最小电压有源箝位Boost型PFC变换器的工作原理分析

为了分析方便，首先做出如下假定：

•MOSFET被看作是理想开关器件，并联了反并二极管。

•输入电感L足够大，在一个开关周期内，输入电感电流i_L变化很小，可以视作恒定。

•主开关管和辅助开关管两端的电容是寄生电容和外加电容的总和。

•输出滤波电容C_o足够大，可视作恒压源。

•箝位电路中箝位电容C_c取值足够大，使得箝位电容电压也可被认为在一个开关周期内恒定。

•箝位电容C_c与辅助谐振电感L₁的谐振频率远低于变换器的开关频率。

最小电压有源箝位Boost型PFC变换器中主开关管V₁和辅助开关管V₃的驱动信号与复合有源箝位Boost型PFC变换器中主开关管、辅助开关管的驱动信号相同，为了箝位主开关管和二极管上的电压，辅助开关管只是在主开关管和二极管共同导通时，即二极管向主开关管换流的阶段才处于关断状态，因此在一个开关周期中，辅助开关管的占空比是基本固定的。而主开关管的占空比会随着输入电压变化而变化，从而实现对输入电流进行功率因数校正的目的。最小电压有源箝位Boost型PFC变换器中，由于二极管VD₂的单方向导电性，可以阻止由于V₁和V₃共同导通而引起的输出电容被短路的问题。避免了在传统的有源箝位Boost型PFC变换器中，当主开关管和辅助开关管被误触发而同时导通时，在主开关管和辅助开关管中流过很大的短路电流，引起电路的损坏的问题。最小电压有源箝位Boost型PFC变换器的主开关管和辅助开关管驱动信号与传统有源箝位Boost型PFC变换器中驱动信号的对比如图8-10所示。

图8-10 两种有源箝位PFC变换器的驱动信号的对比

对于PFC变换器，在输入电流一个工频周期的正、负半波内，其工作过程是类似的，这里就以正半波内的一个开关周期为例进行分析。在一个开关周期内，变换器中共有6个工作状态，如图8-11所示。各个工作状态的主要波形如图8-12所示。

阶段1（t₀～t₁）：在t₀时刻之前（阶段6中），升压二极管VD₂在导通，辅助开关管V₃被关断，这时流过辅助谐振电感L₁的电流与图中所示的方向相反，在辅助谐振电感L₁的反向电流的作用下，辅助开关管V₃的并联电容C₃被充电，而主开关管的并联电容C₁被放电，主开关管V₁两端的电压逐渐下降。如果辅助谐振电感L₁中的能量足够大，到t₀时刻，主开关管V₁两端的电压降为零，其体内二极管开始导通，主开关管可以在零电压条件下导通，这时辅助开关管V₃的并联电容C₃充电完成，辅助开关管V₃两端的电压被箝位为输出电压V_o，直到t₁时刻。

图8-11 最小电压有源箝位Boost型PFC变换器工作等效电路

t₀时刻之后，V₁在零电压条件下被驱动开通。开始二极管向主开关管的换流过程，即二极管的反向恢复过程，这时主开关管V₁与辅助谐振电感L₁电流线性增加，而二极管中电流线性减小，电流变化率为

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即由于辅助谐振电感的存在，二极管的反向恢复电流的变化率得到了抑制，使得二极管反向恢复电流的峰值没有硬开关条件下那么高，从而减少了反向恢复过程中主开关管和二极管中的损耗。通常反向恢复电流的变化率满足式（8-48）即可以达到比较好的二极管反向恢复抑制结果。

阶段2（t₁～t₂）：t₁时刻，二极管VD₂中的电流下降到零，二极管反向关断。辅助谐振电感L₁和升压二极管并联电容C₂、辅助开关管并联电容C₃开始谐振。C₂被充电，C₃被放电。到本阶段末t₂时刻，辅助开关管V₃两端的电压下降为零，其体内二极管开始导通，L₁和C₂、C₃的谐振停止。所以辅助开关管V₃总是在零电压条件下导通。而升压二极管VD₂两端电压被箝位在输出电压V_o，并保持到t₃时刻。

（t₀～t₂）对应于主开关管的占空比损失，在本书中表示为D₀T。相对于整个开关周期，阶段1和2非常短暂，因此D₀一般远小于1。

阶段3（t₂～t₃）：辅助开关管V₃的体内二极管在t₂时刻开始导通，V₃总是在零电压下开通的。从t₂开始，箝位电容C_c开始通过辅助谐振电感L₁放电，因为箝位电容C_c比较大，所以电容上的电压近似不变。L₁中的电流变化率为

这个阶段也是输入电感L的储能增加的阶段。在这个阶段里，输入电压V_i给输入电感L充电，电感L中的电流变换率为

这个状态一直持续到时刻t₃，主开关管V₁关断。这个阶段的长度是由PWM占空比决定的。

阶段4（t₃～t₄）：在t₃时刻，主开关管V₁被关断。由于主开关管V₁并联电容C₁和二极管并联电容C₂的作用，主开关管是在零电压条件下关断的。在输入电感电流i_L的作用下，主开关管并联电容C₁被充电，升压二极管VD₂并联电容C₂被放电，到t₄时刻，升压二极管VD₂两端的电压降低至零，VD₂开始导通。主开关管V₁两端电压达到V_o，本阶段结束。

阶段5（t₄～t₅）：t₄时刻，升压二极管VD₂导通。在这个阶段里，储存在输入电感L的磁量通过VD₂向负载释放，主开关管V₁两端电压被箝位为V_o。本阶段持续时间也是由PWM占空比决定的。

阶段6（t₅～t₆）：t₅时刻，辅助开关管V₃被关断，升压二极管VD₂保持导通。此时辅助谐振电感L₁中的电流已经变为负向，所以主开关管并联电容C₁被放电，辅助开关管并联电容C₃被充电。如果辅助谐振电感L₁中的能量足够大，到t₆时刻，主开关管V₁两端的电压可以下降为零，其体内二极管开始导通。主开关管V₁可以在零电压条件下导通，到t₆时刻，V₃两端的电压达到V_o，C₃充电完成，V₃两端的电压被箝位为V_o，直到t₁时刻。

在t₆时刻之后，重复下一个开关周期。

根据上面的分析，在变换器的一个开关周期内，主开关管V₁、辅助开关管V₃和二极管VD₂都是被箝位的，箝位电压均为V_o。辅助开关管总是零电压开关的，而主开关管在满足软开关条件时，可以实现零电压开关。