无源无损软开关在限频CRM模式APFC的应用

1 引言
随着现代电力电子技术的发展以及节能环保意识的提高。电力电子装置输入端常采用传统的不控整流电路，使输入电流脉冲化，由此引起电网谐波污染，严重影响了电网的运行。一系列谐波标准的出台催生了有源功率因数校正技术，并得到迅速发展。文献[1]提出CRM模式APFC在中小功率应用场合具有一定的优势。有源功率因数校正装置一般工作于宽输入电压范围，而由于CRM模式存在APFC的电感电流是输入电流2倍的特性，在低输入电压时引起很大的导通损耗和关断损耗。[2,3]
降低损耗，提高效率是开关电源优于线性电源的主要特点。降低关断损耗，软开关是一种不错的选择，目前主要有：有源软开关技术和无源软开关技术两种。由于无源软开关技术不需要辅助开关管及其控制电路，因此具有可靠性高以及高性价比等特点。限频CRM模式APFC中无源无损软开关通过降低du/dt来获得零电压关断，并对减小EMI也有所帮助，但无法消除开关管容性开通损耗。[4,5]
2 无源无损软开关的理论分析
2.1 无源无损软开关拓扑选用
限频CRM模式APFC的功率Mosfet零电流开通，不存在功率二极管反向恢复及开关管开通损耗。因此，不需要在Mosfet、二极管和Boost电感组成的割集插入小的谐振电感。对于关断损耗，只需采用零电压关断电路，最简单的方式就是在Mosfet的D-S端外并谐振电容Cr以降低du/dt。此外，还需另加一些无源元件，实现导通时Cr上能量的回馈。图1为采用的无源无损软开关电路拓扑。[4]
2.2 无源无损软开关过程分析
为分析方便，以开关管导通过程行将结束时作为软开关初始状态 （如图2所示，粗线表示实际工作电路，下同）进行分析。[6,7]
阶段1(t0-t1)阶段1(t0-t1)软关断：电感电流iL通过Dsl把谐振电容Cr两端电压从0充到μCr(t1) μCs(0-)=Uo的过程（图3所示）。
初态：，UCr(0-)=0，iLr(0-)=0，，其中ω为电网频率，Uin-rms为电网电压有效值，Po=300W为输出功率，η=0.9为预测变换效率，t'为与工频电网周期相关的时间，只决定阶段1时iL的初始状态，与开关周期t无关。
图3(b)为阶段1等效电路，软开关工作过程如下：
(1)
(2)
其中，，。
终态：令，则
t1=[arc--θ]/ω01
μCr(t1)=Uo-μCs(t0-)
记iCr(t1)=iCr-t1。
阶段2(t1-t2)：电感电流同时对Cr、Cs充电，把两者分别充电到Uo和0的阶段。初态为上一阶段的终态。
图4(b)所示为阶段2等效电路，软开关工作过程如下：
(3)
(4)
(5)
(6)
其中，

，
。
终态：t2-t1=/ω02，
μCs(t2-)=0，μCr(t2-)=Uo，iL(t2-)=0。
阶段3(t2-t3)：正常关断状态，软开关脱离主电路，软开关各元件维持原状态。
阶段4(t3-t4)谐振电容Cr恢复：Cr上的能量通过Ds2，Cs，开关管T与电感Lr谐振，到Cr电压为0结束。初态为阶段2终态。
图6(b)所示为阶段4等效电路，软开关工作过程如下：
(7)
(8)
(9)
其中，，
终态：
(10)
，
阶段5(t4-t5)电感Lr恢复：Lr上的能量通过Ds2、Ds1与Cs谐振，到Lr电流为0结束。初态为上一阶段终态。
图7(b)所示为阶段5等效电路，软开关工作过程如下：
(11)
(12)
其中，，
终态：
(13)

阶段6(t5-t6)：正常导通阶段，软开关电路完全脱离主电路，谐振电路各元件维持原状态。
当电感电流过小时，上述阶段1与2会进入非正常状态。在正常工作状态下，上述软开关各工作阶段之间主要电压电流波形可以用图8表示。