一种新颖的三电平软开关功率因数校正电路

第 22卷 第 10期 中 国 电 机 工 程 学 报 Vol.22 No.10 Oct 2002 2002年 10月 Proceedings of the CSEE ©2002 Chin.Soc.for Elec.Eng. 文章编号 0258-8013 (2002) 10-0022-06 一种新颖的三电平软开关功率因数校正电路 吴 洪 洋 何 湘 宁 浙江大学电力电子技术研究所 浙江 杭州 310027 A NOVEL THREE-LEVEL POWER FACTOR CORVECT CIRCUIT WITH PASSIVE SOFT SWITCHING WU Hong-yang, HE Xiang-ning (Power Electronics Institute of Zhejiang University, Hangzhou 310027, China) ABSTRACT: The paper pvesnts a novel single phase there- level PFC circuit with passive soft switching. The three-level Buck and Boost topologies are derived from the traditional diode clamped three-level inverters' bridge leg firstly. Then, a single phase three-level PFC circuit is discussed based on the three-level BOOST topology. Two passive soft switching snubber cells are added to three-level PFC circuit to soften the switching processes of the switches and freewheeling diodes. It's operating principle and design considerations are discribled in detail. At last, a 2kW prototype of the single phase three- level PFC with the passive soft switching is built and tested. The simulated and experimental results show that the circuit can realize the three-level PFC function and increase system efficiency as well as have no over-voltage stress on main power switches. KEY WORDS: multilevel converter; PFC; soft switching 摘要 多电平变换技术 功率因数校正技术 以及软开关 技术 是目前电力电子技术领域的 3 个研究热点 该文在 这三者之间找到了一个应用的契合点 提出了一种新颖的 单相三电平无源无损软开关 PFC 电路拓扑 论文首先从传 统的二极管箝位型三电平变换器中推导出具有实用价值的 三电平 Buck和 Boost电路拓扑 以后者为基础 重点研究 了基于三电平 Boost 电路的三电平 PFC 电路的原理及实现 问题 为了提高系统的效率 且不增加控制的复杂性 将 一种无原理性过压的无源无损软开关电路单元引入该电 路 文中详细地介绍了其原理和工作过程 给出了相应的 设计要点 并进行了仿真研究 最后 设计了 1台 2 kW 三 电平无源无损软开关 PFC 电路样机 实验结果表明 该电 基金项目 国家自然科学基金项目 59947006 台达电力电子 科教发展基金 Project Supported by National Natural Science Foundation of China (59947006). 路不仅实现了三电平 PFC 的功能 而且所有功率器件均工 作在软开关状态 系统效率高 关键词 多电平变换器 功率因数校正 软开关 中图分类号 TM464 文献标识码 A 1 引言 近年来 人们对电力电子装置的电压等级和 功率等级的要求不断提高 多电平变换器作为顺应 这一潮流的一种解决 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 正受到越来越多的关 注[1] 与此同时 随着大量电力电子装置的普及使 用 其对电网造成日益严重的谐波污染问题 各国 都对电力电子装置的功率因数制定了严格的标准 因此 对功率因数校正 PFC 电路的拓扑结构和 控制技术的研究 是近年来电力电子技术领域的又 一研究热点 另一方面 由于众所周知的原因 高 频化是电力电子学一直追求的目标 伴随着高频 化 功率器件的开关损耗问题成为一个日益突出的 矛盾 由此软开关技术应运而生 它成为降低开关 损耗 提高系统效率以及改善 EMI 问题的一个重 要手段 本文在上述电力电子技术研究的 3个热点 中找到一个应用的契合点 提出了一种新颖的单相 三电平无源无损软开关 PFC 电路拓扑 在分析传 统二极管箝位型三电平逆变桥臂拓扑结构的基础 上 推导出具有实用价值的三电平 Buck 和 Boost 电路 讨论了由三电平Boost电路构成的三电平PFC 电路的原理及实现问题 为了提高系统的效率且不 增加控制的复杂性 将一种无原理性过压的无源无 损软开关的基本单元应用于三电平 PFC 电路中 实现了功率器件的软开关 提高了系统的效率 最 后给出了仿真和实验结果 万方数据 第 10期 吴洪洋等 一种新颖的单相三电平无源无损软开关PFC电路 23 2 单相三电平 PFC 电路的来源 原理和实 现 2.1 单相三电平PFC电路的来源 正如传统的两电平逆变桥臂可以很容易地拆 分得到 Buck 和 Boost 电路 采用类似的 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 也 可以将图 1(a)所示的二极管箝位型三电平逆变器桥 臂 经过适当地改进 [2] 拆分为如图 1(b) 1(c)所 示的具有实用价值的三电平 Buck和 Boost电路 S1 S2 S3 S4 D4 D3 D2 D1 L I · ·· · · ·· · · · · · ·· · · C1 C2 + + + C1 C2 C2 C1 L L D1 D2 D1 D2 S1 S2 S1 S2 + + _ __ + + _ · ·· · · · · ·· ·· ·· · · · · ··· · (a) 二极管箝位型三电平变换器单桥臂电路拓扑 (b) 实用的三电平Buck电路 (c) 实用的三电平 Buck电路 + _ _ I I 图1 三电平桥臂拆分得到的具有实用价值的三电平 Buck 和 Boost电路 Fig.1 Practical three-level Buck, Boost topology from three-level converters 2.2 单相三电平 PFC电路的原理和实现 Boost 电路因其输入电流连续 拓扑结构简单 效率高等特点 常被作为单相 PFC 电路拓扑的首 选 但因 Boost电路的升压特性 在 220 V交流输 入的情况下 输出电压通常控制在 400 V左右 在 升压比例不变的情况下 若输入电压进一步升高 相应的输出电压也会随之上升 或者在输入电压不 变的情况下 希望有高的输出电压 这都意味着 Boost电路中的功率器件需要承受 400 V以上的电 压应力 这样 一方面增加了器件的开关损耗和通 态损耗 另一方面 当电压升高到一定程度时 给 器件的选择带来了困难 这在希望高压 高频运行 的单相 PFC 电路中成了一个很难解决的矛盾 因 此 单相三电平 Boost电路 为解决这一矛盾提供 了一个很好的途径 将单相三电平 Boost 电路用作 PFC 的主电路 在文献[3,4]中曾被提出和研究 但它们都是突兀的 直接给出 并没有如本文所述给出其来源 其控制 的基本思想是将工作范围分为两个区域 根据输入 电压 Vi的幅值和二分之一输出电压 Vo/2 幅值的比 较 采用不同的工作模式 实现 PFC的功能 三电平 PFC电路的控制实际上和两电平 PFC 电路的控制没有本质区别 它的主要目的仍是输入 电流跟踪输入电压 但由于特殊的电路结构 需在 原有的控制逻辑中附加如下额外的判断条件 L1=1 Vi >VO/2 or L1=0 ViV2 or L2=0 V11/2Lr1Ii2 (21) 上式表明 应选较大的 Cr1并希望 Irr较大 3 从式(9) (18)可以看出 Cr1越大 开关 管 S1的电流应力和续流二极管 D1的电压应力也将 越大 可见 Lr1 Cr1的取值应综合考虑 折中选 取 根据式 (18) 二极管上的过压近似等于 )/( 111 sr CCV 所以 Cs1与 Cr1的值应尽可能大 工程中选择 25倍以上, 可得到 0.2倍 V1的过压 4 从上面的分析还可看出 开关管 S1关断 时无原理性过压 续流二极管 D1开通时无原理性 过流 4 仿真和实验结果 为验证本文提出的无源无损软开关技术的有 效性 将该无源无损软开关单元附加于三电平 PFC 电路中 建立了 1台新颖的 2 kW单相三电平无源 无损软开关 PFC 电路样机 相关电路参数如下 输入电感 2 mH 功率器件选用 IRFP460(两管并 联) 快恢复二极管选用 HFA25TB60 输出电容 C1=C2=1410 mF 交流输入电压 220 V 输出电压 (a) 工作阶段 1 (b) 工作阶段 2 · D11 D12 D13 Cr1Vcr1 Cs1Vcs1 ILr1 Lr1 Lr2 A O B S1 S2 D2 D21 D22 D23 Cs2 C2 V2 C1 V1 Ii L · · D11 D12 D13 Cr1Vcr1 Cs1Vcs1 ILr1 Lr1 Lr2 A O B S1 S2 D2 D21 D22 D23 Cs2 C2 V2 C1 V1 Ii L · (c) 工作阶段 3 (d) 工作阶段 4 · D11 D12 D13 Cr1Vcr1 Cs1Vcs1 ILr1 Lr1 Lr2 A O B S1 S2 D2 D21 D22 D23 Cs2 C2 V2 C1 V1 Ii L · · D11 D12 D13 Cr1Vcr1 Cs1Vcs1 ILr1 Lr1 Lr2 A O B S1 S2 D2 D21 D22 D23 Cs2 C2 V2 C1 V1 Ii L · Cr2 Cr2 + + + + _ + _ + Cr2 Cr2 + + + + D1D1 D1 D1 (e) 工作阶段 1 (f) 工作阶段 2 · D11 D12 D13 Cr1Vcr1 Cs1Vcs1 ILr1 Lr1 Lr2 A O B S1 S2 D2 D21 D22 D23 Cs2 C2 V2 C1 V1 Ii L · · D11 D12 D13 Cr1Vcr1 Cs1Vcs1 ILr1 Lr1 Lr2 A O B S1 S2 D2 D21 D22 D23 Cs2 C2 V2 C1 V1 Ii L · Cr2 Cr2 + + + + D1 D1 万方数据 26 中 国 电 机 工 程 学 报 第 22卷 (g) 工作阶段 3 (h) 工作阶段4 · D11 D12 D13 Cr1Vcr1 Cs1Vcs1 ILr1 Lr1 Lr2 A O B S1 S2 D2 D21 D22 D23 Cs2 C2 V2 C1 V1 Ii L · · D11 D12 D13 Cr1Vcr1 Cs1Vcs1 ILr1 Lr1 Lr2 A O B S1 S2 D2 D21 D22 D23 Cs2 C2 V2 C1 V1 Ii L · Cr2 Cr2 + + + + D1 D1 图4 三电平无源无损软开关电路工作过程 Fig.4 Operating stages of three-level PFC with soft switching Vg1 Vs1 Is1 Ir1 Vcr1 Vcs1 VD1 ID1 ID11 ID12 ID13 t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t0 t1 t3 图5 三电平软开关 PFC相关换流波形 Fig. 5 Corresponding waveforms of three-level PFC with soft switching u/V 208 364 30 40 50 60 t/ms -25 图6 三电平 PFC仿真波形 Fig.6 Simulation waveform of three-level PFC 5ms/div 100V/div 图7 三电平 PFC实验波形 Fig. 7 Experimental waveform of three-level PFC 400V 开关频率 40 kHz 谐振电感 Lr1(2) 为 18mH 谐振电容 Cr1(2) 为 43nF 储能电容 Cs1(2) 为 1mF 辅助二极管 D1(2)1,D1(2) 2,D1(2) 3为 MUR8100 图(6) 是利用 Pspice8.0 仿真软件得到的仿真结果 可以 看出输入电流能很好地跟踪输入电压 电路运行 在三电平状态 中点电压是平衡的 相应的实验波 形如图(7)所示 实验结果和仿真结果非常一致 100MW/div 2ms/div (a) 开关管 S1的电压 电流波形 (b) 续流二极管D1的电压 电流波形 5ms/div 100V/div U I 图8 硬开关管电压 电流波形 Fig.8 Voltage and current waveform on power devices under hard switching 图 8 所示为硬开关条件下 开关管和续流 二极管的电压和电流波形 图 9 给出的是附加 无源无损软开关单元后 相应的电压和电流波形 显然 后者很好的实现了开关管和续流二极管的软 开关运行 从图中可以看出 开关管的开通过程是 很好的零电流开通 但关断过程 电压和电流有一 很小重叠区域 事实上 如果增大谐振电容 Cr1(2) 管电压的上升斜率将减小 零电压关断的情况会更 好 只是相应的开通电流过冲会增大 这一点从式 9 和 18 可以清晰体现 图中的软开关过程 是在综合考虑开通电流过冲和关断电压缓升后 折 中选择电路参数所得到的结果 并且 开关管关断 过程无过压 二极管开通时无过流 验证了前文的 分析 从仿真和实验波形 还可以观察到一个很重 要的现象 在每周期电流波形的 两肩 电流波 形各有一个畸变 这 2个位置正好对应不同工作区 域之间过渡的时刻 其产生的原因 可能是由工作 区域逻辑的滞环特性以及电流环的动态响应较慢所 致 正是这个畸变使三电平 PFC 的功率因数有所 降低 实验实测 PF约为 0.97左右 图 10 给出 的是软开关条件下 三电平 PFC 电路输入电压和 输入电流波形 对比图 7(a 不难发现 前者的输 入电流波形优于后者 实验结果证实了观察到的现 象 实测的软开关三电平 PFC的 PF值约 0.99左 万方数据 第 10期 吴洪洋等 一种新颖的单相三电平无源无损软开关PFC电路 27 100V/div 2ms/div (a) 开关管 S1的电压 电流波形 (b) 续流二极管 D1的电压 电流波形 5ms/div 100V/div 图9 软开关管电压 电流波形 Fig.9 Voltage and current waveform on MOSFET with proposed passive lossless snubber 右 这是使用软开关吸收电路的一个意外收获 其 原因在于 由于谐振电感串入续流二极管所在支 路 限制了在工作区域过度时刻的电流突变 减小 了输入电流的畸变 因而相应地提高了 PF 值 图 11 给出的是在不同功率条件下 硬开关和无源 无损软开关的效率对比曲线 结果表明 所提供的 无源无损软开关 PFC 电路 较之相应的硬开关电 路 效率明显的提高 100V/div 5ms/div 图10 软开关三电平 PFC电路输入电压 电流波形 Fig.10 Input voltage and current waveforms of three-level PFC with proposed soft switching 5 结论 利用电路拓扑结构的改进 提高电力电子装置 的电压和功率等级的多电平变换技术 改善电力电 子装置功率因数的 PFC 技术 以及提高系统效率 改善电力电子装置 EMI特性的软开关技术 是目 400 800 1200 1600 2000 P/W h/% 92 93 94 图11 三电平 PFC硬开关 软开关效率曲线 Fig.11 Efficiency curve of three-level PFC with hard switching /soft switching 前电力电子技术领域的 3 个研究热点 本文在这 3 者之间找到了一个应用的契合点 提出了一种新颖 的单相三电平无源无损软开关 PFC 电路拓扑 介 绍了这种电路拓扑的来源 工作原理 实现方法 以及相应的无源无损软开关电路的电路拓扑 工作 过程和设计原则 并进行了仿真和实验研究 结果 表明 该电路不仅实现了三电平 PFC 的基本功能 大大降低了开关管的电压应力 而且实现了开关管 和续流二极管的软开关运行 提高了系统效率 且 没有带来控制上的复杂性 是一种既有理论意义 又有实用价值的电路拓扑 参考文献 [1] Lai Jihsheng, Peng Fangzheng. Multilevel converter-a new breed of power converters [J].IEEE Trans. on Industrial Applications.1996, 32(3) 509-517. [2] 吴洪洋(Wu Hongyang). 多电平变换器及其相关技术研究 [D].杭 州 浙江大学(Hangzhou Zhejiang University)2001. [3] Michael T. Zhang et al, Single phase three-level boost power factor corrector converter[C].Proc. IEEE APEC'95 434-439 [4] Lin Borren, Lu Hsinhung. Single-phase three-level PWM rectifier [C].Proc. IEEE PEDS'99 63-68. [5] 邓焰 何湘宁 钱照明(Deng Yan,He Xiangning, Qian Zhaoming). 有 源与无源吸收网络 [J].电工技术学报 1999,14(9) 29-34. [6] Deng Yan et al., Unified passive circuit for snubber energy recovery in UPS inverters[C]. IEEE Proc. INTELEC'2000 119-124. [7] 何湘宁 邓焰(He Xiangnig,Deng Yan). 一种含无源无损耗吸收电 路的逆变电源装置(An inverter with passive lossless snubber) [P].中 国专利(China Patent)No. ZL99213490.0 [8] K.Mark Smith Jr, K.M. Smedley. Engineering design of lossless passive soft switching method for PWM converters--with minimum voltage stress circuit cells [C]. Proc. IEEE, APEC'98 1055-1062. 收稿日期 2001-12-16 作者简介 吴洪洋 1971- 男 博士 主要从事功率变换器拓扑及控制技 术研究工作 何湘宁 1961- 男 博士 教授 博士生导师 主要从事电力 电子技术及其工业应用方面的研究和工程设计工作 责任编辑 王彦骏 万方数据