CN111953198B - 图腾柱pfc变换器的全范围zvs实现方法 - Google Patents

图腾柱pfc变换器的全范围zvs实现方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种图腾柱PFC变换器的全范围ZVS实现方法，通过采样得到图腾柱PFC变换器的输入交流电压、输出直流母线电压和Boost电感电流，将输出直流母线电压和电压参考值输入经过PI调节器，得到电压环输出电压，以确定电流参考信号，计算电感电流负值，额外导通时间，主管关断电感电流，以及实现全范围ZVS所需的第一死区时间和第二死区时间，根据主管关断电感电流控制所述图腾柱PFC变换器的主管关断，根据第一死区时间和第二死区时间确定各个开关管的关断时间，根据额外导通时间确定所述图腾柱PFC变换器的整流管的开通时间，以使图腾柱PFC变换器实现全范围ZVS，从而提高相应图腾柱PFC变换器的工作效果。

Description

图腾柱PFC变换器的全范围ZVS实现方法
技术领域
本发明涉及电能变换技术领域，尤其涉及一种图腾柱PFC变换器的全范围ZVS实现方法。
背景技术
电力电子技术的应用可以大大提高电能变换装置的功率密度，有效减小装置的体积和重量。随着电力电子技术的快速发展，电力电子设备越来越多，而几乎每个电力电子设备都需要通过整流变换技术将交流电转换成直流电，为了减小负载谐波对电网及其它设备的相互影响，每个电子设备的输入电流谐波含量和功率密度都需要满足交流用电设备电流谐波要求。因此研究高效率和高功率密度的单相PFC(功率因数校正，Power FactorCorrection)变换器具有重要意义。
传统的单相Boost PFC电路在开关管导通或关断时，电路中总是由三个半导体器件导通，损耗较大，尤其是在低压大功率场合，影响了变换器效率的提升。为了进一步提高PFC电路的效率，业界和学术界提出了多种无桥PFC电路拓扑，其中图腾柱无桥PFC电路以其电路元器件少、导通损耗低、共模干扰小的优点具有很好的应用前景。该拓扑的主要问题在于电路中使用MOSFET的体二极管作为续流管，由于传统Si MOSFET的体二极管特性较差，反向恢复时间较长，使得开关管的损耗严重，因此图腾柱PFC通常推荐工作于断续导通模式(DCM)或者临界导通模式(CRM)模式。虽然GaN器件的出现一定程度上解决了上述问题，使得图腾柱PFC可工作在硬开关(CCM)模式。但由于GaN器件的开通损耗远大于其关断损耗，为了提高效率，硬开关模式下的开关频率也不能太高(通常小于120kHz)。为了进一步提升图腾柱PFC的功率密度，国内外学者针对图腾柱PFC变换器的零电压开关(ZVS，Zero VoltageSwitch)展开了广泛研究。有学者提出通过增加整流管的额外导通时间可以实现开关管的ZVS，但是该方法可以实现ZVS开通的时间只有开关管漏源极电压为零的一瞬间，几乎没有时间裕度。在漏源极电压为零瞬间的前后开通开关管，都无法实现真正的ZVS。且该方法没有考虑高频桥臂上下管驱动的死区时间对ZVS的影响，固定的死区时间会导致无法实现全范围的ZVS。还有文章提出通过控制整流管关断时的电感电流值可以精确控制ZVS时间裕度和开关频率，并实现了扩展ZVS控制和最大开关频率限制。但该文章同样没有考虑桥臂死区对实现全范围ZVS的影响，导致在固定死区下无法实现全范围的ZVS。可见传统方案往往未在全范围内实现ZVS，容易影响相应图腾柱PFC变换器的工作效果。
发明内容
针对以上问题，本发明提出一种图腾柱PFC变换器的全范围ZVS实现方法，以实现全输入和全负载范围内的高频开关管的ZVS开通，保证反向电感电流流经开关管体二极管的时间最小化，降低开关管的开通损耗，减少体二极管的导通损耗，从而在不影响输入电流波形的前提下，为实现GaN器件工作在MHz以上开关频率创造条件，可以显著减小电感尺寸和输入差模滤波器体积，有效提高变换器的功率密度。
为实现本发明的目的，提供一种图腾柱PFC变换器的全范围ZVS实现方法，包括如下步骤：
S10，对图腾柱PFC变换器中的电参数进行采样，得到图腾柱PFC变换器的输入交流电压uin、输出直流母线电压UO和Boost电感电流iL；
S20，将所述输出直流母线电压UO和预设的电压参考值Uref输入经过PI调节器，得到电压环输出电压UPI_out，根据所述电压环输出电压UPI_out和输入交流电压的单位正弦信号sin(ωlinet)确定电流参考信号iref；
S30，根据所述输出直流母线电压UO、输入交流电压uin的绝对值uin_abs、电流参考信号iref计算电感电流负值iSR_off，根据电感电流负值iSR_off计算整流管的额外导通时间TSR2；
S40，根据所述电流参考信号iref、电感电流负值iSR_off、输入交流电压uin的绝对值uin_abs和输出直流母线电压UO计算主管关断电感电流ioff；
S50，根据所述电感电流负值iSR_off、主管关断电感电流ioff、输入交流电压uin的绝对值uin_abs和输出直流母线电压UO计算实现全范围ZVS所需的第一死区时间Tdead1和第二死区时间Tdead2；
S60，根据所述主管关断电感电流ioff控制所述图腾柱PFC变换器的主管关断，根据所述第一死区时间Tdead1和第二死区时间Tdead2确定所述图腾柱PFC变换器中各个开关管的关断时间，根据所述额外导通时间TSR2确定所述图腾柱PFC变换器中整流管的开通时间，以使所述图腾柱PFC变换器实现全范围ZVS。
在一个实施例中，所述开关管包括第一开关管和第二开关管；在图腾柱PFC变换器的交流电压正半周期，第一开关管充当整流管的功能，第二开关管充当主管的功能；在图腾柱PFC变换器的交流电压负半周期，第一开关管充当主管的功能，第二开关管充当整流管的功能。
具体地，所述根据所述主管关断电感电流ioff控制所述图腾柱PFC变换器的主管关断，根据所述第一死区时间Tdead1和第二死区时间Tdead2确定所述图腾柱PFC变换器中各个开关管的关断时间，根据所述额外导通时间TSR2确定所述图腾柱PFC变换器中整流管的开通时间，以使所述图腾柱PFC变换器实现全范围ZVS包括：
在所述图腾柱PFC变换器的交流电压正半周期，当Boost电感电流iL上升到所述主管关断电感电流ioff时，关断第二开关管；在关断第二开关管的第一死区时间Tdead1内，保持第一开关管、第二开关管关断；在第一死区时间Tdead1后，开通第一开关管，使Boost电感电流iL下降；在Boost电感电流iL下降到零之后，Boost电感电流iL的过零信号ZCD为正，保持第一开关管继续开通额外导通时间TSR2；在额外导通时间TSR2结束后，关断第一开关管；在关断第一开关管之后的第二死区时间Tdead2内，保持第一开关管和第二开关管都关断；在第二死区时间Tdead2结束后，开通第二开关管，使Boost电感电流iL上升；
在所述图腾柱PFC变换器的交流电压负半周期，当Boost电感电流iL下降到关断电流ioff值后，关断第一开关管；在之后的第一死区时间Tdead1内，保持第一开关管和第二开关管都关断；在第一死区时间Tdead1结束后，开通第二开关管，Boost电感电流iL上升；在Boost电感电流iL上升到零之后，Boost电感电流iL的过零信号ZCD为负，保持第二开关管继续开通额外导通时间TSR2；在额外导通时间TSR2结束后，关断第二开关管；在之后的第二死区时间Tdead2内，保持第一开关管和第二开关管都关断；在第二死区时间Tdead2结束后，开通第一开关管，使Boost电感电流iL下降。
在一个实施例中，所述根据所述电压环输出电压UPI_out和输入交流电压的单位正弦信号sin(ωlinet)确定电流参考信号iref包括：
iref＝UPI_out·sin(ωlinet)，
式中，iref表示电流参考信号，UPI_out表示电压环输出电压，sin(ωlinet)表示输入交流电压的单位正弦信号，ωline表示交流输入电压角频率，t表示时间变量。
在一个实施例中，所述根据所述输出直流母线电压UO、输入交流电压uin的绝对值uin_abs、电流参考信号iref计算电感电流负值iSR_off包括：
式中，iSR_off表示电感电流负值，max{}表示求最大值，k1表示满足ZVS时间裕度电感电流负值iSR_off所需达到的幅值，k2表示满足最大开关频率限制电感电流负值iSR_off所需达到的幅值，UO表示输出直流母线电压，uin_abs表示输入交流电压uin的绝对值，TZVS_min表示最小ZVS时间裕度，Zn表示谐振阻抗，L表示Boost电感值，Coss表示开关管漏源极结电容。
具体的，所述根据电感电流负值iSR_off计算整流管的额外导通时间TSR2包括：
式中，TSR2表示整流管的额外导通时间。
具体的，所述根据所述电流参考信号iref、电感电流负值iSR_off、输入交流电压uin的绝对值uin_abs和输出直流母线电压UO计算主管关断电感电流ioff包括：
ipk＝2iref-ival，
式中，ioff表示主管关断电感电流，ipk表示峰值电感电流，iref表示电流参考信号，ival表示谷值电感电流。
在一个实施例中，所述根据所述电感电流负值iSR_off、主管关断电感电流ioff、输入交流电压uin的绝对值uin_abs和输出直流母线电压UO计算实现全范围ZVS所需的第一死区时间Tdead1和第二死区时间Tdead2包括：
式中，Tdead1表示第一死区时间，Tdead2表示第二死区时间，ω0表示谐振角频率，uin_abs表示输入交流电压uin的绝对值，ioff表示主管关断电感电流，Zn表示谐振阻抗，uin_abs表示输入交流电压uin的绝对值，TZVS_min表示最小ZVS时间裕度，iSR_off表示电感电流负值，L表示Boost电感值，Coss表示开关管漏源极结电容。
上述图腾柱PFC变换器的全范围ZVS实现方法，通过对图腾柱PFC变换器中的电参数进行采样，得到图腾柱PFC变换器的输入交流电压uin、输出直流母线电压UO和Boost电感电流iL，将输出直流母线电压UO和预设的电压参考值Uref输入经过PI调节器，得到电压环输出电压UPI_out，根据电压环输出电压UPI_out和输入交流电压的单位正弦信号sin(ωlinet)确定电流参考信号iref，根据输出直流母线电压UO、输入交流电压uin的绝对值uin_abs、电流参考信号iref计算电感电流负值iSR_off，根据电感电流负值iSR_off计算整流管的额外导通时间TSR2，根据所述电流参考信号iref、电感电流负值iSR_off、输入交流电压uin的绝对值uin_abs和输出直流母线电压UO计算主管关断电感电流ioff，根据所述电感电流负值iSR_off、主管关断电感电流ioff、输入交流电压uin的绝对值uin_abs和输出直流母线电压UO计算实现全范围ZVS所需的第一死区时间Tdead1和第二死区时间Tdead2，根据主管关断电感电流ioff控制所述图腾柱PFC变换器的主管关断，根据第一死区时间Tdead1和第二死区时间Tdead2确定各个开关管的关断时间，根据额外导通时间TSR2确定所述图腾柱PFC变换器的整流管的开通时间，以使所述图腾柱PFC变换器实现全范围ZVS，从而提高相应图腾柱PFC变换器的工作效果。此外，该方法在不增加检测环节的基础上，可以实现高频桥臂开关管的全范围ZVS开通，且保证了反向电感电流流经体二极管的时间最小化，可以有效降低开关管的开通损耗和体二极管的导通损耗，利用数字控制方式实施简单，具有良好的实际应用价值。
附图说明
图1是一个实施例的图腾柱PFC变换器的全范围ZVS实现方法流程图；
图2是一个实施例的图腾柱PFC变换器控制框图；
图3是一个实施例的变换器工作过程波形示意图；
图4是一个实施例的交流电压正半周期下各工作模态所用时间的理论曲线；
图5是一个实施例中输入交流电压uin、输入电流iin、Boost电感电流iL仿真波形图；
图6是一个实施例中主管驱动ugs、电感电流iL、主管漏源极电压uds仿真波形图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
参考图1所示，图1为一个实施例的图腾柱PFC变换器的全范围ZVS实现方法流程图，包括如下步骤：
S10，对图腾柱PFC变换器中的电参数进行采样，得到图腾柱PFC变换器的输入交流电压uin、输出直流母线电压UO和Boost电感电流iL。
上述步骤还可以采集Boost电感电流iL的过零信号ZCD。
S20，将所述输出直流母线电压UO和预设的电压参考值Uref输入经过PI(比例积分)调节器，得到电压环输出电压UPI_out，根据所述电压环输出电压UPI_out和输入交流电压的单位正弦信号sin(ωlinet)确定电流参考信号iref。
上述步骤可以采用电压环将采样得到的输出直流母线电压UO和预设的电压参考值Uref经过PI(比例积分)调节器比较，得到电压环输出电压UPI_out，与输入交流电压单位正弦信号sin(ωlinet)相乘作为电感电流平均值的参考基准，得到电流参考信号。上述电压参考值Uref可以依据相应的全范围ZVS实现精度设置，比如设置为200等值。
在一个实施例中，所述根据所述电压环输出电压UPI_out和输入交流电压的单位正弦信号sin(ωlinet)确定电流参考信号iref包括：
iref＝UPI_out·sin(ωlinet)，
式中，iref表示电流参考信号，UPI_out表示电压环输出电压，sin(ωlinet)表示输入交流电压的单位正弦信号，ωline表示交流输入电压角频率，t表示时间变量。
S30，根据所述输出直流母线电压UO、输入交流电压uin的绝对值uin_abs、电流参考信号iref计算电感电流负值iSR_off，根据电感电流负值iSR_off计算整流管的额外导通时间TSR2。
上述步骤根据所述输出直流母线电压UO、输入交流电压uin的绝对值uin_abs、电流参考信号iref计算电感电流负值iSR_off，以依据电感电流负值iSR_off进行后续所需参数的计算，使图腾柱PFC变换器满足ZVS拓展要求、ZVS时间裕度要求、最大开关频率限制要求。
在一个实施例中，所述根据所述输出直流母线电压UO、输入交流电压uin的绝对值uin_abs、电流参考信号iref计算电感电流负值iSR_off包括：
式中，iSR_off表示电感电流负值，max{}表示求最大值，k1表示满足ZVS时间裕度电感电流负值iSR_off所需达到的幅值，k2表示满足最大开关频率限制电感电流负值iSR_off所需达到的幅值，UO表示输出直流母线电压，uin_abs表示输入交流电压uin的绝对值，TZVS_min表示最小ZVS时间裕度，Zn表示谐振阻抗，L表示Boost电感值，Coss表示开关管漏源极结电容。
具体地，所述根据电感电流负值iSR_off计算整流管的额外导通时间TSR2包括：
式中，TSR2表示整流管的额外导通时间。
S40，根据所述电流参考信号iref、电感电流负值iSR_off、输入交流电压uin的绝对值uin_abs和输出直流母线电压UO计算主管关断电感电流ioff。
具体地，所述根据所述电流参考信号iref、电感电流负值iSR_off、输入交流电压uin的绝对值uin_abs和输出直流母线电压UO计算主管关断电感电流ioff包括：
ipk＝2iref-ival，
式中，ioff表示主管关断电感电流，ipk表示峰值电感电流，iref表示电流参考信号，ival表示谷值电感电流。
S50，根据所述电感电流负值iSR_off、主管关断电感电流ioff、输入交流电压uin的绝对值uin_abs和输出直流母线电压UO计算实现全范围ZVS所需的第一死区时间Tdead1和第二死区时间Tdead2。
在一个实施例中，所述根据所述电感电流负值iSR_off、主管关断电感电流ioff、输入交流电压uin的绝对值uin_abs和输出直流母线电压UO计算实现全范围ZVS所需的第一死区时间Tdead1和第二死区时间Tdead2包括：
式中，Tdead1表示第一死区时间，Tdead2表示第二死区时间，ω0表示谐振角频率，uin_abs表示输入交流电压uin的绝对值，ioff表示主管关断电感电流，Zn表示谐振阻抗，uin_abs表示输入交流电压uin的绝对值，TZVS_min表示最小ZVS时间裕度，iSR_off表示电感电流负值，L表示Boost电感值，Coss表示开关管漏源极结电容。
S60，根据所述主管关断电感电流ioff控制所述图腾柱PFC变换器的主管关断，根据所述第一死区时间Tdead1和第二死区时间Tdead2确定所述图腾柱PFC变换器中各个开关管的关断时间，根据所述额外导通时间TSR2确定所述图腾柱PFC变换器中整流管的开通时间，以使所述图腾柱PFC变换器实现全范围ZVS。
上述图腾柱PFC变换器的全范围ZVS实现方法，通过对图腾柱PFC变换器中的电参数进行采样，得到图腾柱PFC变换器的输入交流电压uin、输出直流母线电压UO和Boost电感电流iL，将输出直流母线电压UO和预设的电压参考值Uref输入经过PI调节器，得到电压环输出电压UPI_out，根据电压环输出电压UPI_out和输入交流电压的单位正弦信号sin(ωlinet)确定电流参考信号iref，根据输出直流母线电压UO、输入交流电压uin的绝对值uin_abs、电流参考信号iref计算电感电流负值iSR_off，根据电感电流负值iSR_off计算整流管的额外导通时间TSR2，根据所述电流参考信号iref、电感电流负值iSR_off、输入交流电压uin的绝对值uin_abs和输出直流母线电压UO计算主管关断电感电流ioff，根据所述电感电流负值iSR_off、主管关断电感电流ioff、输入交流电压uin的绝对值uin_abs和输出直流母线电压UO计算实现全范围ZVS所需的第一死区时间Tdead1和第二死区时间Tdead2，根据主管关断电感电流ioff控制所述图腾柱PFC变换器的主管关断，根据第一死区时间Tdead1和第二死区时间Tdead2确定各个开关管的关断时间，根据额外导通时间TSR2确定所述图腾柱PFC变换器的整流管的开通时间，以使所述图腾柱PFC变换器实现全范围ZVS，从而提高相应图腾柱PFC变换器的工作效果。此外，该方法在不增加检测环节的基础上，可以实现高频桥臂开关管的全范围ZVS开通，且保证了反向电感电流流经体二极管的时间最小化，可以有效降低开关管的开通损耗和体二极管的导通损耗，利用数字控制方式实施简单，具有良好的实际应用价值。
在一个实施例中，所述开关管包括第一开关管和第二开关管；在图腾柱PFC变换器的交流电压正半周期，第一开关管充当整流管的功能，第二开关管充当主管的功能；在图腾柱PFC变换器的交流电压负半周期，第一开关管充当主管的功能，第二开关管充当整流管的功能。
具体地，所述根据所述主管关断电感电流ioff控制所述图腾柱PFC变换器的主管关断，根据所述第一死区时间Tdead1和第二死区时间Tdead2确定所述图腾柱PFC变换器中各个开关管的关断时间，根据所述额外导通时间TSR2确定所述图腾柱PFC变换器中整流管的开通时间，以使所述图腾柱PFC变换器实现全范围ZVS包括：
在所述图腾柱PFC变换器的交流电压正半周期，当Boost电感电流iL上升到所述主管关断电感电流ioff时，关断第二开关管；在关断第二开关管的第一死区时间Tdead1内，保持第一开关管、第二开关管关断；在第一死区时间Tdead1后，开通第一开关管，使Boost电感电流iL下降；在Boost电感电流iL下降到零之后，Boost电感电流iL的过零信号ZCD为正，保持第一开关管继续开通额外导通时间TSR2；在额外导通时间TSR2结束后，关断第一开关管；在关断第一开关管之后的第二死区时间Tdead2内，保持第一开关管和第二开关管都关断；在第二死区时间Tdead2结束后，开通第二开关管，使Boost电感电流iL上升；
在所述图腾柱PFC变换器的交流电压负半周期，当Boost电感电流iL下降到关断电流ioff值后，关断第一开关管；在之后的第一死区时间Tdead1内，保持第一开关管和第二开关管都关断；在第一死区时间Tdead1结束后，开通第二开关管，Boost电感电流iL上升；在Boost电感电流iL上升到零之后，Boost电感电流iL的过零信号ZCD为负，保持第二开关管继续开通额外导通时间TSR2；在额外导通时间TSR2结束后，关断第二开关管；在之后的第二死区时间Tdead2内，保持第一开关管和第二开关管都关断；在第二死区时间Tdead2结束后，开通第一开关管，使Boost电感电流iL下降。
在一个示例中，上述开关管均可以为MOS管，开关管可以包括第一开关管和第二开关管，第一开关管用符号Q1表示，第二开关管用符号Q2表示。在图腾柱PFC变换器的交流电压正半周期，第一开关管Q1充当整流管的功能，第二开关管Q2充当主管的功能；在图腾柱PFC变换器的交流电压负半周期，第一开关管Q1充当主管的功能，第二开关管Q2充当整流管的功能；此时，上述根据所述主管关断电感电流ioff控制所述图腾柱PFC变换器的主管关断，根据所述第一死区时间Tdead1和第二死区时间Tdead2确定所述图腾柱PFC变换器中各个开关管的关断时间，根据所述额外导通时间TSR2确定所述图腾柱PFC变换器中各个开关管的开通时间，以使所述图腾柱PFC变换器实现全范围ZVS的过程包括：
在图腾柱PFC变换器的交流电压正半周期，当Boost电感电流iL上升到主管关断电感电流ioff时，关断主管Q2；在关断主管Q2的第一死区时间Tdead1内，保持整流管Q1、主管Q2关断；在第一死区时间Tdead1后，开通整流管Q1，使Boost电感电流iL下降；在Boost电感电流iL下降到零之后，Boost电感电流iL的过零信号ZCD为正，保持第一整流管Q1继续开通额外导通时间TSR2；在额外导通时间TSR2结束后，关断整流管Q1；在关断整流管Q1之后的第二死区时间Tdead2内，保持整流管Q1和主管Q2都关断；在第二死区时间Tdead2结束后，开通主管Q2，使Boost电感电流iL上升；如此往复以实现图腾柱PFC变换器的交流电压正半周期中的相应控制。
在图腾柱PFC变换器的交流电压负半周期，当Boost电感电流iL下降到关断电流ioff值后，关断主管Q1；在之后的第一死区时间Tdead1内，保持主管Q1和整流管Q2都关断；在第一死区时间Tdead1结束后，开通整流管Q2，Boost电感电流iL上升；在Boost电感电流iL上升到零之后，Boost电感电流iL的过零信号ZCD为负，保持整流管Q2继续开通额外导通时间TSR2；在额外导通时间TSR2结束后，关断整流管Q2；在之后的第二死区时间Tdead2内，保持主管Q1和整流管Q2都关断；在第二死区时间Tdead2结束后，开通主管Q1，使Boost电感电流iL下降；如此往复以实现图腾柱PFC变换器的交流电压负半周期中的相应控制。
本实施例可以从真正意义上实现高频桥臂开关管的全范围ZVS开通，保证反向电感电流流经体二极管的时间最小化，有效降低体二极管的导通损耗，无需增加其它检测环节，且利用数字控制方式实施较为简单，同时适用于电感电流临界连续模式的逆变器。
在一个实施例中，若开关管包括第一开关管和第二开关管，第一开关管用符号Q1表示，第二开关管用符号Q2表示。在图腾柱PFC变换器的交流电压正半周期，第一开关管Q1充当整流管的功能，第二开关管Q2充当主管的功能；在图腾柱PFC变换器的交流电压负半周期，第一开关管Q1充当主管的功能，第二开关管Q2充当整流管的功能。参考图2所示，上述图腾柱PFC变换器可以包括主电路和控制电路，主电路包括单相输入源uin，LC滤波电感L1，滤波电容C1，Boost电感L2，高频桥臂开关管Q1和Q2，工频桥臂开关管Q3和Q4，直流侧母线电容Co，输出负载电阻RL，单相交流源uin的第一端与LC滤波电感L1的第一端连接，第二端与滤波电容C1的第二端连接，滤波电感L1的第二端与滤波电容C1的第一端连接，同时还与Boost电感L2的第一端连接，Boost电感L2的第二端与高频桥臂的中点连接，滤波电容C1的第二端与工频桥臂的中点连接。控制电路主要由采样电路、数字处理器和驱动电路构成。由于图腾柱PFC电路拓扑的对称性，交流电压正负半周期的运行模态是对称的，为了方便分析与表达式的推导，在此仅分析交流电压正半周期电路的工作状态，具体各工作模态的主要电压电流波形见图3。在图2、图3中，ugs1表示整流管驱动电压，ugs2表示主管驱动电压，iL表示Boost电感电流，uds2表示主管漏源极电压，Uo表示输出直流电压，ioff表示主管关断时电感电流，ipk表示电感电流峰值，iSR_on表示整流管开通时电感电流，iSR_off表示整流管关断时电感电流，ival表示电感电流谷值，ion表示主管开通时电感电流，Ton2表示电感电流上升阶段，Tr1表示谐振阶段1，TSR1表示电感电流下降阶段，TSR2表示整流管额外导通时间，Tr2表示谐振阶段2，Ton1表示反向电感电流流经体二极管时间。
以图2所示的图腾柱PFC变换器为例，上述图腾柱PFC变换器的全范围ZVS实现方法的具体实现方式过程包括以下步骤：
第一步，采样输入交流源的交流电压uin、输出直流母线电压Uo、Boost电感L2的电流iL和Boost电感电流iL的过零信号ZCD；
第二步，电压环通过将采样得到的输出直流电压Uo与参考值Uref经过PI调节器比较，得到电压环输出电压UPI_out，与输入交流电压单位正弦信号sin(ωlinet)相乘作为电感电流平均值的参考基准，得到电流参考信号iref表达式如式(1)所示，：
iref＝UPI_out·sin(ωlinet) (1)
其中UPI_out是电压环的输出电压，ωline是交流输入电压角频率，t是时间。
第三步，根据输出直流电压Uo、输入交流电压绝对值uin_abs、电流参考信号iref计算所需的电感电流负值iSR_off，其需要满足ZVS拓展要求、ZVS时间裕度要求、最大开关频率限制要求，通过式(2)计算整流管关断电感电流值iSR_off：
其中，k1为满足ZVS时间裕度的条件，k2为满足最大开关频率限制的条件，
其中TZVS_min为定义的最小ZVS时间裕度，主要根据系统中采样、隔离和驱动电路的延时而定，fs_max为限制的最大开关频率，负载越轻，开关频率越高，限制最大开关频率有利于减小与开关频率相关的损耗，从而改善轻载下的效率，也降低了高速电流采样和数字控制的难度，L为Boost电感值，Zn为谐振阻抗，Coss为开关管漏源极结电容。
通过整流管关断电感电流值iSR_off计算整流管的额外导通时间为：
第四步，根据式(1)、式(2)得到的电流参考值iref、整流管关断电感电流值iSR_off和输入交流电压绝对值uin_abs、输出直流电压Uo计算出主管关断时的电感电流ioff，使输入电流正弦化(交流电压正半周时，Q2为第一主管；交流电压负半周时，Q1为第二主管)，此处，交流电压正半周期，第一主管(即交流电压正半周期中的主管)为Q2，第一整流管(即交流电压正半周期中的整流管)为Q1；交流电压负半周期，第二主管(即交流电压负半周期中的主管)为Q1，第二整流管(即交流电压负半周期中的整流管)为Q2：
其中，ipk为峰值电感电流，ival为谷值电感电流，iref为电流参考值，
ipk＝2iref-ival (8)
第五步，由于死区时间Tdead1、Tdead2是在谐振阶段Tr1、Tr2之后，考虑到最小ZVS时间裕度要求，在谐振阶段Tr1结束Tdead1时间后，立即开通整流管，在谐振阶段Tr2结束Tdead2时间后，立即开通主管。根据式(2)、式(7)得到的同步整流管关断电感电流值iSR_off、主管关断电感电流值ioff和输入交流电压绝对值uin_abs、输出直流电压Uo计算谐振阶段Tr1和Tr2所需时间为：
因此，实现全范围ZVS所需的死区时间Tdead1、Tdead2为：
其中，Tdead1是整流管开通前的死区时间，Tdead2是主管开通前的死区时间。在交流电压正半周期，Q2为第一主管，Q1为第一整流管；在交流电压负半周期，Q1为第二主管，Q2为第二整流管。
第六步，根据式(6)、式(7)可以确定整流管的关断时刻和主管的关断时刻，在整流管关断经过Tdead2时间，开通主管；在主管关断后经过Tdead1时间，开通整流管。在交流电压正半周期，当电感电流iL上升到关断电流ioff值后，关断主管Q2；在之后的Tdead1时间内，保持Q1、Q2都关断；在Tdead1时间结束后，开通整流管Q1，电感电流iL下降；在电感电流iL下降到零之后，ZCD信号为正，保持整流管Q1继续开通TSR2时间；在TSR2时间结束后，关断整流管Q1；在之后的Tdead2时间内，保持Q1、Q2都关断；在Tdead2时间结束后，开通主管Q2，电感电流iL上升。如此往复。在交流电压负半周期，当电感电流iL下降到关断电流ioff值后，关断主管Q1；在之后的Tdead1时间内，保持Q1、Q2都关断；在Tdead1时间结束后，开通整流管Q2，电感电流iL上升；在电感电流iL上升到零之后，ZCD信号为正，保持整流管Q2继续开通TSR2时间；在TSR2时间结束后，关断整流管Q2；在之后的Tdead2时间内，保持Q1、Q2都关断；在Tdead2时间结束后，开通主管Q1，电感电流iL下降。如此往复。
本实施例通过对表达式进行理论计算，得到了图4中交流电压正半周期下各工作模态所用时间的理论曲线。上述交流电压正半周期下各工作模态所用时间的理论曲线采用的计算参数如下：输入交流电压115V/400Hz，Boost电感30μH，开关管结电容160pF，输出电压200V，输出功率750W，ZVS时间裕度为50ns，最大开关频率限制为300kHz。从图中可以看出，死区时间Tdead1内，在谐振阶段Tr1后，留出了50ns的ZVS时间裕度，此后结束死区立即开通整流管Q1；死区时间Tdead2内，在谐振阶段Tr2后，留出了50ns的ZVS时间裕度，此后结束死区立即开通主管Q2。
本实施例搭建了单相图腾柱PFC变换器的仿真模型，并对波形进行了分析。采用的仿真参数如下：输入交流电压115V/400Hz，Boost电感30μH，开关管结电容160pF，输出电压基准200V，输出功率750W，ZVS时间裕度为50ns，最大开关频率限制为300kHz。
图5为本实施例输入交流电压uin、输入电流iin、Boost电感电流iL的仿真波形。从图中可以看出，输入电流波形呈正弦，与输入交流电压相位同步，很好实现了功率因数校正功能。
图6为本实施例交流电压正半周期主管Q2驱动电压ugs、Boost电感电流iL、主管Q2漏源极电压uds仿真波形。从仿真波形可以看出，在主管Q2开通前电感电流iL仍为负，说明此时电感电流仍流经Q2的体二极管，在Q2开通前其漏源极电压uds2一直为0，Q2为ZVS开通。而且可以看出，在Q2开通前，uds2维持在0的时间较短，说明反向电感电流流经体二极管的时间较短，既实现了Q2的ZVS开通，又保证了体二极管的导通损耗最小化。
本实施例提供的一种图腾柱PFC变换器全范围ZVS实现方法，其优势在于，该方法可以从真正意义上实现高频桥臂开关管的全范围ZVS开通，且保证了反向电感电流流经体二极管的时间最小化，有效降低体二极管的导通损耗；无需增加其它检测环节，且利用数字控制方式实施较为简单；同时适用于电感电流临界连续模式的逆变器。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
需要说明的是，本申请实施例所涉及的术语“第一\第二\第三”仅仅是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序，可以理解地，“第一\第二\第三”在允许的情况下可以互换特定的顺序或先后次序。应该理解“第一\第二\第三”区分的对象在适当情况下可以互换，以使这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
本申请实施例的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或模块的过程、方法、装置、产品或设备没有限定于已列出的步骤或模块，而是可选地还包括没有列出的步骤或模块，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或模块。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种图腾柱PFC变换器的全范围ZVS实现方法，其特征在于，包括如下步骤：
S10，对图腾柱PFC变换器中的电参数进行采样，得到图腾柱PFC变换器的输入交流电压uin、输出直流母线电压UO和Boost电感电流iL；
S20，将所述输出直流母线电压UO和预设的电压参考值Uref输入经过PI调节器，得到电压环输出电压UPI_out，根据所述电压环输出电压UPI_out和输入交流电压的单位正弦信号sin(ωlinet)确定电流参考信号iref；
S30，根据所述输出直流母线电压UO、输入交流电压uin的绝对值uin_abs、电流参考信号iref计算电感电流负值iSR_off，根据电感电流负值iSR_off计算整流管的额外导通时间TSR2；
S40，根据所述电流参考信号iref、电感电流负值iSR_off、输入交流电压uin的绝对值uin_abs和输出直流母线电压UO计算主管关断电感电流ioff；
S50，根据所述电感电流负值iSR_off、主管关断电感电流ioff、输入交流电压uin的绝对值uin_abs和输出直流母线电压UO计算实现全范围ZVS所需的第一死区时间Tdead1和第二死区时间Tdead2；
S60，根据所述主管关断电感电流ioff控制所述图腾柱PFC变换器的主管关断，根据所述第一死区时间Tdead1和第二死区时间Tdead2确定所述图腾柱PFC变换器中各个开关管的关断时间，根据所述额外导通时间TSR2确定所述图腾柱PFC变换器中整流管的开通时间，以使所述图腾柱PFC变换器实现全范围ZVS；
所述开关管包括第一开关管和第二开关管；在所述图腾柱PFC变换器的交流电压正半周期，当Boost电感电流iL上升到所述主管关断电感电流ioff时，关断第二开关管；在关断第二开关管的第一死区时间Tdead1内，保持第一开关管、第二开关管关断；在第一死区时间Tdead1后，开通第一开关管，使Boost电感电流iL下降；在Boost电感电流iL下降到零之后，Boost电感电流iL的过零信号ZCD为正，保持第一开关管继续开通额外导通时间TSR2；在额外导通时间TSR2结束后，关断第一开关管；在关断第一开关管之后的第二死区时间Tdead2内，保持第一开关管和第二开关管都关断；在第二死区时间Tdead2结束后，开通第二开关管，使Boost电感电流iL上升；
在所述图腾柱PFC变换器的交流电压负半周期，当Boost电感电流iL下降到关断电流ioff值后，关断第一开关管；在之后的第一死区时间Tdead1内，保持第一开关管和第二开关管都关断；在第一死区时间Tdead1结束后，开通第二开关管，Boost电感电流iL上升；在Boost电感电流iL上升到零之后，Boost电感电流iL的过零信号ZCD为负，保持第二开关管继续开通额外导通时间TSR2；在额外导通时间TSR2结束后，关断第二开关管；在之后的第二死区时间Tdead2内，保持第一开关管和第二开关管都关断；在第二死区时间Tdead2结束后，开通第一开关管，使Boost电感电流iL下降。
2.根据权利要求1所述的图腾柱PFC变换器的全范围ZVS实现方法，其特征在于，在图腾柱PFC变换器的交流电压正半周期，第一开关管充当整流管的功能，第二开关管充当主管的功能；在图腾柱PFC变换器的交流电压负半周期，第一开关管充当主管的功能，第二开关管充当整流管的功能。
3.根据权利要求1所述的图腾柱PFC变换器的全范围ZVS实现方法，其特征在于，所述根据所述电压环输出电压UPI_out和输入交流电压的单位正弦信号sin(ωlinet)确定电流参考信号iref包括：
iref＝UPI_out·sin(ωlinet)，
式中，iref表示电流参考信号，UPI_out表示电压环输出电压，sin(ωlinet)表示输入交流电压的单位正弦信号，ωline表示交流输入电压角频率，t表示时间变量。
4.根据权利要求1所述的图腾柱PFC变换器的全范围ZVS实现方法，其特征在于，所述根据所述输出直流母线电压UO、输入交流电压uin的绝对值uin_abs、电流参考信号iref计算电感电流负值iSR_off包括：
式中，iSR_off表示电感电流负值，max{}表示求最大值，k1表示满足ZVS时间裕度电感电流负值iSR_off所需达到的幅值，k2表示满足最大开关频率限制电感电流负值iSR_off所需达到的幅值，UO表示输出直流母线电压，uin_abs表示输入交流电压uin的绝对值，TZVS_min表示最小ZVS时间裕度，Zn表示谐振阻抗，L表示Boost电感值，fs_max表示限制的最大开关频率，Coss表示开关管漏源极结电容。
5.根据权利要求4所述的图腾柱PFC变换器的全范围ZVS实现方法，其特征在于，所述根据电感电流负值iSR_off计算整流管的额外导通时间TSR2包括：
式中，TSR2表示整流管的额外导通时间。
6.根据权利要求4所述的图腾柱PFC变换器的全范围ZVS实现方法，其特征在于，所述根据所述电流参考信号iref、电感电流负值iSR_off、输入交流电压uin的绝对值uin_abs和输出直流母线电压UO计算主管关断电感电流ioff包括：
ipk＝2iref-ival，
式中，ioff表示主管关断电感电流，ipk表示峰值电感电流，iref表示电流参考信号，ival表示谷值电感电流。
7.根据权利要求1至6任一项所述的图腾柱PFC变换器的全范围ZVS实现方法，其特征在于，所述根据所述电感电流负值iSR_off、主管关断电感电流ioff、输入交流电压uin的绝对值uin_abs和输出直流母线电压UO计算实现全范围ZVS所需的第一死区时间Tdead1和第二死区时间Tdead2包括：
式中，Tdead1表示第一死区时间，Tdead2表示第二死区时间，ω0表示谐振角频率，uin_abs表示输入交流电压uin的绝对值，ioff表示主管关断电感电流，Zn表示谐振阻抗，TZVS_min表示最小ZVS时间裕度，iSR_off表示电感电流负值，L表示Boost电感值，Coss表示开关管漏源极结电容。
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