基于图腾柱PFC的扩展ZVS范围并保留裕量的方法技术

本发明专利技术公开了一种基于图腾柱PFC的扩展ZVS范围并保留裕量的方法，通过控制辅助开关管额外导通解决了主开关无法通过自然谐振实现零电压开通的问题，针对变换器在数字化的实现过程中，CRM模式下传统变导通时间控制由于额外导通时间所对应的大量复杂数学运算严重影响算法执行效率的问题，通过线性拟合的思想对其进行简化，在变换器数字化的实现过程中降低了数字控制算法的实现难度，提高了算法的执行效率，提升了变换器的整体性能。本发明专利技术的方法中，采用合理的线性化近似方法在留有ZVS时间裕量的基础上得到了额外导通时间新的简易线性表达式，拓展了ZVS范围保证了实现ZVS的可靠性。靠性。靠性。

Method of expanding ZVS range and retaining margin based on totem pole PFC

【技术实现步骤摘要】
基于图腾柱PFC的扩展ZVS范围并保留裕量的方法


[0001]本专利技术属于功率因数校正
，具体涉及一种新型基于图腾柱PFC的扩展ZVS范围并保留裕量的方法。

技术介绍

[0002]以开关电源为代表的电力电子装置给社会生活带来了极大的进步，但同时也带来了电网电流谐波污染以及功率因数低的问题。针对这一问题，行业内对于75W以上的开关电源，要求其带有功率因数校正功能以提高电能利用率和网侧电流质量。有源功率因数校正技术能够实现低的谐波含量和高的功率因数从而满足现行最严格的标准，因此其应用十分广泛。
[0003]传统PFC电路由二极管整流桥加Boost电路组成，但其适用于低功率且对效率要求不高的场合。随着经济生活的发展对AC/DC电源提出了更高的效率要求，因此学者们提出了一些无桥式PFC电路。在诸多的无桥式PFC电路中图腾柱PFC电路以其简单的对称性拓扑、较高的转换效率而得到了长远的发展。文献1(L.Huber,J.Yungtaek,and M.M.Jovanovic,“Performance evaluation of bridgeless PFC boost rectifiers,”IEEE Trans.Power Electron.vol.23,no.3,pp.1381
–
1390,May 2008)中指出由于MOSFET体二极管反向恢复的影响导致开关损耗较大，因而此电路往往工作在临界导通模式(Critical Conduction Mode，CRM)下。但随着第三代宽禁带半导体器件的应用，反向恢复问题完全可以忽略，该电路的工程化应用更为深入。文献2(B.Su,J.Zhang and Z.Lu,"Totem
‑
Pole Boost Bridgeless PFC Rectifier With Simple Zero
‑
Current Detection and Full
‑
Range ZVS Operating at the Boundary of DCM/CCM,"in IEEE Transactions on Power Electronics,vol.26,no.2,pp.427
‑
435,Feb.2011)中说明了工作在临界导通模式下的图腾柱PFC电路不能在交流输入电压下实现开关管的全范围ZVS，因此较高频率场合下其转换效率将受限。
[0004]同时文献2在恒定导通时间控制下采用了额外导通辅助管子的方法去扩展ZVS，但是它的缺点是输入电流总谐波失真率大，变换器的功率因数不高。文献3(Z.Huang,Z.Liu,Q.Li and F.C.Lee,"Microcontroller based MHz totem
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pole PFC with critical mode control,"2016IEEE Energy Conversion Congress and Exposition(ECCE),Milwaukee,WI,2016,pp.1
‑
8)中采用数字化变导通时间控制方法去实现开关管的全范围ZVS，其根据输入电压、输出电压以及输出功率的大小能够相应地调节开关管导通时间从而实现全范围ZVS。此方法解决了文献[2]存在的问题，但其额外导通时间的表达式以及与ZVS时间裕量之间的关系较为繁琐，因此实现较为复杂且占用较多的处理器资源。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种基于图腾柱PFC的扩展ZVS范围并保留裕量的方法，针对传统CRM模式下变导通时间控制图腾柱PFC变换器，在数字控制算法中额外导通时间所对应
的大量复杂数学运算严重影响算法执行效率的问题，通过线性拟合的思想对其进行简化，从而提高算法的执行效率提升变换器的整体性能。
[0006]本专利技术所采用的技术方案是，一种基于图腾柱PFC的扩展ZVS范围并保留裕量的方法，所采用的主电路拓扑为图腾柱无桥式PFC电路，其中高频桥臂的开关管S1、S2是以高频动作的GaN开关管，工频桥臂的开关管S3、S4是以电网频率动作的MOS管，交流输入电压v
g
的L端经由电感器L连接到高频桥臂中点，N端直接连接到工频桥臂中点，输出滤波电容C和负载R并联后跨接在桥臂两端，具体实现步骤如下：
[0007]由于图腾柱PFC变换器在输入电压正负半周期内，开关管S1、S2对称运行具有相同的开关状态，以下步骤中以图腾柱PFC变换器在输入电压正半周期工作，开关管S2为主开关，开关管S1为同步整流管进行说明：
[0008]步骤1、计算开关管S2两端漏源电压，判断开关管S2是否能够通过自然谐振实现ZVS开通；
[0009]步骤2、针对开关管S2无法通过自然谐振实现ZVS开通的情况，给予开关管S1额外导通一段时间实现开关管S2的ZVS开通，并计算理想状态下开关管S1的最小额外导通时间；
[0010]步骤3、采用线性拟合思想简化最小额外导通时间计算方程，并计算线性方程的斜率；
[0011]步骤4、通过计算实际运行过程中开关管S2的ZVS时间裕量，确定额外导通时间的计算方程；
[0012]步骤5、采用线性拟合的思想简化额外导通时间计算方程，计算额外导通时间近似值；
[0013]步骤6、给予开关管S1步骤5中计算得到的近似额外导通时间，实现拓展主开关管S2的ZVS范围并保留裕量，同理，在输入电压负半周期内，给予开关管S2步骤5中计算得到的近似额外导通时间，实现拓展主开关管S1的ZVS范围并保留裕量。
[0014]本专利技术的特点还在于，
[0015]步骤1中开关管S2两端漏源电压的计算过程如下：
[0016]根据基尔霍夫电压定律和电流定律可以得到谐振阶段谐振电路的状态方程如下：
[0017]定义基尔霍夫电压定律为：
[0018]定义电流定律为:
[0019]由以上两式推导得到开关管S2两端漏源电压v
DS2
的计算方程：
[0020]v
DS2
(t)＝V
o
cosωt+v
g
(t)(1
‑
cosωt)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0021]式(1)
‑
(3)中，i
L
是输入电感电流，v
DS1
、v
DS2
分别为开关管S1、S2两端漏源电压，C
DS1
、C
DS2
分别为开关管S1、S2输出的结电容，V
o
为输出电压，v
g
(t)为输入电压，t为电路实际运行过程所对应的时间，C
DS1
＝C
DS2
＝C
OSS
，ω为谐振角频率：
[0022][0023]式(4)中，(L、C
OSS
)为电路参数，C...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于图腾柱PFC的扩展ZVS范围并保留裕量的方法，所采用的主电路拓扑为图腾柱无桥式PFC电路，其中高频桥臂的开关管S1、S2是以高频动作的GaN开关管，工频桥臂的开关管S3、S4是以电网频率动作的MOS管，交流输入电压v
g
的L端经由电感器L连接到高频桥臂中点，N端直接连接到工频桥臂中点，输出滤波电容C和负载R并联后跨接在桥臂两端，其特征在于，具体实现步骤如下：由于图腾柱PFC变换器在输入电压正负半周期内，开关管S1、S2对称运行具有相同的开关状态，以下步骤中以图腾柱PFC变换器在输入电压正半周期工作，开关管S2为主开关，开关管S1为同步整流管进行说明：步骤1、计算开关管S2两端漏源电压，判断开关管S2是否能够通过自然谐振实现ZVS开通；步骤2、针对开关管S2无法通过自然谐振实现ZVS开通的情况，给予开关管S1额外导通一段时间实现开关管S2的ZVS开通，并计算理想状态下开关管S1的最小额外导通时间；步骤3、采用线性拟合思想简化最小额外导通时间计算方程，并计算线性方程的斜率；步骤4、通过计算实际运行过程中开关管S2的ZVS时间裕量，确定额外导通时间的计算方程；步骤5、采用线性拟合的思想简化额外导通时间计算方程，计算额外导通时间近似值；步骤6、给予开关管S1步骤5中计算得到的近似额外导通时间，实现拓展主开关管S2的ZVS范围并保留裕量，同理，在输入电压负半周期内，给予开关管S2步骤5中计算得到的近似额外导通时间，实现拓展主开关管S1的ZVS范围并保留裕量。2.根据权利要求1所述的一种基于图腾柱PFC的扩展ZVS范围并保留裕量的方法，其特征在于，步骤1中开关管S2两端漏源电压的计算过程如下：根据基尔霍夫电压定律和电流定律可以得到谐振阶段谐振电路的状态方程如下：定义基尔霍夫电压定律为：定义电流定律为:由以上两式推导得到开关管S2两端漏源电压v
DS2
的计算方程：v
DS2
(t)＝V
o
cosωt+v
g
(t)(1
‑
cosωt)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)式(1)
‑
(3)中，i
L
是输入电感电流，v
DS1
、v
DS2
分别为开关管S1、S2两端漏源电压，C
DS1
、C
DS2
分别为开关管S1、S2输出的结电容，V
o
为输出电压，v
g
(t)为输入电压，t为电路实际运行过程所对应的时间，C
DS1
＝C
DS2
＝C
OSS
，ω为谐振角频率：式(4)中，(L、C
OSS
)为电路参数，C
OSS
为GaN开关管输出结电容，L为输入电感。3.根据权利要求1所述的一种基于图腾柱PFC的扩展ZVS范围并保留裕量的方法，其特征在于，步骤1中开关管S2是否能够通过自然谐振实现ZVS开通的判断方法如下：
通过式(3)得到v
DS2
谐振的谷值为2v
g
(t)
‑
V
o
，其临界值是V
o
/2；若输入电压v
g
(t)≤V
o
/2时，v
DS2
在谐振过程中可以自然谐振到零，开关管S2可以实现ZVS开通；若输入电压v
g
(t)＞V
o
/2时，v
DS2
在谐振过程中无法自然谐振到零，此时开关管S2无法实现ZVS开通。4.根据权利要求1所述的一种基于图腾柱PFC的扩展ZVS范围并保留裕量的方法，其特征在于，步骤2中开关管S1的最小额外导通时间的计算方程如下：给予开关管S1额外导通一段时间后，结合额外导通时间内的图腾柱PFC变换器的状态轨迹图以及谐振阶段的状态轨迹方程，利用数型结合的思想可以得出v
g
(t)＞V
o
/2时，开关管S2的漏源电压v
DS2
刚好谐振到零时所对应的最小额外导通时间t
e_min
；得到的最小额外导通时间t
e_min
的计算方程如下：最小额外导通时间t
e_min
值由采样到的输入电压、输出电压以及电路参数(L、C
OSS
)决定。5.根据权利要求4所述的一种基于图腾柱PFC的扩展ZVS范围并保留裕量的方法，其特征在于，步骤3中得到的线性方程斜率的计算步骤如下：令t
e_min
'为最小额外导通时间t
e_min
近似值，则可以得到t
e_min
'的线性方程如下：t
e_min
'＝kv
g
(t)
‑

【专利技术属性】
技术研发人员：安少亮，张琪琦，王马哲，杨冲，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：