CN111934567B - 一种左右交替辅助换流的无桥双Boost功率因数校正整流器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种左右交替辅助换流的无桥双Boost功率因数校正整流器，可实现主回路开关和辅助回路开关的的ZVS导通。全控型开关替代基本无桥电路的整流二极管，主回路具有两种充能态。交替工作的辅助回路实现励磁电流双向复位，因而减小了变压器磁芯体积。变压器副边绕组耦合减小了辅助换流二极管电压应力。

Description

一种左右交替辅助换流的无桥双Boost功率因数校正整流器

技术领域

本发明涉及电力电子变流技术领域，尤其涉及一种左右交替辅助换流的无桥双Boost功率因数校正整流器。

背景技术

在众多的PFC电路中，Boost变换器因其结构简单、输入电流连续和特性统一性强得到广泛的应用。其中无桥Boost PFC通过减少工作回路上半导体器件的数量来降低导通损耗，达到提高效率的目的。但无桥PFC中的开关损耗问题突出，当提高开关频率时，电路中的开关损耗会随之增大，尤其是当电路工作在CCM时，续流二极管的反向恢复电流将会增大开关管的开通损耗。为了降低开关损耗和动态开关应力，实现高开关频率操作，辅助谐振换流极软开关拓扑结构不影响原主回路工作模式，不增加开关应力，得到了广泛关注。

1990年R.De Doncker开创性地提出了电容分压型辅助谐振极拓扑，因体积大，中性点易变化逐渐被电感分压型辅助谐振极拓扑取代。但电感分压型辅助谐振极拓扑存在励磁电流复位问题。基于双耦合电感实现的零电压转换逆变器ZVT-2CI实现了励磁电流的单向复位，使其辅助电路的变压器铁芯避免了饱和，且直流输出电流条件可工作。可是，ZVT-2CI逆变器系列中存在三类问题：1)辅助回路的开关ZCS开通，只能使用EOSS，即等效输出电容储能较小的IGBT器件，导通损耗与EMI不可忽视；2)励磁电流单向复位，导致选用的变压器磁芯体积大，且需要两套辅助回路实现双向电流输出下的主开关辅助换流工作；3)辅助换流二极管无钳位措施，过充振铃引起电压应力高及EMI。4)高频应用中，主回路小占空比下，换流准备时间不足。

发明内容

为解决现有技术的缺点和不足，提供一种左右交替辅助换流的无桥双Boost功率因数校正整流器，可实现主回路开关和辅助回路开关的的ZVS导通。全控型开关替代基本无桥电路的整流二极管，主回路具有两种充能态。交替工作的辅助回路实现励磁电流双向复位，因而减小了变压器磁芯体积。变压器副边绕组耦合减小了辅助换流二极管电压应力。

为实现本发明目的而提供的一种左右交替辅助换流的无桥双Boost功率因数校正整流器，包括有第一主开关管S₁、第二主开关管S₂、第三主开关管S₃、第四主开关管S₄、滤波电感T_f1、滤波电感T_f2、交流电源V_AC、直流电源V_DC、辅助电源V_AUX、第一换流二极管D_N1、第二换流二极管D_N2、第三换流二极管D_N3、第四换流二极管D_N4、辅助换流变压器原边绕组T₁、变压器副边第一绕组T₂、辅助换流变压器副边第二绕组T₃、辅助变压器副边第三绕组T₄、辅助换流变压器副边第四绕组T₅、谐振电感L_r1、谐振电感L_r2、第一辅助开关管S_a1、第二辅助开关管S_a2、第三辅助开关管S_a3、第四辅助开关管S_a4、左换流辅助电路的超前桥臂AC-Lead、左换流辅助电路的滞后桥臂AC-Lag，所述第一主开关管S₁的源极、第二主开关管₂漏极相连于P点，构成主开关左桥臂；第三主开关管S₃的源极、第四主开关管S₄的漏极相连于Q点，构成主开关右桥臂；滤波电感T_f1的一端与交流电源V_AC的L端相连，另一端与P点相连；滤波电感T_f2的一端与交流电源V_AC的N端相连，另一端与Q点相连；第一换流二极管D_N1的正极与变压器副边第一绕组T₂的同名端相连，第二换流二极管D_N2的负极与辅助换流变压器副边第二绕组T₃的异名端相连；第三换流二极管D_N3的正极与变压器副边第三绕组T₄的异名端相连，第四换流二极管D_N4的负极与辅助换流变压器副边第四绕组T₅的同名端相连；辅助换流变压器副边第一绕组T₂的异名端、辅助换流变压器副边第二绕组T₃的同名端相连于点O₁，辅助换流变压器副边第三绕组T₄的同名端、辅助换流变压器副边第四绕组T₅的异名端相连于点O₂；第一主开关管S₁的漏极，第三主开关管S₃的漏极，第一换流二极管D_N1的负极，第三换流二极管D_N3的负极，与直流电源V_DC正极相连；第二主开关管S₂的源极，第四主开关管S₄的源极，第二换流二极管D_N2的正极，第四换流二极管D_N4的正极，与直流电源V_DC的负极相连；谐振电感L_r1的一端和主开关左桥臂的中点P点相连，另一端和O₁相连；谐振电感L_r2的一端和主开关右桥臂的中点Q点相连，另一端和O₂相连；第一辅助开关管S_a1的源极和第二辅助开关管S_a2的漏极相连于R点，这两个开关管构成左换流辅助电路的超前桥臂AC-Lead；第三辅助开关管S_a3的源极和第四辅助开关管S_a4的漏极相连于W点，这两个开关管构成左换流辅助电路的滞后桥臂AC-Lag；第一辅助开关管S_a1的漏极和第三辅助开关管S_a3的漏极与辅助电源V_AUX的正极相连，辅助电源V_AUX的负极与第二辅助开关管S_a2的源极，第四辅助开关管S_a4的源极相连；辅助换流变压器原边绕组T₁的异名端与超前辅助开关桥臂的中点R点相连，同名端与滞后辅助开关桥臂的中点W点相连；辅助换流变压器原边绕组T₁的匝数与第一绕组T₂的匝数比为1/n；辅助换流变压器原边绕组T₁的匝数与第二绕组T₃的匝数比为1/n。

作为上述方案的进一步改进，当所述主回路开关S₁，S₄导通，S₂，S₃关断的状态称为释能态A；主回路开关S₂，S₃导通，S₁，S₄关断的状态称为释能态B；主回路开关S₂，S₄导通，S₁，S₃关断的状态称为充能态Ⅰ；主回路开关S₁，S₃导通，S₂，S₄关断的状态称为充能态Ⅱ；一个正常开关周期，包括释能态A或释能态B，充能态Ⅰ或充能态Ⅱ；一个扩展开关周期(Ⅰ⁺或Ⅱ⁺)，只包括充能态Ⅰ或充能态Ⅱ，其持续时间为一个开关周期时间；对于一个交流电压周期，称L正N负的半周期为正半周期；称L负N正的半周期为负半周期；正半周期释能态只为A，充能态Ⅰ或Ⅱ皆可；负半周期释能态只为B，充能态Ⅰ或Ⅱ皆可；称正负(负正)半周期转换过程电流过零点后一个开关周期为过渡工作时段；称除过渡工作时段外的其工作时段为正常工作时段；正常工作时段内，正半周期，控制安排奇数个开关周期，AⅡ开关周期与AⅠ开关周期为一组，循环重复，AⅠ开始AⅡ结束；负半周期，控制安排奇数个开关周期，BⅠ开关周期与BⅡ开关周期为一组，循环重复，BⅡ开始BⅠ结束；在正常工作时段内，由释能态到充能态的换流过程中，辅助回路参与主回路开关换流，实现零电压开关换流，有四种工作过程，分别称为：A左换流续流A→I，A右换流续流A→II，B右换流续流B→I，B左换流续流B→II；在过渡工作时段内，主回路开关换流在一个开关周期内没有发生换流，呈现扩展开关周期(Ⅰ⁺或Ⅱ⁺)状态。

作为上述方案的进一步改进，在V_AC交流电源L极正N极负的正半周期内，辅助换流过程包括A左换流续流A→I和A右换流续流A→II，工作流程及切换时间间隔为：

一、A左换流续流A→I的演算以及推导过程如下：

交流电源L极正N极负时，工作流程及切换时间间隔为：

电路处于稳定状态，S₁、S₄、S_a2、S_a4处于导通状态，S₂、S₃、S_a1、S_a3处于关断状态；

t₀时刻，关断S_a4；

S_a4关断后延迟D_A1，开通S_a3；

开通S_a3后，延迟D_A2，关断主回路开关S₁；

关断主回路开关S₁后，延迟D_A3，开通S₂；

S₂保持导通，延时D_A4，关断S_a2

关断S_a2后，延迟D_A5，开通S_a1；

依据主回路SPWM控制，延迟所需时间后，关断S₂；

二、A右换流续流A→II的演算以及推导过程如下：

V_AC交流电源L极正N极负时，工作流程及切换时间间隔为：

电路处于稳定状态，S₁、S₄、S_a1、S_a3处于导通状态，S₂、S₃、S_a2、S_a4处于关断状态；

t₀时刻，关断S_a3；

S_a3关断后延迟，开通S_a4；

开通S_a4后，延迟D_A2，关断主回路开关S₄；

关断主回路开关S₄后，延迟D_A3，开通S₃

S₃保持导通，延时D_A4，关断S_a1

关断S_a1后，延迟D_A5，开通S_a2；

依据主回路SPWM控制，延迟所需时间后，关断S₃；

在前述工作过程中，换流前电流

和换流激励时间ΔT(I_Tf)为：

当I_Tf＝0时，

为

ΔT(I_Tf)＝T_0-1+T_1-2+T_2-3+T_3-4 (12)

其中：

在以上给出所有延迟D_A1～D_A5的表达式中，涉及到的参数分为两部分，输入量和被约束量：

输入量有：输入DC电压V_DC；辅助电压V_AUX；开关频率f_sw；主回路所有开关的寄生电容C₁＝C₂＝C₃＝C₄＝C_m-oss；辅助回路所有开关的寄生电容C_a1＝C_a2＝C_a3＝C_a4＝C_a-oss；续流二极管电容C_N1＝C_N2＝C_N3＝C_N4＝C_N；滤波电感L_Tf；变压器参数为原边匝数、磁芯、匝比1/n、滤波电感电流I_Tf、主开关可零电压开通的时段(ZVS时段)T_mZVS、换流谐振电流I_r，为谐振电流i_Lr峰值中超过负载电流的部分、辅助开关ZVS换流时间T_aZVS；

被约束量有：换流谐振电感L_r1和L_r2、激磁电感L_m、辅助回路休眠最小电流

之间的约束方程组为：

作为上述方案的进一步改进，一个正半周期内各阶段具体流程和间隔时间为：

一、A左换流续流A→I的演算以及推导过程如下：

A-Ⅰ模式1：初始续流阶段(t<t₀)：电路处于稳定状态，主开关管S₁和S₄导通；负载电流i_Tf通过S₄续流；辅助开关管S_a2、S_a4导通，激磁电流i_Lm初始值为

激磁电流i_Lm实际电流方向为流入W点；

A-Ⅰ模式2，t₀-t₁：t₀时刻，关闭滞后辅助开关管S_a4；换流电感L_r1经变压器折合到原边的电感

激磁电感L_m、辅助电容C_a3和C_a4发生谐振；辅助电容C_a3放电C_a4充电，W点电位上升；辅助换流变压器副边产生从零开始增加的谐振电流i_Lr，谐振电流i_Lr经变压器折合到原边的电流

称为原边电流；激磁电流

从初始值

开始向正方向改变；经过时间T_0-1，W点电位上升至V_AUX；

本阶段的等效辅助电容C_{A_oss}＝2C_{a_oss}为辅助开关管并联吸收电容C_a3和C_a4的并联；本阶段等效辅助电容C_{A_oss}两端电压，电流

表达式为：

其中：

的电压峰值为：

在t₁时刻，滞后桥臂达到ZVS换流条件，即

此谐振阶段的时间为:

另外，根据KCL，激磁电流

和原边电流

A-Ⅰ模式3,t₁-t₂：t₁时刻，D_a3自然导通；滞后辅助开关管S_a3达到ZVS开通条件；激磁电感L_m两端电压与电流方向反向，激磁电流和原边折合电流之和按照参考方向由负向正增加；谐振电感L_r1和L_r2中的电流i_Lr(二者相等，为谐振电流i_Lr)线性增加；t_B时刻，激磁电流减少至零，滞后辅助开关管S_a3可在时间段T_1-B之间控制导通，选择T_1-B的中间时刻t_A，导通辅助开关S_a3；

本阶段激磁电流与原边电流之和为：

其中：

在t_B时刻激磁电流与原边电流之和的值为:

辅助管S_a4的开通时间为：

谐振电流为：

其中：

V_A'_UX＝nV_AUX (32)

t₂时刻，谐振电流i_Lr的值增至最大值：

i_Lr(t₂)＝I_r+i_Tf (33)

其中：I_r为换流谐振电流，

T_1-2的持续时间为：

A-Ⅰ模式4，t₂-t₃：t₂时刻，谐振电流i_Lr的值增至最大值i_Lr-max，主开关S₁关断；换流谐振电流I_r对电容C₁充电C₂放电，P点的电位开始下降；

等效主电容为主开关管并联吸收电容C₁和C₂的并联；其两端电压

和谐振电流i_Lr表达式为：

其中：

的电压峰值表示为：

t₃时刻S₁符合ZVS换流条件，即：

本阶段持续时间为：

A-Ⅰ模式5，t₃-t₄：在t₃时刻，P点电位降至0，D₂自然导通，主开关S₂达到ZVS开通条件；t_D时刻，谐振电流

降至负载电流i_Tf，主开关管S₂可在时间段T_3-D之间控制导通，选择T_3-D的中间时刻t_C，导通主开关S₂；主开关桥臂完成软换流过程；

主开关ZVS开通阶段持续时间为：

其中：

换流电感L_r线性放电阶段持续时间为：

A-Ⅰ模式5，t₄-t₅：在t₄时刻，谐振电流i_Lr降至0A，激磁电流

按照参考方向增至

关断超前辅助管S_a2；激磁电流

对C_a1放电C_a2充电，R点电位开始上升；t₅时刻，R点电位上升至V_AUX，D_a1自然导通；

超前臂换流持续时间：

A-Ⅰ模式6，t₅之后：t₅时刻，R点电位升至V_AUX，D_a1自然导通；t_E时刻，控制导通超前辅助管S_a1的栅极；

其中，T_aZVS为系统输入量；

t_E之后，主回路处于充能态Ⅰ,辅助回路回到所述工作过程的初始状态；按照SPWM控制的需要，关断S₂，通过自然换流，主回路回到续流状态A；

二、A右换流续流A→II的演算以及推导过程如下：

A-Ⅱ模式1，t<t₆：电路处于稳定状态，主开关管S₁和S₄导通；负载电流i_Tf通过S₄续流；辅助开关管S_a1、S_a3导通，激磁电流i_Lm初始值为

激磁电流i_Lm实际电流方向为流入R点；

A-Ⅱ模式2，t₆-t₇：t₆时刻，关闭滞后辅助开关管S_a3；换流电感L_r2经变压器折合到原边的电感

激磁电感L_m、辅助电容C_a3和C_a4发生谐振；辅助电容C_a3充电C_a4放电，W点电位下降；辅助换流变压器副边产生从零开始增加的谐振电流i_Lr，谐振电流i_Lr经变压器折合到原边的电流ni_Lr称为原边电流；激磁电流i_Lm从初始值

开始按照正方向减少；经过时间T_6-7，W点电位下降至0；

本阶段的等效辅助电容C_{A_oss}＝2C_{a_oss}为辅助开关管并联吸收电容C_a3和C_a4的并联；本阶段等效辅助电容C_{A_oss}两端电压

电流

表达式为：

其中：

的电压峰值为：

在t₇时刻，滞后桥臂达到ZVS换流条件，即

此谐振阶段的时间为:

另外，根据KCL，激磁电流

和原边电流

A-Ⅱ模式3，t₇-t₈：t₇时刻，D_a4自然导通；滞后辅助开关管S_a4达到ZVS开通条件；激磁电感L_m两端电压与电流方向反向，激磁电流和原边电流之和按照参考方向线性减少；谐振电感L_r1和L_r2中的电流i_Lr(二者相等，为谐振电流i_Lr)线性增加；t_G时刻，电流减少至零，滞后辅助开关管S_a4可在时间段T_7-G之间控制导通，选择T_7-G的中间时刻t_F，导通辅助开关S_a4；

本阶段激磁电流与原边电流之和为：

其中：

在t_G时刻激磁电流与原边电流之和的值为:

辅助管S_a4的开通时间为：

谐振电流为：

其中：

V_A'_UX＝nV_AUX (65)

t₈时刻，谐振电流i_Lr的值增至最大值：

i_Lr(t₈)＝I_r+i_Tf (66)

其中：I_r为换流谐振电流。

充电阶段T_7-8的持续时间为：

A-Ⅱ模式4，t₈-t₉：t₈时刻，谐振电流i_Lr的值增至最大值i_Lr-max，主开关S₄关断；换流谐振电流I_r对电容C₁充电C₂放电，Q点的电位开始上升；

等效主电容C_{M_oss}＝2C_{m_oss}为主开关管并联吸收电容C₁和C₂的并联；其两端电压

和谐振电流i_Lr表达式为：

其中：

的电压峰值表示为：

t₉时刻，S₃符合ZVS换流条件，即：

本阶段持续时间为：

A-Ⅱ模式5，t₉-t₁₀：在t₉时刻，Q点电位升至V_DC，D₃自然导通，主开关S₃达到ZVS开通条件；t_I时刻，谐振电流i_Lr降至负载电流i_Tf，主开关管S₃可在时间段T_9-I之间控制导通，选择T_9-I的中间时刻t_H，导通主开关S₃；主开关桥臂完成软换流过程；

主开关ZVS开通阶段持续时间为：

其中：

换流电感L_r线性放电阶段持续时间为：

A-Ⅱ模式6，t₁₀-t₁₁：在t₁₀时刻，谐振电流i_Lr降至0A，激磁电流

按照参考方向反向增至

关断超前辅助管S_a1；激磁电流

对C_a1充电C_a2放电，R点电位开始近似线性下降；t₁₁时刻，R点电位下降至0，D_a2自然导通；

超前臂换流持续时间：

A-Ⅱ模式7，t₁₁之后：t₁₁时刻，R点电位下降至0，D_a2自然导通；tJ时刻，控制导通超前辅助管S_a2的栅极；

其中，T_aZVS为系统输入量；

t_J之后，主回路处于充能态Ⅱ,辅助回路回到所述工作过程的初始状态；按照SPWM控制的需要，关断S₃，通过自然换流，主回路回到续流状态A；

前述十三个模态，描述了V_AC交流电源L极正N极负的半周期内，主回路实现释能态切换到充能态Ⅰ和释能态切换到充能态Ⅱ的实现过程；其中动作的是右辅助回路，左辅助回路工作；在V_AC交流电源L极负N极正的另一个半周期内，工作机制是B右换流续流B→I，B左换流续流B→II；如上述工作，仅电流方向相反。

本发明的有益效果是：

与现有技术相比，本发明提供的一种左右交替辅助换流的无桥双Boost功率因数校正整流器，可实现主回路开关和辅助回路开关的的ZVS导通。全控型开关替代基本无桥电路的整流二极管，主回路具有两种充能态。交替工作的辅助回路实现励磁电流双向复位，因而减小了变压器磁芯体积。变压器副边绕组耦合减小了辅助换流二极管电压应力。

附图说明

以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明，其中：

附图1是本发明一种上下交替辅助换流的改进无桥双Boost功率因数校正整流器的电路；

附图2为本发明主回路两种充能态示意图，其中，充能态Ⅰ如图2(a)所示，充能态Ⅱ如图2(b)所示；

附图3为本发明交流电源L正N负时的释能态A和交流电源L负N正时的释能态B，图3(a)为L正N负的释能态A电路图；图3(b)为L负N正的释能态B电路图；

附图4为本发明改进双升拓扑运行状态切换时序图；

附图5为本发明交流电源L正N负时，释能态A回到充能态Ⅰ和Ⅱ的工作过程，其中，(a)为A-Ⅰ模式1(t<t₀)电路图；(b)为A-Ⅰ模式2(t₀-t₁)电路图；(c)为A-Ⅰ模式3(t₁-t₂)电路图；(d)为A-Ⅰ模式4(t₂-t₃)电路图；(e)为A-Ⅰ模式5(t₃-t₄)电路图；(f)为A-Ⅰ模式6(t₄-t₅)电路图；(g)为A-Ⅰ模式7(t₅-)电路图；(h)为A-Ⅱ模式1(t<t₆)电路图；(i)为A-Ⅱ模式2(t₆-t₇)电路图；(j)为A-Ⅱ模式3(t₇-t₈)电路图；(k)为A-Ⅱ模式4(t₈-t₉)电路图；(i)为A-Ⅱ模式5(t₉-t₁₀)电路图；(m)为A-Ⅱ模式7(t₁₀-t₁₁)电路图；(n)为A-Ⅱ模式7(t₁₁-)电路图；

附图6为本发明中，一个PWM开关周期内模式2等效电路图；

附图7为本发明中，一个PWM开关周期内模式3等效电路图；

附图8为本发明中，一个PWM开关周期内模式4等效电路图；

附图9为本发明电路在交流电源L正N负时，一个PWM开关周期内各个开关管的驱动脉冲信号和主要结点电压和支路电流的波形图。

具体实施方式

本发明提供的一种左右交替辅助换流的无桥双Boost功率因数校正整流器，包括有第一主开关管S₁、第二主开关管S₂、第三主开关管S₃、第四主开关管S₄、滤波电感T_f1、滤波电感T_f2、交流电源V_AC、直流电源V_DC、辅助电源V_AUX、第一换流二极管D_N1、第二换流二极管D_N2、第三换流二极管D_N3、第四换流二极管D_N4、辅助换流变压器原边绕组T₁、变压器副边第一绕组T₂、辅助换流变压器副边第二绕组T₃、辅助变压器副边第三绕组T₄、辅助换流变压器副边第四绕组T₅、谐振电感L_r1、谐振电感L_r2、第一辅助开关管S_a1、第二辅助开关管S_a2、第三辅助开关管S_a3、第四辅助开关管S_a4、左换流辅助电路的超前桥臂AC-Lead、左换流辅助电路的滞后桥臂AC-Lag。所述第一主开关管S₁的源极、第二主开关管₂漏极相连于P点，构成主开关左桥臂；第三主开关管S₃的源极、第四主开关管S₄的漏极相连于Q点，构成主开关右桥臂；滤波电感T_f1的一端与交流电源V_AC的L端相连，另一端与P点相连；滤波电感T_f2的一端与交流电源V_AC的N端相连，另一端与Q点相连；第一换流二极管D_N1的正极与变压器副边第一绕组T₂的同名端相连，第二换流二极管D_N2的负极与辅助换流变压器副边第二绕组T₃的异名端相连；第三换流二极管D_N3的正极与变压器副边第三绕组T₄的异名端相连，第四换流二极管D_N4的负极与辅助换流变压器副边第四绕组T₅的同名端相连；辅助换流变压器副边第一绕组T₂的异名端、辅助换流变压器副边第二绕组T₃的同名端相连于点O₁，辅助换流变压器副边第三绕组T₄的同名端、辅助换流变压器副边第四绕组T₅的异名端相连于点O₂；第一主开关管S₁的漏极，第三主开关管S₃的漏极，第一换流二极管D_N1的负极，第三换流二极管D_N3的负极，与直流电源V_DC正极相连；第二主开关管S₂的源极，第四主开关管S₄的源极，第二换流二极管D_N2的正极，第四换流二极管D_N4的正极，与直流电源V_DC的负极相连；谐振电感L_r1的一端和主开关左桥臂的中点P点相连，另一端和O₁相连；谐振电感L_r2的一端和主开关右桥臂的中点Q点相连，另一端和O₂相连；第一辅助开关管S_a1的源极和第二辅助开关管S_a2的漏极相连于R点，这两个开关管构成左换流辅助电路的超前桥臂AC-Lead；第三辅助开关管S_a3的源极和第四辅助开关管S_a4的漏极相连于W点，这两个开关管构成左换流辅助电路的滞后桥臂AC-Lag；第一辅助开关管S_a1的漏极和第三辅助开关管S_a3的漏极与辅助电源V_AUX的正极相连，辅助电源V_AUX的负极与第二辅助开关管S_a2的源极，第四辅助开关管S_a4的源极相连；辅助换流变压器原边绕组T₁的异名端与超前辅助开关桥臂的中点R点相连，同名端与滞后辅助开关桥臂的中点W点相连；辅助换流变压器原边绕组T₁的匝数与副边绕组T₂的匝数比为1/n；辅助换流变压器原边绕组T₁的匝数与副边绕组T₃的匝数比为1/n。

作为上述方案的进一步改进，当所述主回路开关S₁，S₄导通，S₂，S₃关断的状态称为释能态A；主回路开关S₂，S₃导通，S₁，S₄关断的状态称为释能态B；主回路开关S₂，S₄导通，S₁，S₃关断的状态称为充能态Ⅰ；主回路开关S₁，S₃导通，S₂，S₄关断的状态称为充能态Ⅱ；一个正常开关周期，包括释能态A或释能态B，充能态Ⅰ或充能态Ⅱ；一个扩展开关周期(Ⅰ⁺或Ⅱ⁺)，只包括充能态Ⅰ或充能态Ⅱ，其持续时间为一个开关周期时间；对于一个交流电压周期，称L正N负的半周期为正半周期；称L负N正的半周期为负半周期；正半周期释能态只为A，充能态Ⅰ或Ⅱ皆可；负半周期释能态只为B，充能态Ⅰ或Ⅱ皆可；称正负(负正)半周期转换过程电流过零点后一个开关周期为过渡工作时段；称除过渡工作时段外的其工作时段为正常工作时段；正常工作时段内，正半周期，控制安排奇数个开关周期，AⅡ开关周期与AⅠ开关周期为一组，循环重复，AⅠ开始AⅡ结束；负半周期，控制安排奇数个开关周期，BⅠ开关周期与BⅡ开关周期为一组，循环重复，BⅡ开始BⅠ结束；在正常工作时段内，由释能态到充能态的换流过程中，辅助回路参与主回路开关换流，实现零电压开关换流，有四种工作过程，分别称为：A左换流续流A→I，A右换流续流A→II，B右换流续流B→I，B左换流续流B→II；在过渡工作时段内，主回路开关换流在一个开关周期内没有发生换流，呈现扩展开关周期(Ⅰ⁺或Ⅱ⁺)状态。

主回路中PFC电流控制功能是主开关切换构造的滤波电感充能与释能时间比例不同实现的。由于滤波电感足够大，所以认为在一个PWM开关周期内滤波电感电流恒定不变。

交流电源L正N负时，释能态换流回到充能态，左上辅助回路与右下辅助回路供能换流。

实际工作过程

V_AC交流电源L极正N极负的正半周期内，辅助换流过程包括A左换流续流A→I和A右换流续流A→II。工作流程及切换时间间隔为：

一、A左换流续流A→I

V_AC交流电源L极正N极负时，工作流程及切换时间间隔为：

电路处于稳定状态，S₁、S₄、S_a2、S_a4处于导通状态，S₂、S₃、S_a1、S_a3处于关断状态。

t₀时刻，关断S_a4；

S_a4关断后延迟D_A1，开通S_a3；

开通S_a3后，延迟D_A2，关断主回路开关S₁；

关断主回路开关S₁后，延迟D_A3，开通S₂；

D_A3＝26.7nS (81)

S₂保持导通，延时D_A4，关断S_a2

D_A4＝(5.0I_Tf+92.5)nS (82)

关断S_a2后，延迟D_A5，开通S_a1。

依据主回路SPWM控制，延迟所需时间后，关断S₂。

二、A右换流续流A→II

V_AC交流电源L极正N极负时，工作流程及切换时间间隔为：

电路处于稳定状态，S₁、S₄、S_a1、S_a3处于导通状态，S₂、S₃、S_a2、S_a4处于关断状态。

t₀时刻，关断S_a3；

S_a3关断后延迟D_A1，开通S_a4；

开通S_a4后，延迟D_A2，关断主回路开关S₄；

关断主回路开关S₄后，延迟D_A3，开通S₃

D_A3＝26.7nS (86)

S₃保持导通，延时D_A4，关断S_a1

D_A4＝(5.0I_Tf+92.5)nS (87)

关断S_a1后，延迟D_A5，开通S_a2。

依据主回路SPWM控制，延迟所需时间后，关断S₃。

在前述工作过程中，换流前电流

和换流激励时间ΔT(I_Tf)为：

当I_Tf＝0时，

为

ΔT(I_Tf)＝T_0-1+T_1-2+T_2-3+T_3-4 (90)

其中：

T_3-4＝4.9(4.5+I_Tf)nS (93)

电路涉及到的元件参数分为两部分，输入量和被约束量：

具体元件及参数如表1所，涵盖全部输入量：

表1实施例输入量具体参数表

可得到被约束量：

换流电感L_r1＝L_r2＝L_r＝1.69μH

激磁电感L_m＝0.8μH

辅助回路休眠最小电流

以上实施例不局限于该实施例自身的技术方案，实施例之间可以相互结合成新的实施例。以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而并非对其进行限制，凡未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明技术方案的范围内。

Claims (4)

1.一种左右交替辅助换流的无桥双Boost功率因数校正整流器，其特征在于：包括有第一主开关管S₁、第二主开关管S₂、第三主开关管S₃、第四主开关管S₄、滤波电感T_f1、滤波电感T_f2、交流电源V_AC、直流电源V_DC、辅助电源V_AUX、第一换流二极管D_N1、第二换流二极管D_N2、第三换流二极管D_N3、第四换流二极管D_N4、辅助换流变压器原边绕组T₁、变压器副边第一绕组T₂、辅助换流变压器副边第二绕组T₃、辅助变压器副边第三绕组T₄、辅助换流变压器副边第四绕组T₅、谐振电感L_r1、谐振电感L_r2、第一辅助开关管S_a1、第二辅助开关管S_a2、第三辅助开关管S_a3、第四辅助开关管S_a4、左换流辅助电路的超前桥臂AC-Lead、左换流辅助电路的滞后桥臂AC-Lag，所述第一主开关管S₁的源极、第二主开关管₂漏极相连于P点，构成主开关左桥臂；第三主开关管S₃的源极、第四主开关管S₄的漏极相连于Q点，构成主开关右桥臂；滤波电感T_f1的一端与交流电源V_AC的L端相连，另一端与P点相连；滤波电感T_f2的一端与交流电源V_AC的N端相连，另一端与Q点相连；第一换流二极管D_N1的正极与变压器副边第一绕组T₂的同名端相连，第二换流二极管D_N2的负极与辅助换流变压器副边第二绕组T₃的异名端相连；第三换流二极管D_N3的正极与变压器副边第三绕组T₄的异名端相连，第四换流二极管D_N4的负极与辅助换流变压器副边第四绕组T₅的同名端相连；辅助换流变压器副边第一绕组T₂的异名端、辅助换流变压器副边第二绕组T₃的同名端相连于点O₁，辅助换流变压器副边第三绕组T₄的同名端、辅助换流变压器副边第四绕组T₅的异名端相连于点O₂；第一主开关管S₁的漏极，第三主开关管S₃的漏极，第一换流二极管D_N1的负极，第三换流二极管D_N3的负极，与直流电源V_DC正极相连；第二主开关管S₂的源极，第四主开关管S₄的源极，第二换流二极管D_N2的正极，第四换流二极管D_N4的正极，与直流电源V_DC的负极相连；谐振电感L_r1的一端和主开关左桥臂的中点P点相连，另一端和O₁相连；谐振电感L_r2的一端和主开关右桥臂的中点Q点相连，另一端和O₂相连；第一辅助开关管S_a1的源极和第二辅助开关管S_a2的漏极相连于R点，这两个开关管构成左换流辅助电路的超前桥臂AC-Lead；第三辅助开关管S_a3的源极和第四辅助开关管S_a4的漏极相连于W点，这两个开关管构成左换流辅助电路的滞后桥臂AC-Lag；第一辅助开关管S_a1的漏极和第三辅助开关管S_a3的漏极与辅助电源V_AUX的正极相连，辅助电源V_AUX的负极与第二辅助开关管S_a2的源极，第四辅助开关管S_a4的源极相连；辅助换流变压器原边绕组T₁的异名端与超前辅助开关桥臂的中点R点相连，同名端与滞后辅助开关桥臂的中点W点相连；辅助换流变压器原边绕组T₁的匝数与第一绕组T₂的匝数比为1/n；辅助换流变压器原边绕组T₁的匝数与第二绕组T₃的匝数比为1/n。

2.根据权利要求1所述的一种左右交替辅助换流的无桥双Boost功率因数校正整流器，其特征在于：当所述主回路开关S₁，S₄导通，S₂，S₃关断的状态称为释能态A；主回路开关S₂，S₃导通，S₁，S₄关断的状态称为释能态B；主回路开关S₂，S₄导通，S₁，S₃关断的状态称为充能态Ⅰ；主回路开关S₁，S₃导通，S₂，S₄关断的状态称为充能态Ⅱ；一个正常开关周期，包括释能态A或释能态B，充能态Ⅰ或充能态Ⅱ；一个扩展开关周期(Ⅰ⁺或Ⅱ⁺)，只包括充能态Ⅰ或充能态Ⅱ，其持续时间为一个开关周期时间；对于一个交流电压周期，称L正N负的半周期为正半周期；称L负N正的半周期为负半周期；正半周期释能态只为A，充能态Ⅰ或Ⅱ皆可；负半周期释能态只为B，充能态Ⅰ或Ⅱ皆可；称正负(负正)半周期转换过程电流过零点后一个开关周期为过渡工作时段；称除过渡工作时段外的其他工作时段为正常工作时段；正常工作时段内，正半周期，控制安排奇数个开关周期，AⅡ开关周期与AⅠ开关周期为一组，循环重复，AⅠ开始AⅡ结束；负半周期，控制安排奇数个开关周期，BⅠ开关周期与BⅡ开关周期为一组，循环重复，BⅡ开始BⅠ结束；在正常工作时段内，由释能态到充能态的换流过程中，辅助回路参与主回路开关换流，实现零电压开关换流，有四种工作过程，分别称为：A左换流续流A→I，A右换流续流A→II，B右换流续流B→I，B左换流续流B→II；在过渡工作时段内，主回路开关换流在一个开关周期内没有发生换流，呈现扩展开关周期(Ⅰ⁺或Ⅱ⁺)状态。

3.根据权利要求2所述的一种左右交替辅助换流的无桥双Boost功率因数校正整流器，其特征在于：在V_AC交流电源L极正N极负的正半周期内，辅助换流过程包括A左换流续流A→I和A右换流续流A→II，工作流程及切换时间间隔为：

一、A左换流续流A→I的演算以及推导过程如下：

交流电源L极正N极负时，工作流程及切换时间间隔为：

电路处于稳定状态，S₁、S₄、S_a2、S_a4处于导通状态，S₂、S₃、S_a1、S_a3处于关断状态；

t₀时刻，关断S_a4；

S_a4关断后延迟D_A1，开通S_a3；

开通S_a3后，延迟D_A2，关断主回路开关S₁；

关断主回路开关S₁后，延迟D_A3，开通S₂；

S₂保持导通，延时D_A4，关断S_a2

关断S_a2后，延迟D_A5，开通S_a1；

依据主回路SPWM控制，延迟所需时间后，关断S₂；

二、A右换流续流A→II的演算以及推导过程如下：

V_AC交流电源L极正N极负时，工作流程及切换时间间隔为：

电路处于稳定状态，S₁、S₄、S_a1、S_a3处于导通状态，S₂、S₃、S_a2、S_a4处于关断状态；t₀时刻，关断S_a3；

S_a3关断后延迟，开通S_a4；

开通S_a4后，延迟D_A2，关断主回路开关S₄；

关断主回路开关S₄后，延迟D_A3，开通S₃

S₃保持导通，延时D_A4，关断S_a1

关断S_a1后，延迟D_A5，开通S_a2；

依据主回路SPWM控制，延迟所需时间后，关断S₃；

在前述工作过程中，换流前电流

和换流激励时间ΔT(I_Tf)为：

当

时，

为

ΔT(I_Tf)＝T_0-1+T_1-2+T_2-3+T_3-4 (12)

其中：

在以上给出所有延迟D_A1～D_A5的表达式中，涉及到的参数分为两部分，输入量和被约束量：

输入量有：输入DC电压V_DC；辅助电压V_AUX；开关频率f_sw；主回路所有开关的寄生电容C₁＝C₂＝C₃＝C₄＝C_m-oss；辅助回路所有开关的寄生电容C_a1＝C_a2＝C_a3＝C_a4＝C_a-oss；续流二极管电容C_N1＝C_N2＝C_N3＝C_N4＝C_N；滤波电感L_Tf；变压器参数为原边匝数、磁芯、匝比1/n、滤波电感电流I_Tf、主开关可零电压开通的时段(ZVS时段)T_mZVS、换流谐振电流I_r，为谐振电流i_Lr峰值中超过负载电流的部分、辅助开关ZVS换流时间T_aZVS；

被约束量有：换流谐振电感L_r1和L_r2、激磁电感L_m、辅助回路休眠最小电流

之间的约束方程组为：

4.根据权利要求3所述的一种左右交替辅助换流的无桥双Boost功率因数校正整流器，其特征在于：一个正半周期内各阶段具体流程和间隔时间为：

一、A左换流续流A→I的演算以及推导过程如下：

A-I模式1：初始续流阶段(t＜t₀)：电路处于稳定状态，主开关管S₁和S₄导通；负载电流i_Tf通过S₄续流；辅助开关管S_a2、S_a4导通，激磁电流i_Lm初始值为

激磁电流i_Lm实际电流方向为流入W点；

A-I模式2，t₀-t₁：t₀时刻，关闭滞后辅助开关管S_a4；换流电感L_r1经变压器折合到原边的电感

激磁电感L_m、辅助电容C_a3和C_a4发生谐振；辅助电容C_a3放电C_a4充电，W点电位上升；辅助换流变压器副边产生从零开始增加的谐振电流i_Lr，谐振电流i_Lr经变压器折合到原边的电流

称为原边电流；激磁电流

从初始值

开始向正方向改变；经过时间T_0-1，W点电位上升至V_AUX；

本阶段的等效辅助电容C_{A_oss}＝2C_{a_oss}为辅助开关管并联吸收电容C_a3和C_a4的并联；本阶段等效辅助电容C_{A_oss}两端电压，电流

表达式为：

其中：

的电压峰值为：

在t₁时刻，滞后桥臂达到ZVS换流条件，即

此谐振阶段的时间为:

另外，根据KCL，激磁电流

和原边电流

A-Ⅰ模式3,t₁-t₂：t₁时刻，D_a3自然导通；滞后辅助开关管S_a3达到ZVS开通条件；激磁电感L_m两端电压与电流方向反向，激磁电流和原边折合电流之和按照参考方向由负向正增加；谐振电感L_r1和L_r2中的电流i_Lr(二者相等，为谐振电流i_Lr)线性增加；t_B时刻，激磁电流减少至零，滞后辅助开关管S_a3可在时间段T_1-B之间控制导通，选择T_1-B的中间时刻t_A，导通辅助开关S_a3；

本阶段激磁电流与原边电流之和为：

其中：

在t_B时刻激磁电流与原边电流之和的值为:

辅助管S_a4的开通时间为：

谐振电流为：

其中：

V′_AUX＝nV_AUX (34)

t₂时刻，谐振电流i_Lr的值增至最大值：

i_Lr(t₂)＝I_r+i_Tf (35)

其中：I_r为换流谐振电流，

T_1-2的持续时间为：

A-Ⅰ模式4，

t₂时刻，谐振电流i_Lr的值增至最大值i_Lr-max，主开关S₁关断；换流谐振电流I_r对电容C₁充电C₂放电，P点的电位开始下降；

等效主电容为主开关管并联吸收电容C₁和C₂的并联；其两端电压

和谐振电流i_Lr表达式为：

其中：

的电压峰值表示为：

t₃时刻S₁符合ZVS换流条件，即：

本阶段持续时间为：

A-Ⅰ模式5，t₃-t₄：在t₃时刻，P点电位降至0，D₂自然导通，主开关S₂达到ZVS开通条件；t_D时刻，谐振电流

降至负载电流i_Tf，主开关管S₂可在时间段T_3-D之间控制导通，选择T_3-D的中间时刻t_C，导通主开关S₂；主开关桥臂完成软换流过程；

主开关ZVS开通阶段持续时间为：

其中：

换流电感L_r线性放电阶段持续时间为：

A-Ⅰ模式5，t₄-t₅：在t₄时刻，谐振电流i_Lr降至0A，激磁电流

按照参考方向增至

关断超前辅助管S_a2；激磁电流

对C_a1放电C_a2充电，R点电位开始上升；t₅时刻，R点电位上升至V_AUX，D_a1自然导通；

超前臂换流持续时间：

A-Ⅰ模式6，t₅之后：t₅时刻，R点电位升至V_AUX，D_a1自然导通；t_E时刻，控制导通超前辅助管S_a1的栅极；

其中，T_aZVS为系统输入量；

t_E之后，主回路处于充能态Ⅰ,辅助回路回到所述工作过程的初始状态；按照SPWM控制的需要，关断S₂，通过自然换流，主回路回到续流状态A；

二、A右换流续流A→II的演算以及推导过程如下：

A-Ⅱ模式1，t<t₆：电路处于稳定状态，主开关管S₁和S₄导通；负载电流i_Tf通过S₄续流；辅助开关管S_a1、S_a3导通，激磁电流i_Lm初始值为

激磁电流i_Lm实际电流方向为流入R点；

A-Ⅱ模式2，t₆-t₇：t₆时刻，关闭滞后辅助开关管S_a3；换流电感L_r2经变压器折合到原边的电感

激磁电感L_m、辅助电容C_a3和C_a4发生谐振；辅助电容C_a3充电C_a4放电，W点电位下降；辅助换流变压器副边产生从零开始增加的谐振电流i_Lr，谐振电流i_Lr经变压器折合到原边的电流ni_Lr称为原边电流；激磁电流i_Lm从初始值

开始按照正方向减少；经过时间T_6-7，W点电位下降至0；

本阶段的等效辅助电容C_{A_oss}＝2C_{a_oss}为辅助开关管并联吸收电容C_a3和C_a4的并联；本阶段等效辅助电容C_{A_oss}两端电压

电流

表达式为：

其中：

的电压峰值为：

在t₇时刻，滞后桥臂达到ZVS换流条件，即

此谐振阶段的时间为:

另外，根据KCL，激磁电流

和原边电流

A-Ⅱ模式3，t₇-t₈：t₇时刻，D_a4自然导通；滞后辅助开关管S_a4达到ZVS开通条件；激磁电感L_m两端电压与电流方向反向，激磁电流和原边电流之和按照参考方向线性减少；谐振电感L_r1和L_r2中的电流i_Lr(二者相等，为谐振电流i_Lr)线性增加；t_G时刻，电流减少至零，滞后辅助开关管S_a4可在时间段T_7-G之间控制导通，选择T_7-G的中间时刻t_F，导通辅助开关S_a4；

本阶段激磁电流与原边电流之和为：

其中：

在t_G时刻激磁电流与原边电流之和的值为:

辅助管S_a4的开通时间为：

谐振电流为：

其中：

V′_AUX＝nV_AUX (67)

t₈时刻，谐振电流i_Lr的值增至最大值：

i_Lr(t₈)＝I_r+i_Tf (68)

其中：I_r为换流谐振电流，

充电阶段T_7-8的持续时间为：

A-Ⅱ模式4，t₈-t₉：t₈时刻，谐振电流i_Lr的值增至最大值i_Lr-max，主开关S₄关断；换流谐振电流I_r对电容C₁充电C₂放电，Q点的电位开始上升；

等效主电容C_{M_oss}＝2C_{m_oss}为主开关管并联吸收电容C₁和C₂的并联；其两端电压

和谐振电流i_Lr表达式为：

其中：

的电压峰值表示为：

t₉时刻，S₃符合ZVS换流条件，即：

本阶段持续时间为：

A-Ⅱ模式5，t₉-t₁₀：在t₉时刻，Q点电位升至V_DC，D₃自然导通，主开关S₃达到ZVS开通条件；t_I时刻，谐振电流

降至负载电流i_Tf，主开关管S₃可在时间段T_9-I之间控制导通，选择T_9-I的中间时刻t_H，导通主开关S₃；主开关桥臂完成软换流过程；

主开关ZVS开通阶段持续时间为：

其中：

换流电感L_r线性放电阶段持续时间为：

A-Ⅱ模式6，t₁₀-t₁₁：在t₁₀时刻，谐振电流i_Lr降至0A，激磁电流

按照参考方向反向增至

关断超前辅助管S_a1；激磁电流

对C_a1充电C_a2放电，R点电位开始近似线性下降；t₁₁时刻，R点电位下降至0，D_a2自然导通；

超前臂换流持续时间：

A-Ⅱ模式7，t₁₁之后：t₁₁时刻，R点电位下降至0，D_a2自然导通；t_J时刻，控制导通超前辅助管S_a2的栅极；

其中，T_aZVS为系统输入量；

t_J之后，主回路处于充能态Ⅱ,辅助回路回到所述工作过程的初始状态；按照SPWM控制的需要，关断S₃，通过自然换流，主回路回到续流状态A；

前述十三个模态，描述了V_AC交流电源L极正N极负的半周期内，主回路实现释能态切换到充能态Ⅰ和释能态切换到充能态Ⅱ的实现过程；其中动作的是右辅助回路，左辅助回路工作；在V_AC交流电源L极负N极正的另一个半周期内，工作机制是B右换流续流B→I，B左换流续流B→II；如上述工作，仅电流方向相反。

Images