软开关单相功率因数校正器7.2版优化

软开关技术在单相和三相功率因数校正器中的应用一直是电力电子技术的研究热点之一。电力电子器件软开关技术可以分为不需要辅助开关管的无源缓冲技术和需要辅助开关管的有源软开关技术，无损缓冲和有损缓冲是两种主要的无源软开关技术。无损缓冲和有损缓冲的区别在于缓冲器件上的能量是否可以在主电路中循环使用还是需要阻性元件消耗。无源缓冲开通的一般原理是在开关管的开通支路上串联电感，以限制开通电流上升率；无源缓冲关断的一般原理是在开关管上并联电容，以限制关断时开关管电压上升率。一般来说，无源缓冲技术无法取得真正的零电压开关（ZVS）或零电流开关（ZCS），对于电路损耗的减少是有限的，在开关频率较高的场合，一般不采用无源缓冲电路。

在各种单相功率因数校正器拓扑中，图7-4所示的Boost型PFC变换器电路由于具有输入电流连续、电流波形畸变小、输入电流脉动小，以及采用共源极驱动电路等优点，在工业界具有广泛的应用。

图7-4 Boost型单相PFC变换器电路

对于Boost型单相PFC变换器，根据输入电感中的电流是否在一个开关周期减小到零，可以分为电流连续模式（CCM）和电流断续模式（DCM）。此外，还有介于两者之间的电流临界模式（CRM），但是CRM需要变频工作，因此在控制上与普通的PFC有很大的不同。

工作在CCM下的优点是：输入电流的纹波会比较小，EMI滤波器也可以比较小，变换器中开关管和二极管的电流应力也比较小。CCM的缺点是：输入电感值比较大，存在着比较严重的二极管反向恢复问题，会产生较大的开关损耗。(www.xing528.com)

而DCM的优缺点正好和CCM相反。其优点是：输入电感值比较小，并且不存在二极管的反向恢复问题。其缺点是：输入电流的纹波很大，需要较大的EMI滤波器，变换器中开关管和二极管中的最大电流可以达到同等功率CCM变换器中的两倍，因此在输出同等功率情况下，所使用的元器件的功率等级比较大。一般对于输出功率在1kW以上等级的变换器，CCM比DCM具有相对的优越性。

对于工作在CCM下的Boost型PFC变换器，除了开关损耗外，二极管的反向恢复也是一个严重的问题。在图7-4所示的Boost型PFC变换器中，因为电路通常工作在几十到上百千赫的开关频率，所以必须采用超快恢复二极管。目前，工作在600～1200V电压等级的通常为硅PiN二极管，硅PiN二极管是一种少子器件，在正向导通的过程中，会储存大量少数载流子，在二极管关断之前，这些储存的少数载流子必须和多数载流子复合，这会引起反向恢复电流，增加关断损耗。在主开关管开通，二极管中的电流向主开关管换流的过程中，由于二极管的自身特性，二极管在流过的电流到零后不会马上截止，而是要流过一个反向恢复电流，经过一个反向恢复时间，二极管的电流才会截止。在二极管的反向恢复过程中，输出电容、二极管和开关管组成了一个闭合回路，回路的阻抗非常小，而输出电容上的电压很高，通常在400V左右，因此由反向恢复引起的电流非常大，可以达到主开关管正常工作电流的十几倍，图7-5所示为实验得到的硬开关Boost型PFC中开关管上的电压和电流波形，从图7-5中可以看到，开关管在导通时会有一个很大的电流尖冲。由于在反向恢复过程中，加在主开关管上的电压为输出电容的电压（通常为400V左右），并且开关管工作在很高的频率，二极管的反向恢复会在主开关管上引起可观的开关损耗，并且在短暂的反向恢复时间内，电路中电流的变化率非常大，过高的di/dt会引起严重的EMI问题。

图7-5 硬开关Boost型PFC变换器中开关管上的电压和电流波形

因此，在软开关的PFC技术中，抑制二极管的反向恢复，始终是一个非常重要的问题。在过去的二十几年中，有许多优秀的拓扑被提出，有的可以有效抑制二极管的反向恢复，有的拓扑除了抑制二极管的反向恢复外，还能够实现开关管的软开关，减少开关损耗，使得变换器的效率进一步提高。下面对各种软开关拓扑分别进行论述。