Uo=48 V;Ts=10μs;η为变换器效率;uC为中间储能电容上的电压,uC=450V;D为占空比,D=0.28。
    由式(1),(2)可知,选L1=L2=0.5 mH时可达到高功率因数校正的目的。
3.2 主开关管的选择
    
主开关管的最大电压值为:
    c.JPG
    式中:Lm为励磁电感;C为箝位电容;fs为开关频率;N为变压器的匝数比。
    主开关管的最大电流值IV3max=4.4 A。此处选择的主开关管是2SK1358,漏源电压为900 V,最大漏极电流为9 A。
3.3 箝位开关管的选择
    
箝位开关管的最大电压值为:UdsV2_max=Uin+NUo/(1-D)=587 V,其最大电流值IV2max=3.4 A。取最大电流的两倍裕量,即6.8 A,取电压的1.5倍裕量,即881 V,此处选择的箝位开关管是2SK1358。
3.4 实现ZVS的条件
    
为确保主开关管实现ZVS,当主开关管开通时,其体电容上电压必须为零。因此储存在Lr1中的能量必须大于储存在CV3中能量。Lr1≥ CV3(Uin+uC)2/iLr12。根据2SK1358数据手册,CV3≈800 pF,Uin=450 V,iLr1=4.4 A,故Lr1=Lr2=15μH时可实现ZVS。

4 实验结果分析
    
基于图1拓扑制作了一台额定输出功率为96 W,输入交流电压在165~265 V变化,输出电压恒定在48 V,额定输出电流为2 A的样机。图3a示出输入电流、电压和输出电压波形,可见,输入电流基本上与输入电压同相位,达到了高功率因数校正的目的;输出电压稳定在48 V,达到预期效果。图3b,c示出V1~V4的驱动和漏源电压波形,可见,V1~V4均是在零电压下实现开通与关断的。

d.JPG


    图3d示出变换器功率因数和效率曲线,可见,在额定值下变换器功率因数为0.988,效率为93.97%,该变换器具有高功率因数和高效率。

5 结论
    
提出了一种新颖的双重单级PFC软开关变换器,所有的功率开关管都实现了ZVS开通,且电压和电流应力较小,同时实现了高功率因数校正。通过分析,给出了关键参数的设计要求,然后搭建了一台输出为48 V/2 A,96 W的实验样机,在额定值下变换器功率因数为0.988,变换器效率为93.97%。实验结果与理论分析结果相符。

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