基于单周期控制的软开关AC/DC变换器

朱艳萍

(燕山大学，河北  秦皇岛  066004）

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L_r，谐振电容C_r，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f_s=1/T_s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U_o分压后的电压u_s经积分器U₁开始积分（初始状态为零），当积分器输出电压u_int达到给定值u_ref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：

    u_int=u_sdt=u_gdt=u_ref(1)

    如果给定参考信号u_ref为常数，则输出电压U_o就为常数，积分器输出电压u_int的斜率直接反映了输入电压u_g的变化。当输入电压u_g升高，u_int的上升斜率就陡，这样积分值u_int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u_g降低时，积分值u_int达到给定信号u_ref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：

    u_gdt=u_ref(2)

    采用这种非线性控制，使得u_s电压的平均值在每一开关周期内都与u_ref完全相同，并且与输入电压u_g的大小无关。这样，输出电压U_o就是给定信号u_ref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U_o；

    2）谐振电容电压U_Cr；

    3）主功率开关管栅源电压u_gs；

    4）谐振电感电流i_lr；

    5）谐振电路续流二极管电流i_D2（i_D3）。

    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u_gs；

    3）比较器输出；

    4）积分器输出电压u_int；

    5）参考电压u_ref。

    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。