Boost PFC无源无损缓冲电路设计

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随着电力电子器件的发展，开关电源朝着小型化、轻量化和高效率方向发展，致使开关器件大部分都工作在高频开关状态。功率器件在开通时，其电流由零逐步上升，而电压逐步下降。电流上升和电压下降有一重叠过程，于是产生了功率损耗，即开通损耗；功率器件在关断时，也有一个电压上升、电流下降的重叠过程，此时产生的损耗即关断损耗。这些损耗统称开关损耗，显然，频率越高、损耗越大。

如果开关器件工作在高频时，高电压和大电流重叠，不仅损耗很大，更是对开关器件的安全工作构成严重威胁。为降低开关损耗，确保开关器件工作在安全区，各种各样的缓冲吸收电路应运而生。其主要作用是抑制开关器件的dv/dt、di/dt，缓解电压电流应力，减少电磁干扰（EMI）。传统的RCD吸收电路，依靠电阻R来消耗多余的能量，R将电能转变成热能散发，不仅使电子装置工作效率降低，而且增加了装置的散热负担，很难适合一些高要求的应用场合。近年来，无损吸收技术发展迅速，其属于软开关技术范畴，电路结构简单、易于控制，无损、高效、高可靠性得到人们普遍的青睐。

问题的提出

目前使用的PFC电路中，主二极管的大反向恢复电流使二极管产生很大的损耗、温升很高，从而限制了整个PFC电路功率的提高。为了减小主二极管的反向恢复问题，我们引入了一个无源无损缓冲电路，该缓冲电路能很好地减小反向恢复电流，同时又能降低IGBT的开关损耗，进而提升转换效率、降低PFC电路的温升，使得同等体积的PFC电路的输出功率适当增加、提高了功率密度。

实验电路及工作原理

图1所示主电路中，由L、Q、Ld、D和C组成升压斩波电路，缓冲电路由Ld、D、D1、D2、D3、C1、C2组成。Q采用PWM方式工作，因为其开关时间较短，L的取值较大，所以近似认为开关导通时流过其中的电流不变。电路中各点的工作状态如图2所示。该无源无损缓冲网络降低了开关管的开关损耗，提高了其稳定性，增强了使用寿命。它利用一组无源元件，使开关管实现了零电流开通和零电压关断，提高了变换器的工作效率，且相对于其他谐振软开关电路，降低了生产成本。

当IGBT开通时，主二极管D中的电流转移到IGBT中，由于有电感Ld的存在，限制了IGBT电流的上升率（也即主二极管D中的电流下降率），使得主二极管的反向恢复电流极大地减小；同时，由于IGBT电流的上升率变小，IGBT的开通损耗也将降低。

当主二极管D中的电流全部转移到IGBT中后，主二极管D自然关断，电感Ld和电容C1、C2通过D2和Q开始谐振，此时IGBT电流继续上升；当C1中的能量全部转移到C2中以后，VC1=0V，此时电路工作状态恢复到与原boost电路一样。

当IGBT关断时，IGBT中的电流转移到电容C1中，开始给C1充电，VC1开始上升；同时，C2放电，VC2下降。当C1电压充到BUS电压时，主二极管D导通，电感L中的能量通过主二极管释放到BUs电容上。由于C1限制住了IGBT Vds的上升率，减小了IGBT的关断损耗。

无源无损缓冲电路参数设计

实验结果

用6kW的功率板，采用图1所示的电路进行实验。

1 电压电流波形

将有无缓冲电路的IGBT和主二极管的电压电流波形对比如下。

①IGBT开通波形

从图3（a）中可以看出无缓冲电路时，二极管的反向恢复电流导致IGBT在开通时有一个很大的电流尖峰，并且IGBT的开通损耗比较大。从图3（b）中可以看出有缓冲电路时，IGBT流过的二极管反向恢复电流已被谐振电流所取代，且该谐振电流无论是峰值还是电流上升率都比反向恢复电流小得多。此时我们可以认为IGBT是软开通的。

②IGBT关断波形

从图4（a）中可以看出，IGBT关断时，电压上升，而此时电流仍保持不变，损耗很大。

当接上缓冲电路以后，由于电容C1的存在，限制了IGBT电压的上升率，从而降低了管子的关断损耗，如图4（b）所示。

③主二极管关断波形

从上面两图中可以看出，由于有缓冲电路的存在，主二极管的反向恢复电流已基本消除，并且二极管的关断损耗非常小。

本次我们的重点是主二极管的温升问题。同样在相同的实验条件下，测量两个电路的IGBT和主二极管温升。结果IGBT的温升平均下降6.8℃，主二极管的温升平均下降7.6℃。

结论

通过实验可以得出，该无源无损缓冲电路能有效改善主二极管的反向恢复问题，以及减小IGBT的开关损耗。更主要的是它能降低主二极管的温升，为提高pfc电路的功率提供了一种有效的解决方法。