几种常见的单相软开关PFC变换器拓扑优化

7.2.1.1 无源无损缓冲电路

在软开关技术中，无源无损缓冲电路因为不增加额外的有源器件，只是采用无源元件来抑制二极管的反向恢复，并且能够实现开关管的软开关，因此具有电路成本低、控制简单等优点。图7-6所示的无源无损缓冲电路能够实现主开关的零电压关断和近似零电流开通。谐振电感L_s串联在由二极管、开关管和输出电容组成的回路中，所以二极管的反向恢复得到抑制。电路的缺点是结构比较复杂，使用了较多的无源元件，尤其是二极管，此外电路的导通损耗也比较可观。其工作等效电路如图7-7所示。

图7-6 无源无损缓冲电路

图7-8所示为采用耦合电感抑制二极管反向恢复的PFC变换器，其核心思想是在开关管关断后，Boost电感通过二极管向输出电容释放能量的过程中，由于耦合电感的作用，二极管VD_o的电流转移到二极管VD_c，在开关管再次开通之前，二极管VD_o已经关断。这样，在主开关管导通时，二极管VD_o没有反向恢复问题，而在二极管VD_c的反向恢复过程中，由于有耦合电感的漏感存在，所以二极管的反向恢复得到了抑制。在该电路中，主开关管是在零电流条件下导通的，而主开关管两端并联电容，也可以减少主开关管的关断损耗。电路的缺点是：二极管VD_c的输出电容会和耦合电感发生寄生振荡，因此需要在VD_c上加入RCD缓冲电路，这会带来一定的损耗。二极管VD_c必须采用耐压比较高的快恢复二极管，这增加了系统的成本，并且由于耐压高的二极管的导通压降也比较大，因此也增加了变换器的导通损耗。图7-9为采用耦合电感抑制二极管反向恢复的电路的工作等效电路，图7-10为采用耦合电感抑制二极管反向恢复电路的关键点波形。

图7-7 带无源无损缓冲电路的Boost型PFC变换器工作等效电路

图7-8 采用耦合电感抑制二极管反向恢复的电路

7.2.1.2 扩展周期准谐振软开关PFC变换器

在准谐振变换器中，通过谐振使得开关管上的电压和电流按准正弦规律变化，从而为开关创造零电压或零电流软开关条件。图7-11所示为扩展周期准谐振软开关PFC变换器电路，由于谐振电感L_r的存在，主开关V₁在零电流条件下开通，二极管的反向恢复得到了抑制。辅助开关管V₂在零电压条件下开通、零电流情况下关断。电路中开关管的电压应力较小，但是电路中开关管的电流应力较大，这也是谐振电路的共同缺点。

图7-9 采用耦合电感抑制二极管反向恢复的电路的工作等效电路

图7-10 采用耦合电感抑制二极管反向恢复电路的关键点波形

图7-11 扩展周期准谐振软开关PFC变换器电路

7.2.1.3 ZVT软开关PFC变换器电路

零电压转换（ZVT）软开关单相PFC变换器电路通常有缓冲电容与主开关管并联，在主开关管开通之前，通过辅助电路动作将缓冲电容上的电压降为零，以实现主开关管零电压开通；主开关管开通后，一般辅助开关管不再参与电路运行，主开关管零电压关断靠开关管并联电容实现。

图7-12所示为ZVT软开关PFC变换器电路，辅助开关管在主开关管开通之前导通，通过电容C_r与谐振电感L_r的谐振，为主开关管创造零电压开通的条件，在主开关管开通后，辅助开关管关断，谐振电感的能量传送到输出电容。在ZVT PFC变换器中，最大的优点在于二极管的反向恢复得到了抑制，同时主开关管是零电压开通和关断的。但辅助开关管为硬开关，辅助开关管造成的开关损耗部分抵消了主开关管ZVS时降低的损耗。在这个电路中，还存在着辅助开关管的寄生电容和谐振电感之间的寄生振荡。

图7-12 ZVT软开关PFC变换器电路1

图7-13所示为ZVT软开关PFC变换器电路，辅助开关管在主开关管开通之前导通，为主开关管创造零电压开通的条件，在主开关管开通后，辅助开关管关断，谐振电感的能量传送到输出电容。在ZVT软开关PFC变换器电路中，二极管的反向恢复得到了抑制，并且主开关管是零电压开通和关断的，辅助开关管是零电压关断的。但是辅助开关管是硬开关导通的。在这个电路中，也存在着辅助开关管的寄生电容和谐振电感之间的寄生振荡。

图7-14所示为另一种ZVT软开关PFC变换器。它是为了抑制辅助开关管的寄生电容和谐振电感所产生的振荡，在辅助支路中串联一个饱和电感和一个快恢复二极管，在该电路中二极管的反向恢复得到了抑制，并且主开关管是零电压开通和关断的。开关管的电压和电流应力都比较小。该电路的缺点是辅助开关管是硬开关开通和关断的，工作在高频时会有一定的损耗。

图7-13 ZVT软开关PFC变换器电路2

图7-14 ZVT软开关PFC变换器电路3

图7-15 改进的ZVT软开关PFC变换器电路

为了降低ZVT软开关PFC变换器辅助开关管的开关损耗，可以在辅助网络中串入一个电压源，用来将电感电流在辅助开关管关断前减小到零，以减小辅助开关管的开关损耗，实现辅助开关管的零电流关断，如图7-15所示。图7-16表示出了传统的ZVT软开关PFC变换器与改进的ZVT软开关PFC变换器辅助电感电流波形的区别。图7-15中的电压源，可以直接利用输入或输出电压源通过某种方式接入，也有利用耦合电感或变压器耦合到输入或输出电压源。图7-17就是一种利用网侧电压将辅助电感的电流复位到零，从而实现辅助开关管零电流关断的改进的ZVT软开关PFC变换器。该电路不需要引入额外的磁元件就可以实现辅助开关管零电流关断，在DC-DC变换器中较有优势，但该电路电感电流复位的速度取决于输入和输出的电压差，在功率因数校正器中应用时，网侧输入电压正弦变化导致在输入电压过零时，辅助电感电流的下降速度很快，在输入电压峰值点时，辅助电感电流下降速度慢，辅助开关管导通时间长，影响有效的占空比，使得辅助谐振电感值和辅助开关管的控制逻辑较难确定。

图7-16 传统的ZVT软开关PFC变换器与改进的ZVT软开关PFC变换器辅助电感电流波形

图7-17 改进的ZVT软开关PFC变换器（利用输入电压源复位）

图7-18所示为使用耦合电感反馈的改进的ZVT软开关PFC电路，通过耦合电感产生电感电流复位电压源，通过将一部分谐振电感电流转移到耦合电感上，降低辅助开关管关断时的谐振电感电流。谐振电感电流在辅助开关管关断前能下降多少，主要取决于耦合电感的匝数比和励磁电感电感量的大小，由于二极管和开关管寄生电容的存在，参数设计较为复杂，耦合电感的匝数比和励磁电感电感量往往难以实现最优设计。辅助电感和励磁电感会与辅助网络中二极管的寄生电容谐振，产生较高的电压应力。虽然主开关管能实现零电压开通，辅助开关管也能够实现零电流关断，但是增加较多的辅助电路器件导致额外的电路损耗。图7-19和图7-20所示的电路是另外两种使用耦合电感反馈的改进的ZVT软开关PFC变换器电路拓扑。

图7-21所示为另外一种改进的ZVT软开关PFC变换器，除了使用耦合电感反馈外，在图7-18的基础上增加了二极管和电容缓冲电路，与没有增加电容缓冲电路的改进的ZVT软开关PFC变换器拓扑的主要区别是，能够使辅助开关管关断时漏源极之间的电压上升率较慢，以进一步减小辅助开关管关断损耗。当辅助开关管关断时，C_f吸收谐振电感上的能量，并在主开关管关断时，将此能量转移至负载。除了保持主开关管零电压开关的优点外，辅助开关管为零电流关断，辅助开关管的电流应力也比较小。该电路的缺点是使用了较多的元器件，采用耦合电感也增加了变换器的体积和重量。图7-22和图7-23是在图7-19和图7-20所示电路的基础上增加了二极管和电容缓冲电路，以使辅助开关管关断时漏源极之间的电压上升率较慢，进一步减小辅助开关管关断损耗。图7-23所示的电路能够利用输入侧滤波电感构造辅助绕组进行电流复位，有利于减少磁性元件数量，同时谐振电感可以利用耦合电感绕组的漏磁，便于集成化设计。

图7-18 改进的ZVT软开关PFC变换器电路拓扑1（耦合电感产生电感电流复位电压源）

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图7-19 改进的ZVT软开关PFC变换器电路拓扑2（耦合电感产生电感电流复位电压源）

图7-20 改进的ZVT软开关PFC变换器电路拓扑3（耦合电感产生电感电流复位电压源）

图7-21 改进的ZVT软开关PFC变换器电路拓扑1（增加二极管和电容缓冲电路）

图7-22 改进的ZVT软开关PFC变换器电路拓扑2（增加二极管和电容缓冲电路）

图7-23 改进的ZVT软开关PFC变换器电路拓扑3（增加二极管和电容缓冲电路）

7.2.1.4 ZCT软开关PFC变换器

零电流转换（ZVT）软开关PFC变换器可以实现主开关管的零电压开关，而对于使用IGBT为主开关管的PFC电路，主开关管工作在零电流条件下可以更好地提高变换器的效率。ZCT软开关PFC变换器的基本思路是通过控制辅助开关管，在主开关管关断之前工作，使主开关管的电流减小到零，从而实现主开关管的零电流关断。当主开关管零电流关断后，辅助开关管也停止工作。图7-24所示为ZCT软开关PFC变换器，辅助开关管V₂在主开关管V₁关断前先导通，谐振电容C_r与谐振电感L_r谐振，当主开关管V₁反并二极管导通时，主开关管V₁电流过零变负，此时关断主开关管可以实现主开关管的零电流关断。主开关管的反并二极管关断后，关断辅助开关管V₂，此时辅助谐振支路二极管VD_r导通，为谐振电感L_r提供能量释放回路。电路中的主开关管和辅助开关管均为零电流关断，适合于采用IG-BT作为主开关管的电路。但是两个开关管都是硬开关开通的，并且电路不能抑制二极管的反向恢复，因此电路不适合工作在CCM下。图7-25所示为改进的ZCT软开关PFC变换器电路，该电路中的主开关管可以实现零电流关断和零电压导通，并且辅助开关管是零电流关断的，二极管的反向恢复得到了抑制，电路可以工作在CCM下，适合于单相Boost型PFC变换器电路应用，但是在一个工作周期内，辅助开关管要动作两次，使得控制比较复杂。

图7-24 ZCT软开关PFC变换器电路

图7-25 改进的ZCT软开关PFC变换器电路

图7-26 采用ZC-ZVS有源缓冲电路的PFC变换器

图7-26所示为采用零电流-零电压开关（ZC-ZVS）有源缓冲电路的PFC，这种ZC-ZVS有源缓冲电路由谐振电感L_s，箝位电容C_c和箝位二极管VD_c构成，谐振电感L_s与主开关管和Boost二极管串联，因此电路能够有效地抑制二极管的反向恢复，主开关管V为零电流关断，而辅助开关管V₁在零电压条件下开通。但主开关管是硬开关开通的，并且辅助开关管是硬开关关断的，由于谐振电感和续流二极管串联，会导致续流二极管承受额外的电压应力。

7.2.1.5 ZCS软开关PFC变换器

在软开关PFC变换器的发展过程中，也出现了能够使得开关管在零电流条件下导通和关断的ZCS软开关PFC变换器，这一类拓扑的一般特点是在主电路中串入辅助电感，利用这个电感抑制开通时的电流，使开关管中的电流从零缓慢上升，大大减小开通损耗和二极管的反向恢复损耗。然后利用辅助开关管在主开关管关断之前动作，构成一个谐振网络，将主开关管中的电流预先复位到零，或者使主开关管的体二极管导通，然后关断主开关管，实现零电流关断。

图7-27和图7-28是两种典型的ZCS软开关PFC变换器电路，两种拓扑的主要区别在于辅助开关管的连接方向相反，图7-27所示的电路开关管可以实现共地驱动，图7-28所示的电路辅助开关管则必须浮地驱动。为了实现主开关管的零电流关断，谐振环路的峰值电流一般会高于PFC输入电流，因此主开关管V₁中的峰值电流会超过两倍的输入电流峰值。另外，谐振电感串在主回路中，谐振过程中电感上的电压由谐振电容的电压决定，而谐振电容电压应力影响着二极管的电压应力，图7-27和图7-28两种典型的ZCS软开关PFC变换器二极管的电压应力也会达到两倍的输出电压，主开关管电流应力大和二极管电压应力大是ZCS软开关PFC变换器的主要缺点。

图7-27 ZCS软开关PFC变换器电路1

图7-28 ZCS软开关PFC变换器电路2

为了降低ZCS软开关PFC变换器主开关管的电流应力，可以在原来谐振回路的基础上，另外构造一个电流回路来实现分流的目的。图7-29～图7-31所示的电路是三种相同类型的ZCS软开关PFC变换器，主要区别在于谐振电容C_r连接关系不同。该类电路利用两个谐振电感分别与两个开关管串联，构造两条谐振支路，每个开关管只流过一个谐振支路的电流。由于二极管VD₁的作用，主开关管串联谐振电感L₁电流最大值等于网侧输入电流峰值，则不会增加主开关管V₁中的电流应力。V₂与L₂构成的谐振环路完成整个谐振周期，L₂中的电流反向流过V₂的体二极管，以实现辅助开关管的零电流关断。该类电路能够实现主开关管和辅助开关管的零电流开关，并且二极管的反向恢复得到了抑制，主要缺点是开关管上承受很高的电压应力，因此必须选择具有很高耐压的器件。

图7-29 ZCS软开关PFC变换器电路1

图7-30 ZCS软开关PFC变换器电路2

图7-31 ZCS软开关PFC变换器电路3

7.2.1.6 有源箝位ZVS软开关PFC变换器

与ZCS相比，ZVS可以有效地降低MOSFET的开关损耗，在过去几十年中，有许多ZVS的软开关拓扑被提出，除了前面论述过的ZVT电路外，有源箝位的ZVS软开关技术是非常合适的拓扑。在Boost型PFC变换器中，为了抑制二极管的反向恢复，在主开关管和Boost二极管之间串联一个谐振电感可以有效地抑制二极管的反向恢复，但是当主开关管关断时，谐振电感会在主开关管上产生很大的电压应力，为了保证电路的安全运行，需要有一个箝位回路来箝位电压。在各种箝位电路中，最初产生于单端正激式和反激式变换电路的有源箝位电路，由于具有结构简单、控制方便、能够实现主开关管和辅助开关管的软开关等优点，在单相DC-DC和PFC变换器中得到广泛应用。图7-32所示为有源箝位Boost型PFC变换器电路拓扑。

图7-32 有源箝位Boost型PFC变换器电路

有源箝位Boost型PFC变换器能够抑制二极管的反向恢复，实现主开关管和辅助开关管的软开关，但是，在电路中存在着二极管输出电容和辅助电感之间的寄生振荡，会在二极管上引起很高的电压应力，因此必须采用耐压高的快恢复二极管，这增加了系统的成本和电路中导通损耗。

综上所述，软开关功率因数校正电路能够抑制二极管反向恢复，降低反向恢复引起的损耗，减小EMI，实现开关管的软开关，减少变换器的损耗，提高开关频率，减小磁元件的体积和重量，提高变换器的功率密度，因此一直是工业界和学术界研究的重点。