基于軟開關(guān)MERS PFC電路拓?fù)浼靶阅芊治?/h1>
2017-11-14 03:26程苗苗劉治國涂春鳴張忠杰包躍躍
電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報 2017年10期
程苗苗，劉治國，涂春鳴，張忠杰，包躍躍
（湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，長沙 410082）
基于軟開關(guān)MERS PFC電路拓?fù)浼靶阅芊治?/p>
程苗苗，劉治國，涂春鳴，張忠杰，包躍躍
（湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，長沙 410082）
由于電流連續(xù)型功率因數(shù)校正（CCM PFC）電路能夠最大限度地減少網(wǎng)側(cè)電流諧波以及提高網(wǎng)側(cè)的輸入功率因數(shù)，被廣泛地應(yīng)用于各種功率變換器的前端電路結(jié)構(gòu)中。文中基于電感電容諧振的軟開關(guān)技術(shù)，提出了一種新型的CCM PFC電路拓?fù)洹拍芑貜?fù)開關(guān)型功率因數(shù)校正（MERS PFC）電路。通過合理的控制，該電路不僅具有較高的輸入功率因數(shù)，同時實現(xiàn)了全功率開關(guān)器件的零電流開通及零電壓關(guān)斷。其次，文中對所提出的電路拓?fù)浣㈦姎饽Ｐ?，詳?xì)分析了每一個開關(guān)周期內(nèi)的電壓電流工作特性，推導(dǎo)出其升壓比計算公式，仿真驗證了建模以及公式推導(dǎo)的正確性。在此基礎(chǔ)上，文中詳細(xì)討論了所提出的MERS PFC電路的工作性能。計算表明，在開關(guān)頻率為10 kHz時，該電路的功率器件損耗比傳統(tǒng)boost PFC電路減少了約39%，具有更高的效率。同時，在同樣的參數(shù)條件下，和傳統(tǒng)的boost PFC電路相比，所提出的新型結(jié)構(gòu)具有更高的升壓能力。最后，實驗結(jié)果驗證了所提出的MERS PFC電路及其軟開關(guān)工作特性。
電路拓?fù)洌还β室驍?shù)校正；軟開關(guān)技術(shù)；性能分析
隨著開關(guān)電源、不間斷電源等電力電子設(shè)備的廣泛應(yīng)用，電網(wǎng)電流的諧波問題日趨嚴(yán)重。這個問題已經(jīng)引起了普遍的關(guān)注[1-4]。功率因數(shù)校正PFC（power factor correction）技術(shù)因其能減少電流的諧波含量和提高電網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)成為新的研究熱點。然而，傳統(tǒng)的功率因數(shù)校正電路因其開關(guān)采用硬開關(guān)技術(shù)，隨著開關(guān)頻率的增加，電路的開關(guān)損耗、二極管的反向恢復(fù)損耗和電磁干擾逐漸增大，為解決這些問題，提出各種軟開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中在主電路開關(guān)器件中增加一個輔助換相電路來實現(xiàn)零電壓開關(guān)或零電流開關(guān)方法引起學(xué)者們的關(guān)注和研究。這種通過輔助換相電路實現(xiàn)主電路開關(guān)器件的軟開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，雖然使主開關(guān)器件實現(xiàn)了軟開關(guān)特性，但是輔助開關(guān)器件仍然采用的硬開關(guān)技術(shù)，不能很好地減少開關(guān)損耗，提高效率，同時這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的控制難度增加[5-8]。
另一方面，新型的軟開關(guān)電路拓?fù)鋯卧拍芑貜?fù)開關(guān)MERS（magnetic energy recovery switch）被提出并得到廣泛關(guān)注[9-11]。該電路利用電感和MERS內(nèi)置電容的諧振從而實現(xiàn)開關(guān)的零電壓關(guān)斷以及零電流開通，大大降低開關(guān)損耗[9]。本文將其用于傳統(tǒng)的升壓PFC電路中，研究MERS在功率因數(shù)校正方面的應(yīng)用，以實現(xiàn)電流連續(xù)模式下的軟開關(guān)功率因數(shù)校正電路。文中首先對MERS PFC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及軟開關(guān)工作狀態(tài)進(jìn)行了分析，仿真結(jié)果驗證了MERS PFC在實現(xiàn)功率因數(shù)校正的同時，實現(xiàn)了功率管零電壓關(guān)斷、零電流開通的軟開關(guān)技術(shù)，其次，對所提出的MERS PFC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化并建立電氣模型，詳細(xì)分析其在每一個開關(guān)周期內(nèi)的電壓電流特性，推導(dǎo)出其升壓比計算公式，仿真結(jié)果驗證了建模和公式推導(dǎo)的正確性。在此基礎(chǔ)上，分析討論了MERS PFC電路的工作性能。最后，實驗結(jié)果驗證了MERS PFC電路能實現(xiàn)功率因數(shù)校正及其軟開關(guān)工作特性。
1 MERS PFC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及軟開關(guān)工作過程分析
1.1 MERS PFC電路
如圖1所示，在傳統(tǒng)的升壓型功率因數(shù)校正電路（boost PFC）的基礎(chǔ)上，把boost電路中的功率管換成具有軟開關(guān)特性的MERS，從而構(gòu)建一種新型的功率因數(shù)校正電路，簡稱MERS PFC，其中MERS結(jié)構(gòu)由一個小電容、兩個功率管和兩個二極管構(gòu)成。
圖1 MERS PFC電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Topology of MERS PFC circuit
1.2 MERS PFC電路軟開關(guān)工作過程
MERS PFC電路軟開關(guān)工作狀態(tài)主要包括電容放電模式、并聯(lián)傳導(dǎo)模式、電容充電模式和MERS旁路模式4個階段，如圖2所示。
電容放電模式：假設(shè)MERS中的電容先預(yù)存電荷，當(dāng)開關(guān)S1和S2開通時，電容開始放電，由于電感Ls的限流作用，使通過MERS的電流從0開始逐漸上升，從而實現(xiàn)了零電流開通。電容放電結(jié)束后，進(jìn)入并聯(lián)傳導(dǎo)模式，電容電壓維持為零電壓，電流分別通過S1和D2、S2和D1形成回路，此時通過開關(guān)S1或S2的電流為MERS輸入電流的一半，直到S1和S2關(guān)斷，該階段結(jié)束。電容放電模式：開關(guān)S1和S2關(guān)斷，電流經(jīng)二極管D1和D2對電容進(jìn)行充電，電容電壓從零開始迅速增加，從而實現(xiàn)了零電壓關(guān)斷。MERS旁路模式：MERS被旁路，電流全部通過輸出二極管對負(fù)載和濾波電容供電。這一階段維持到下一個開關(guān)周期。
圖2 基于MERS的軟開關(guān)電路的狀態(tài)分析Fig.2 State analysis of MERS-based soft-switching circuit
2 MERS PFC電路仿真驗證
本文采用PSIM軟件進(jìn)行仿真，對所提出電路的功率因數(shù)校正以及軟開關(guān)工作特性進(jìn)行驗證。根據(jù)如圖1所示的主電路圖搭建仿真模型，電路仿真參數(shù)如表1所示。
表1 MERS PFC電路仿真參數(shù)Tab.1 Simulation parameters of MERS PFC circuit
在控制方法上，本文采用了預(yù)測占空比控制[12-13]，通過計算出合理的占空比來提高輸入功率因數(shù)。仿真結(jié)果如圖3和圖4所示。
圖3是輸入電壓uac和輸入電流iac波形，從圖3的仿真結(jié)果可以看出uac和iac基本保持同相位，測得功率因數(shù)為0.99。
圖3 輸入電壓和電流波形Fig.3 Waveforms of input voltage and input current
圖4是在每個開關(guān)周期內(nèi)MERS中各部分的電壓電流波形，由圖4的仿真結(jié)果可知，在MERS電容電壓為零的這一區(qū)間里實現(xiàn)了MERS中功率管的零電壓關(guān)斷，由于MERS結(jié)構(gòu)前電感Ls的限流作用，使流過MERS的電流從0逐漸上升，從而實現(xiàn)了功率管的零電流開通。
圖4 每個開關(guān)周期內(nèi)的各部分電壓、電流波形Fig.4 Waveforms of voltage and current of different parts in every switching cycle
從圖3和圖4仿真結(jié)果表明，采用預(yù)測占空比控制的MERS PFC電路不僅能夠?qū)崿F(xiàn)單位功率因數(shù)，而且實現(xiàn)了開關(guān)器件的軟開關(guān)特性，從而降低電路的開關(guān)損耗，提高了效率；同時，軟開關(guān)技術(shù)減小了對功率器件的電壓應(yīng)力和電流應(yīng)力，并大大減小了電路的電磁干擾EMI。
3 電氣建模及電路性能分析
從圖2可以看出，基于MERS結(jié)構(gòu)的軟開關(guān)電路的工作狀態(tài)在一個開關(guān)周期內(nèi)有4個階段，因此可以分別根據(jù)這4個階段的電壓電流特性建立起基于MERS軟開關(guān)電路的電氣模型。為了討論問題的方便，將MERS PFC電路的不可控整流輸出的脈動直流電壓用一恒定的電壓源替換，即構(gòu)建基于MERS的boost電路，簡稱MERS boost變換器，如圖5所示。
圖5 MERS boost變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.5 Topology of MERS boost converter
本文以MERS boost變換器為例建立基于MERS軟開關(guān)電路的電氣模型。
3.1 基于MERS軟開關(guān)電路的電氣建模
在電流連續(xù)模式下，假設(shè)輸出濾波電容很大，使輸出電壓Udc保持恒定，同時假設(shè)輸入電壓E保持恒定，則在每個開關(guān)周期內(nèi)基于MERS的軟開關(guān)電路仿真的電感電流、輸出電壓及MERS電容電壓的波形如圖6所示，其中，Udc為輸出電壓，uC為MERS電容電壓。
圖6 電感電流和電壓波形Fig.6 Waveforms of induction current and voltage
文中首先根據(jù)MERS boost電路每個開關(guān)周期的電壓和電感電流的工作特性推導(dǎo)出電感電流在圖2所示的每一階段結(jié)束后的數(shù)學(xué)公式。
3.1.1 電容放電模式
MERS內(nèi)置小電容放電，其放電所產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)移到電感L上，則有
式中：uL為輸入電感電壓；E為輸入直流電壓；iL為輸入電感電流；L為輸入電感。聯(lián)立式（1）和式（2）可以推出
假設(shè)電感電流初始值為iL（t0），結(jié)合圖6可知其初始條件為
求解以上微分方程，從而得到MERS經(jīng)電容放電模式結(jié)束時的電感電流iL（t1）為
式中，Tdis=t1-t0為MERS中電容放電所需時間。
3.1.2 并聯(lián)傳導(dǎo)模式
此時電容電壓為0，直流電源E對電感充電?？傻貌⒙?lián)傳導(dǎo)模式結(jié)束時的電感電流iL（t2）為
式中，d為占空比。
3.1.3 電容充電模式
當(dāng)開關(guān)管S1和S2關(guān)斷后，直流電源通過電感和二極管D1、D2對MERS中電容進(jìn)行充電，在這一階段有
該階段的初始條件為
求得電容充電模式結(jié)束時的電感電流iL（t3）為
式中，Tcha=t3-t2為MERS中電容充電所需時間。
3.1.4 MERS旁路模式
此時電容電壓為輸出電壓Udc，直流電源和電感一起對負(fù)載放電，求得該階段結(jié)束時的電感電流iL（t4）為
在電流連續(xù)模式下，式（5）、式（6）、式（9）和式（10）分別為MERS PFC電路在每個階段結(jié)束時的電感電流的理論公式。
其次，根據(jù)已知條件推導(dǎo)出穩(wěn)定運行時電感電流在每個開關(guān)周期內(nèi)的最小值iL（t0）、最大值iL（t2）跟輸入直流電壓E和輸出電壓Udc的關(guān)系。
當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定運行時，上一開關(guān)周期結(jié)束后的電感電流iL（t4）也就是下一開關(guān)周期開始的電感電流iL（t0），故有
聯(lián)立式（5）、式（6）、式（9）～式（11），可以推出iL（t0）關(guān)于輸入直流電壓E和輸出電壓Udc的函數(shù)，即
其中：
根據(jù)式（5）和式（6）可求得最大值iL（t2）與輸入直流電壓E和輸出電壓Udc的關(guān)系。
最后，由有效值定義計算出每個開關(guān)周期電流的有效值，理論上，該有效值應(yīng)與據(jù)功率守恒計算出來的有效值相等，從而推導(dǎo)出其升壓比公式。
由于MERS中小電容充放電時間比較短，因此在圖6所示的仿真圖中，從t0到t1、t2到t3這兩段時間內(nèi)，這兩段電感電流的變化用直線來近似描述，那么電感電流在每個開關(guān)周期內(nèi)波形為如圖7所示的三角波。
圖7 電感電流波形近似Fig.7 Approximation of induction current waveforms
根據(jù)圖7，由有效值定義，推導(dǎo)出電感電流在一個開關(guān)周期內(nèi)的有效值iL，rms為
將式（6）和式（12）代入到式（13）中，即可得到電感電流有效值iL，rms是關(guān)于輸出電壓Udc和輸入直流電壓E和占空比d的方程。
根據(jù)功率守恒可以求得理想的電感電流有效值為
由式（13）和式（14）可知
從而得到輸出電壓Udc是關(guān)于輸入電壓E、負(fù)載電阻R和占空比d的函數(shù)。
通過理論分析得出，在電流連續(xù)模式下，當(dāng)占空比一定時，輸出電壓隨著負(fù)載電阻R變化而變化，當(dāng)負(fù)載電阻R一定時，其輸出電壓隨著占空比變化而變化。
3.2MERS PFC性能分析
3.2.1 升壓比特性
對圖2所示MERS PFC的工作狀態(tài)進(jìn)行分析，在每個開關(guān)周期內(nèi)，MERS結(jié)構(gòu)中的小電容在開通期間將儲存的能量轉(zhuǎn)移到電感上，在關(guān)斷期間將該能量轉(zhuǎn)移到輸出側(cè)，因此，與傳統(tǒng)功率因數(shù)校正電路相比，在同樣的占空比情況下，所提出的MERS PFC電路具有更高的升壓比。
本文對如圖5所示的MERS boost變換器與傳統(tǒng)boost變換器進(jìn)行仿真分析來比較其升壓比特性，從而推導(dǎo)出MERS PFC電路和傳統(tǒng)boost PFC電路的升壓比性能。仿真參數(shù)見表2。
表2 MERS boost電路仿真參數(shù)Tab.2 Simulation parameters of MERS boost circuit
根據(jù)理論公式（15）可知MERS boost變換器輸出電壓隨著負(fù)載電阻和占空比的變化而變化，假設(shè)占空比d取恒定值，如取d=0.5，觀察MERS boost變化器升壓比隨負(fù)載電阻的變化情況，如圖8所示。
圖8 固定占空比條件下，升壓比隨著負(fù)載變化情況Fig.8 Changes of boosting ratio with load at the same duty cycle
從圖8可以看出，MERS boost變換器仿真結(jié)果與數(shù)學(xué)建模得到的理論計算分析結(jié)果基本吻合，從而驗證了MERS boost變換器電氣模型的正確性。在負(fù)載R=300 Ω左右時，MERS boost變換器的升壓比是傳統(tǒng)boost變換器的2倍左右，且隨著負(fù)載電阻增大，MERS boost變換器與傳統(tǒng)boost變換器的升壓比差異越大。
為了討論升壓比與占空比的關(guān)系，假設(shè)負(fù)載R=200 Ω，當(dāng)占空比從0.1逐漸變化到0.9時，其升壓比的變化情況如圖9所示。
圖9 固定負(fù)載電阻條件下，升壓比隨占空比的變化情況Fig.9 Changes of boosting ratio with duty cycle with the same load resistance
從圖9可以看出，在電阻一定時，MERS boost變換器的升壓比隨著占空比增加而升高，當(dāng)d=0.5時，MERS boost變換器的升壓比是傳統(tǒng)的1.7倍左右，且隨著占空比的增加升壓比逐漸增大。這一結(jié)果說明了MERS PFC電路在升壓比這一性能上優(yōu)于傳統(tǒng)的boost PFC電路，仿真和計算結(jié)果的高度吻合證明了對MERS的軟開關(guān)電路的電氣建模的正確性。
圖10（a）是在占空比固定的條件下，升壓比隨Cs的變化情況。由圖10（a）可知，在占空比固定時，同一負(fù)載，不同的Cs值，其升壓比變化不同，升壓比隨著Cs增大而增大。圖10（b）是在負(fù)載電阻固定條件下，升壓比隨Cs變化情況。從圖10（b）可以看出，在固定負(fù)載電阻條件下，同一占空比時，Cs電容值增大，升壓比越大。以上仿真結(jié)果表明了MERS boost變換器的升壓比比傳統(tǒng)boost電路要高，且隨著MERS內(nèi)置電容Cs值的增大而愈明顯。
然而，MERS中電容Cs值越大，電容Cs兩端電壓峰值會很大，對器件的選擇有一定的限制，因此應(yīng)該結(jié)合兩方面的因素合理選擇電容Cs值。
圖10 升壓比隨不同Cs值的變化情況Fig.10 Changesofboostingratiowithdifferentvaluesof Cs
3.2.2 開關(guān)器件損耗
功率管和二極管損耗主要由開通損耗Pon、關(guān)斷損耗Poff和導(dǎo)通損耗Pcon3部分組成，其公式[14]分別為
式中：VFR為正向恢復(fù)最大電壓；VF為正向?qū)▔航?；IF為正向?qū)娏?；tfr為正向恢復(fù)時間關(guān)斷損耗；Qrr為反向恢復(fù)電荷；VR為反向恢復(fù)電壓；Kf為二極管反向恢復(fù)電流的溫度系數(shù)；irrm為反向恢復(fù)電流；trr為反向恢復(fù)時間；Id為通過二極管電流的平均值。
功率管IGBT的損耗計算公式為
式中：Eon為開通損耗，mJ；Eoff為關(guān)斷損耗，mJ；VCE為導(dǎo)通時IGBT集電極與發(fā)射極管壓降；ic為通過IGBT的集電極平均電流。
根據(jù)MERS PFC的仿真結(jié)果，結(jié)合型號為RHRP30120的快恢復(fù)二極管和FGA25N120ANTD的IGBT數(shù)據(jù)手冊，計算出MERS PFC和傳統(tǒng)boost PFC電路的開關(guān)器件損耗如表3所示。
表3 MERS PFC和boost PFC電路開關(guān)器件損耗Tab.3 Loss of switching device for MERS PFC and boost PFC circuits
從表3結(jié)果可以看出，在開關(guān)頻率為10 kHz時，雖然MERS PFC電路比傳統(tǒng)boost PFC電路需要更多數(shù)量的開關(guān)器件，但在開關(guān)器件損耗方面，MERS PFC電路比傳統(tǒng)的boost PFC電路減少了31.06 W，與傳統(tǒng)boost PFC開關(guān)器件相比減少了約39%的損耗。進(jìn)一步計算在不同的開關(guān)頻率下，兩種電路開關(guān)器件損耗如圖11所示。
圖11 開關(guān)器件損耗隨著開關(guān)頻率變化情況Fig.11 Changes of loss of switching device with the switching frequency
從圖11中可以看出，當(dāng)開關(guān)頻率小于1.1 kHz左右，MERS PFC電路開關(guān)器件損耗和傳統(tǒng)的boost PFC電路開關(guān)器件損耗近似相等；在開關(guān)頻率大于1.1 kHz左右時，MERS PFC電路比傳統(tǒng)boost PFC電路的開關(guān)器件損耗小，且隨著開關(guān)頻率的增大，兩種電路開關(guān)器件損耗差異越大。當(dāng)開關(guān)頻率為100 kHz時，MERS PFC電路比傳統(tǒng)的boost PFC電路減少了462.93 W，占傳統(tǒng)boost PFC開關(guān)器件損耗的90.4%。
由以上分析可知，隨著開關(guān)頻率的增加，MERS PFC電路與傳統(tǒng)的boost PFC電路相比，開關(guān)器件的損耗大大降低。同時，較高的開關(guān)頻率還有利于電路中電感等器件的選擇，進(jìn)一步減小損失，縮小體積。這表明實現(xiàn)軟開關(guān)技術(shù)的MERS PFC電路可以提高電路的整體效率，并且隨著開關(guān)頻率增加，效率提高越明顯。另一方面，軟開關(guān)技術(shù)減小了對功率器件的電壓應(yīng)力、電流應(yīng)力和二極管的反向恢復(fù)損耗，降低了電路的電磁干擾。
4 實驗驗證
實驗具體參數(shù)如表4所示。主電路中快恢復(fù)二極管的型號是RHRP30120，IGBT開關(guān)器件的型號是FGA25N120ANTD，采用預(yù)測占空比控制MERS PFC電路。
表4 MERS PFC電路實驗參數(shù)Tab.4 Experimental parameters of MERS PFC circuit
圖12是實驗測得的輸入電壓和輸入電流波形。圖13是實驗測得的在每一個開關(guān)周期內(nèi)，流過開關(guān)管IGBT的電流和其兩端電壓的波形。
圖12 輸入電壓和輸入電流波形Fig.12 Waveforms of input voltage and input current
圖13 IGBT兩端電壓和電流波形Fig.13 Waveforms of voltage and current of IGBT
從圖12中可以看出輸入電壓和輸入電流基本同相。實驗結(jié)果證明了采用預(yù)測占空比控制的MERS PFC電路能較好地實現(xiàn)功率因數(shù)校正的功能。
從圖13中可以看出，MERS PFC中功率管IGBT實現(xiàn)了零電流開通，零電壓關(guān)斷，從而減少了功率管的開關(guān)損耗，提高了效率。實驗結(jié)果驗證了MERS PFC電路實現(xiàn)功率因數(shù)校正的同時，也實現(xiàn)了全功率管的軟開關(guān)特性。
5 結(jié) 語
針對開關(guān)頻率增加時硬開關(guān)功率因數(shù)校正電路存在著開關(guān)損耗增大、電磁干擾嚴(yán)重等問題，文中提出一種新型的軟開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)MERS PFC，分析了MERS PFC的軟開關(guān)工作狀態(tài)，并建立了基于MERS軟開關(guān)電路的電氣模型，推導(dǎo)出升壓比公式。仿真和實驗結(jié)果驗證了MERS PFC在實現(xiàn)功率因數(shù)校正的同時，也實現(xiàn)了功率管的軟開關(guān)特性。文中對所提出的MERS PFC電路的升壓比和開關(guān)器件兩個方面的性能進(jìn)行詳細(xì)的分析計算。計算及仿真結(jié)果表明，在同樣參數(shù)條件下，MERS PFC電路與傳統(tǒng)boost PFC電路相比，前者具有更高的升壓能力和效率。
[1]李國華，張影，孫強，等（Li Guohua，Zhang Ying，Sun Qiang，et al）.有源電力濾波器選擇性諧波補償方法（Selective harmonic compensation method for active power filter）[J].電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報（Proceedings of the CSU-EPSA），2015，27（6）：32-36.
[2]喬和，劉陽，單錦寧，等（Qiao He，Liu Yang，Shan Jinning，et al）.改進(jìn)的變步長自適應(yīng)諧波檢測算法（Adaptive harmonic detecting algorithm based on improved variable step-size）[J].電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報（Proceedings of the CSU-EPSA），2015，27（5）：23-27.
[3]葛少云，董佳霖，劉福潮，等（Ge Shaoyun，Dong Jialin，Liu Fuchao，et al）.配電網(wǎng)諧波治理降損效果實證方法（Empirical method of harmonic control loss reduction effect in distribution network）[J].電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報（Proceedings of the CSU-EPSA），2015，27（3）：1-4.
[4]劉桂英，粟時平，謝海麗，等（Liu Guiying，Su Shiping，Xie Haili，et al）.廣義有源電力濾波器指令電流檢測的廣義諧波理論法（Generalized harmonic theory method for detection of referential current of generalized active power filter）[J].電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報（Proceedings of the CSU-EPSA），2015，27（11）：34-39.
[5]Chen Jiann-Fuh，Chen Ren-Yi，Liang Tsorng-Juu.Study and implementation of a single-stage current-fed boost PFC converter with ZCS for high voltage applications[J].IEEE Trans on Power Electronics，2008，23（1）：379-386.
[6]Jain N，Jain P K，Joos G.A zero voltage transition boost converter employing a soft switching auxiliary circuit with reduced conduction losses[J].IEEE Trans on Power Electronics，2004，19（1）：130-139.
[7]Wang Chien-Ming，Lin Chang-Hua，Lu Chienmin，et al.Design and realisation of a zero-voltage transition pulsewidth modulation interleaved boost power factor correction converter[J].IET Power Electronics，2015，8（8）：1542-1551.
[8]楊德剛，趙良炳（Yang Degang，Zhao Liangbing）.軟開關(guān)技術(shù)回顧與展望（An overview on soft-switching technique）[J].電力電子技術(shù)（Power Electronics），1998（2）：96-101.
[9]Cheng Miao-miao，Mustapha I B，Takanori I，et al.Collective dimming of discharge lamps with improved input power factor using MERS-PFC converter[C]//IEEE Conversion Congress and Exposition.Phoenix，USA，2011：2857-2864.
[10]姜凱（Jiang Kai）.基于MERS技術(shù)的熒光燈節(jié)能技術(shù)的研究與開發(fā)（Energy-Saving Technology Research and Development of Fluorescent Based on MERS）[D].廣州：華南理工大學(xué)電力學(xué)院（Guangzhou：School of Electric Power，South China University of Technology），2014.
[11]Wei Yewen，Kang Longyun，Qi Rujun，et al.Optimal control of SVC-MERS and application in SCIG powered micro-grid[C]//IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition.Fort Worth，USA，2014：3367-3373.
[12]Zhang Wanfeng，F(xiàn)eng Guang，Liu Yanfei，et al.A digital power factor correction（PFC）control strategy optimized for DSP[J].IEEE Trans on Power Electronics，2004，19（6）：1474-1485．
[13]Buso S，Mattavelli P，Rossetto L，et al.Simple digital control improving dynamic performance of power factor preregulators[J].IEEE Trans on Power Electronics，1998，13（5）：814-823.
[14]曹建安，裴云慶，王兆安（Cao Jian’an，Pei Yunqing，Wang Zhao’an）.Boost PFC電路中開關(guān)器件的損耗分析與計算（Analysis of power dissipation of switching components in boost PFC circuit）[J].電工電能新技術(shù)（Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy），2002，21（1）：41-44.
Topology and Performance Evaluation Based on Soft-switching of MERS PFC Circuit
CHENG Miaomiao，LIU Zhiguo，TU Chunming，ZHANG Zhongjie，BAO Yueyue
（College of Electrical and Information Engineering，Hunan University，Changsha 410082，China）
Owing to the fact that continuous current mode power factor correction（CCM PFC）circuit can be used to significantly reduce current harmonics and improve the power factor on grid-side，it is widely used in the front-end circuit of different power converters.Based on the soft-switching technology of LC resonant circuit，a novel CCM PFC circuit topology，i.e.，a magnetic energy recovery switch power factor correction（MERS PFC）circuit，is proposed in this paper.First，through proper control，this circuit not only possesses a high input power factor，but also achieves zero current turn-on and zero voltage turn-off on a full power switching device.Then，an electrical model is established for the proposed circuit，and the voltage-current operation characteristics in each switching cycle are analyzed in detail.Moreover，a boost ratio formula is proposed，and simulation results prove the validity of modeling and derived formulas.On this basis，the operation performance of MERS PFC circuit is discussed.Calculation results show that compared with the traditional boost PFC circuit，the loss of the proposed circuit is reduced by about 39%at the switching frequency of 10 kHz，indicating a higher efficiency；meanwhile，it has a higher boost capacity with the same parameters.Finally，experimental results verify the proposed MERS PFC circuit and its soft-switching operation characteristics.
circuit topology；power factor correction（PFC）；soft-switching technology；performance evaluation
TM714
A
1003-8930（2017）10-0022-08
10.3969/j.issn.1003-8930.2017.10.005
2016-01-28；
2017-07-23
國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金資助項目（51307048）；湖南省科技計劃資助項目（2015WK3004）
程苗苗（1982—），女，博士，副教授，研究方向為軟開關(guān)技術(shù)、無功補償、分散式電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性。Email：mmcheng_hnu@126.com
劉治國（1992—），男，碩士研究生，研究方向為軟開關(guān)DCDC變換器拓?fù)浼捌淇刂品椒?。Email：liu318429@163.com
涂春鳴（1976—），男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。Email：chunming_tu@263.net
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程苗苗，劉治國，涂春鳴，張忠杰，包躍躍
（湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，長沙 410082）
基于軟開關(guān)MERS PFC電路拓?fù)浼靶阅芊治?/p>
程苗苗，劉治國，涂春鳴，張忠杰，包躍躍
（湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，長沙 410082）
由于電流連續(xù)型功率因數(shù)校正（CCM PFC）電路能夠最大限度地減少網(wǎng)側(cè)電流諧波以及提高網(wǎng)側(cè)的輸入功率因數(shù)，被廣泛地應(yīng)用于各種功率變換器的前端電路結(jié)構(gòu)中。文中基于電感電容諧振的軟開關(guān)技術(shù)，提出了一種新型的CCM PFC電路拓?fù)洹拍芑貜?fù)開關(guān)型功率因數(shù)校正（MERS PFC）電路。通過合理的控制，該電路不僅具有較高的輸入功率因數(shù)，同時實現(xiàn)了全功率開關(guān)器件的零電流開通及零電壓關(guān)斷。其次，文中對所提出的電路拓?fù)浣㈦姎饽Ｐ?，詳?xì)分析了每一個開關(guān)周期內(nèi)的電壓電流工作特性，推導(dǎo)出其升壓比計算公式，仿真驗證了建模以及公式推導(dǎo)的正確性。在此基礎(chǔ)上，文中詳細(xì)討論了所提出的MERS PFC電路的工作性能。計算表明，在開關(guān)頻率為10 kHz時，該電路的功率器件損耗比傳統(tǒng)boost PFC電路減少了約39%，具有更高的效率。同時，在同樣的參數(shù)條件下，和傳統(tǒng)的boost PFC電路相比，所提出的新型結(jié)構(gòu)具有更高的升壓能力。最后，實驗結(jié)果驗證了所提出的MERS PFC電路及其軟開關(guān)工作特性。
電路拓?fù)洌还β室驍?shù)校正；軟開關(guān)技術(shù)；性能分析
隨著開關(guān)電源、不間斷電源等電力電子設(shè)備的廣泛應(yīng)用，電網(wǎng)電流的諧波問題日趨嚴(yán)重。這個問題已經(jīng)引起了普遍的關(guān)注[1-4]。功率因數(shù)校正PFC（power factor correction）技術(shù)因其能減少電流的諧波含量和提高電網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)成為新的研究熱點。然而，傳統(tǒng)的功率因數(shù)校正電路因其開關(guān)采用硬開關(guān)技術(shù)，隨著開關(guān)頻率的增加，電路的開關(guān)損耗、二極管的反向恢復(fù)損耗和電磁干擾逐漸增大，為解決這些問題，提出各種軟開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中在主電路開關(guān)器件中增加一個輔助換相電路來實現(xiàn)零電壓開關(guān)或零電流開關(guān)方法引起學(xué)者們的關(guān)注和研究。這種通過輔助換相電路實現(xiàn)主電路開關(guān)器件的軟開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，雖然使主開關(guān)器件實現(xiàn)了軟開關(guān)特性，但是輔助開關(guān)器件仍然采用的硬開關(guān)技術(shù)，不能很好地減少開關(guān)損耗，提高效率，同時這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的控制難度增加[5-8]。
另一方面，新型的軟開關(guān)電路拓?fù)鋯卧拍芑貜?fù)開關(guān)MERS（magnetic energy recovery switch）被提出并得到廣泛關(guān)注[9-11]。該電路利用電感和MERS內(nèi)置電容的諧振從而實現(xiàn)開關(guān)的零電壓關(guān)斷以及零電流開通，大大降低開關(guān)損耗[9]。本文將其用于傳統(tǒng)的升壓PFC電路中，研究MERS在功率因數(shù)校正方面的應(yīng)用，以實現(xiàn)電流連續(xù)模式下的軟開關(guān)功率因數(shù)校正電路。文中首先對MERS PFC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及軟開關(guān)工作狀態(tài)進(jìn)行了分析，仿真結(jié)果驗證了MERS PFC在實現(xiàn)功率因數(shù)校正的同時，實現(xiàn)了功率管零電壓關(guān)斷、零電流開通的軟開關(guān)技術(shù)，其次，對所提出的MERS PFC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化并建立電氣模型，詳細(xì)分析其在每一個開關(guān)周期內(nèi)的電壓電流特性，推導(dǎo)出其升壓比計算公式，仿真結(jié)果驗證了建模和公式推導(dǎo)的正確性。在此基礎(chǔ)上，分析討論了MERS PFC電路的工作性能。最后，實驗結(jié)果驗證了MERS PFC電路能實現(xiàn)功率因數(shù)校正及其軟開關(guān)工作特性。
1 MERS PFC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及軟開關(guān)工作過程分析
1.1 MERS PFC電路
如圖1所示，在傳統(tǒng)的升壓型功率因數(shù)校正電路（boost PFC）的基礎(chǔ)上，把boost電路中的功率管換成具有軟開關(guān)特性的MERS，從而構(gòu)建一種新型的功率因數(shù)校正電路，簡稱MERS PFC，其中MERS結(jié)構(gòu)由一個小電容、兩個功率管和兩個二極管構(gòu)成。
圖1 MERS PFC電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Topology of MERS PFC circuit
1.2 MERS PFC電路軟開關(guān)工作過程
MERS PFC電路軟開關(guān)工作狀態(tài)主要包括電容放電模式、并聯(lián)傳導(dǎo)模式、電容充電模式和MERS旁路模式4個階段，如圖2所示。
電容放電模式：假設(shè)MERS中的電容先預(yù)存電荷，當(dāng)開關(guān)S1和S2開通時，電容開始放電，由于電感Ls的限流作用，使通過MERS的電流從0開始逐漸上升，從而實現(xiàn)了零電流開通。電容放電結(jié)束后，進(jìn)入并聯(lián)傳導(dǎo)模式，電容電壓維持為零電壓，電流分別通過S1和D2、S2和D1形成回路，此時通過開關(guān)S1或S2的電流為MERS輸入電流的一半，直到S1和S2關(guān)斷，該階段結(jié)束。電容放電模式：開關(guān)S1和S2關(guān)斷，電流經(jīng)二極管D1和D2對電容進(jìn)行充電，電容電壓從零開始迅速增加，從而實現(xiàn)了零電壓關(guān)斷。MERS旁路模式：MERS被旁路，電流全部通過輸出二極管對負(fù)載和濾波電容供電。這一階段維持到下一個開關(guān)周期。
圖2 基于MERS的軟開關(guān)電路的狀態(tài)分析Fig.2 State analysis of MERS-based soft-switching circuit
2 MERS PFC電路仿真驗證
本文采用PSIM軟件進(jìn)行仿真，對所提出電路的功率因數(shù)校正以及軟開關(guān)工作特性進(jìn)行驗證。根據(jù)如圖1所示的主電路圖搭建仿真模型，電路仿真參數(shù)如表1所示。
表1 MERS PFC電路仿真參數(shù)Tab.1 Simulation parameters of MERS PFC circuit
在控制方法上，本文采用了預(yù)測占空比控制[12-13]，通過計算出合理的占空比來提高輸入功率因數(shù)。仿真結(jié)果如圖3和圖4所示。
圖3是輸入電壓uac和輸入電流iac波形，從圖3的仿真結(jié)果可以看出uac和iac基本保持同相位，測得功率因數(shù)為0.99。
圖3 輸入電壓和電流波形Fig.3 Waveforms of input voltage and input current
圖4是在每個開關(guān)周期內(nèi)MERS中各部分的電壓電流波形，由圖4的仿真結(jié)果可知，在MERS電容電壓為零的這一區(qū)間里實現(xiàn)了MERS中功率管的零電壓關(guān)斷，由于MERS結(jié)構(gòu)前電感Ls的限流作用，使流過MERS的電流從0逐漸上升，從而實現(xiàn)了功率管的零電流開通。
圖4 每個開關(guān)周期內(nèi)的各部分電壓、電流波形Fig.4 Waveforms of voltage and current of different parts in every switching cycle
從圖3和圖4仿真結(jié)果表明，采用預(yù)測占空比控制的MERS PFC電路不僅能夠?qū)崿F(xiàn)單位功率因數(shù)，而且實現(xiàn)了開關(guān)器件的軟開關(guān)特性，從而降低電路的開關(guān)損耗，提高了效率；同時，軟開關(guān)技術(shù)減小了對功率器件的電壓應(yīng)力和電流應(yīng)力，并大大減小了電路的電磁干擾EMI。
3 電氣建模及電路性能分析
從圖2可以看出，基于MERS結(jié)構(gòu)的軟開關(guān)電路的工作狀態(tài)在一個開關(guān)周期內(nèi)有4個階段，因此可以分別根據(jù)這4個階段的電壓電流特性建立起基于MERS軟開關(guān)電路的電氣模型。為了討論問題的方便，將MERS PFC電路的不可控整流輸出的脈動直流電壓用一恒定的電壓源替換，即構(gòu)建基于MERS的boost電路，簡稱MERS boost變換器，如圖5所示。
圖5 MERS boost變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.5 Topology of MERS boost converter
本文以MERS boost變換器為例建立基于MERS軟開關(guān)電路的電氣模型。
3.1 基于MERS軟開關(guān)電路的電氣建模
在電流連續(xù)模式下，假設(shè)輸出濾波電容很大，使輸出電壓Udc保持恒定，同時假設(shè)輸入電壓E保持恒定，則在每個開關(guān)周期內(nèi)基于MERS的軟開關(guān)電路仿真的電感電流、輸出電壓及MERS電容電壓的波形如圖6所示，其中，Udc為輸出電壓，uC為MERS電容電壓。
圖6 電感電流和電壓波形Fig.6 Waveforms of induction current and voltage
文中首先根據(jù)MERS boost電路每個開關(guān)周期的電壓和電感電流的工作特性推導(dǎo)出電感電流在圖2所示的每一階段結(jié)束后的數(shù)學(xué)公式。
3.1.1 電容放電模式
MERS內(nèi)置小電容放電，其放電所產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)移到電感L上，則有
式中：uL為輸入電感電壓；E為輸入直流電壓；iL為輸入電感電流；L為輸入電感。聯(lián)立式（1）和式（2）可以推出
假設(shè)電感電流初始值為iL（t0），結(jié)合圖6可知其初始條件為
求解以上微分方程，從而得到MERS經(jīng)電容放電模式結(jié)束時的電感電流iL（t1）為
式中，Tdis=t1-t0為MERS中電容放電所需時間。
3.1.2 并聯(lián)傳導(dǎo)模式
此時電容電壓為0，直流電源E對電感充電?？傻貌⒙?lián)傳導(dǎo)模式結(jié)束時的電感電流iL（t2）為
式中，d為占空比。
3.1.3 電容充電模式
當(dāng)開關(guān)管S1和S2關(guān)斷后，直流電源通過電感和二極管D1、D2對MERS中電容進(jìn)行充電，在這一階段有
該階段的初始條件為
求得電容充電模式結(jié)束時的電感電流iL（t3）為
式中，Tcha=t3-t2為MERS中電容充電所需時間。
3.1.4 MERS旁路模式
此時電容電壓為輸出電壓Udc，直流電源和電感一起對負(fù)載放電，求得該階段結(jié)束時的電感電流iL（t4）為
在電流連續(xù)模式下，式（5）、式（6）、式（9）和式（10）分別為MERS PFC電路在每個階段結(jié)束時的電感電流的理論公式。
其次，根據(jù)已知條件推導(dǎo)出穩(wěn)定運行時電感電流在每個開關(guān)周期內(nèi)的最小值iL（t0）、最大值iL（t2）跟輸入直流電壓E和輸出電壓Udc的關(guān)系。
當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定運行時，上一開關(guān)周期結(jié)束后的電感電流iL（t4）也就是下一開關(guān)周期開始的電感電流iL（t0），故有
聯(lián)立式（5）、式（6）、式（9）～式（11），可以推出iL（t0）關(guān)于輸入直流電壓E和輸出電壓Udc的函數(shù)，即
其中：
根據(jù)式（5）和式（6）可求得最大值iL（t2）與輸入直流電壓E和輸出電壓Udc的關(guān)系。
最后，由有效值定義計算出每個開關(guān)周期電流的有效值，理論上，該有效值應(yīng)與據(jù)功率守恒計算出來的有效值相等，從而推導(dǎo)出其升壓比公式。
由于MERS中小電容充放電時間比較短，因此在圖6所示的仿真圖中，從t0到t1、t2到t3這兩段時間內(nèi)，這兩段電感電流的變化用直線來近似描述，那么電感電流在每個開關(guān)周期內(nèi)波形為如圖7所示的三角波。
圖7 電感電流波形近似Fig.7 Approximation of induction current waveforms
根據(jù)圖7，由有效值定義，推導(dǎo)出電感電流在一個開關(guān)周期內(nèi)的有效值iL，rms為
將式（6）和式（12）代入到式（13）中，即可得到電感電流有效值iL，rms是關(guān)于輸出電壓Udc和輸入直流電壓E和占空比d的方程。
根據(jù)功率守恒可以求得理想的電感電流有效值為
由式（13）和式（14）可知
從而得到輸出電壓Udc是關(guān)于輸入電壓E、負(fù)載電阻R和占空比d的函數(shù)。
通過理論分析得出，在電流連續(xù)模式下，當(dāng)占空比一定時，輸出電壓隨著負(fù)載電阻R變化而變化，當(dāng)負(fù)載電阻R一定時，其輸出電壓隨著占空比變化而變化。
3.2MERS PFC性能分析
3.2.1 升壓比特性
對圖2所示MERS PFC的工作狀態(tài)進(jìn)行分析，在每個開關(guān)周期內(nèi)，MERS結(jié)構(gòu)中的小電容在開通期間將儲存的能量轉(zhuǎn)移到電感上，在關(guān)斷期間將該能量轉(zhuǎn)移到輸出側(cè)，因此，與傳統(tǒng)功率因數(shù)校正電路相比，在同樣的占空比情況下，所提出的MERS PFC電路具有更高的升壓比。
本文對如圖5所示的MERS boost變換器與傳統(tǒng)boost變換器進(jìn)行仿真分析來比較其升壓比特性，從而推導(dǎo)出MERS PFC電路和傳統(tǒng)boost PFC電路的升壓比性能。仿真參數(shù)見表2。
表2 MERS boost電路仿真參數(shù)Tab.2 Simulation parameters of MERS boost circuit
根據(jù)理論公式（15）可知MERS boost變換器輸出電壓隨著負(fù)載電阻和占空比的變化而變化，假設(shè)占空比d取恒定值，如取d=0.5，觀察MERS boost變化器升壓比隨負(fù)載電阻的變化情況，如圖8所示。
圖8 固定占空比條件下，升壓比隨著負(fù)載變化情況Fig.8 Changes of boosting ratio with load at the same duty cycle
從圖8可以看出，MERS boost變換器仿真結(jié)果與數(shù)學(xué)建模得到的理論計算分析結(jié)果基本吻合，從而驗證了MERS boost變換器電氣模型的正確性。在負(fù)載R=300 Ω左右時，MERS boost變換器的升壓比是傳統(tǒng)boost變換器的2倍左右，且隨著負(fù)載電阻增大，MERS boost變換器與傳統(tǒng)boost變換器的升壓比差異越大。
為了討論升壓比與占空比的關(guān)系，假設(shè)負(fù)載R=200 Ω，當(dāng)占空比從0.1逐漸變化到0.9時，其升壓比的變化情況如圖9所示。
圖9 固定負(fù)載電阻條件下，升壓比隨占空比的變化情況Fig.9 Changes of boosting ratio with duty cycle with the same load resistance
從圖9可以看出，在電阻一定時，MERS boost變換器的升壓比隨著占空比增加而升高，當(dāng)d=0.5時，MERS boost變換器的升壓比是傳統(tǒng)的1.7倍左右，且隨著占空比的增加升壓比逐漸增大。這一結(jié)果說明了MERS PFC電路在升壓比這一性能上優(yōu)于傳統(tǒng)的boost PFC電路，仿真和計算結(jié)果的高度吻合證明了對MERS的軟開關(guān)電路的電氣建模的正確性。
圖10（a）是在占空比固定的條件下，升壓比隨Cs的變化情況。由圖10（a）可知，在占空比固定時，同一負(fù)載，不同的Cs值，其升壓比變化不同，升壓比隨著Cs增大而增大。圖10（b）是在負(fù)載電阻固定條件下，升壓比隨Cs變化情況。從圖10（b）可以看出，在固定負(fù)載電阻條件下，同一占空比時，Cs電容值增大，升壓比越大。以上仿真結(jié)果表明了MERS boost變換器的升壓比比傳統(tǒng)boost電路要高，且隨著MERS內(nèi)置電容Cs值的增大而愈明顯。
然而，MERS中電容Cs值越大，電容Cs兩端電壓峰值會很大，對器件的選擇有一定的限制，因此應(yīng)該結(jié)合兩方面的因素合理選擇電容Cs值。
圖10 升壓比隨不同Cs值的變化情況Fig.10 Changesofboostingratiowithdifferentvaluesof Cs
3.2.2 開關(guān)器件損耗
功率管和二極管損耗主要由開通損耗Pon、關(guān)斷損耗Poff和導(dǎo)通損耗Pcon3部分組成，其公式[14]分別為
式中：VFR為正向恢復(fù)最大電壓；VF為正向?qū)▔航?；IF為正向?qū)娏?；tfr為正向恢復(fù)時間關(guān)斷損耗；Qrr為反向恢復(fù)電荷；VR為反向恢復(fù)電壓；Kf為二極管反向恢復(fù)電流的溫度系數(shù)；irrm為反向恢復(fù)電流；trr為反向恢復(fù)時間；Id為通過二極管電流的平均值。
功率管IGBT的損耗計算公式為
式中：Eon為開通損耗，mJ；Eoff為關(guān)斷損耗，mJ；VCE為導(dǎo)通時IGBT集電極與發(fā)射極管壓降；ic為通過IGBT的集電極平均電流。
根據(jù)MERS PFC的仿真結(jié)果，結(jié)合型號為RHRP30120的快恢復(fù)二極管和FGA25N120ANTD的IGBT數(shù)據(jù)手冊，計算出MERS PFC和傳統(tǒng)boost PFC電路的開關(guān)器件損耗如表3所示。
表3 MERS PFC和boost PFC電路開關(guān)器件損耗Tab.3 Loss of switching device for MERS PFC and boost PFC circuits
從表3結(jié)果可以看出，在開關(guān)頻率為10 kHz時，雖然MERS PFC電路比傳統(tǒng)boost PFC電路需要更多數(shù)量的開關(guān)器件，但在開關(guān)器件損耗方面，MERS PFC電路比傳統(tǒng)的boost PFC電路減少了31.06 W，與傳統(tǒng)boost PFC開關(guān)器件相比減少了約39%的損耗。進(jìn)一步計算在不同的開關(guān)頻率下，兩種電路開關(guān)器件損耗如圖11所示。
圖11 開關(guān)器件損耗隨著開關(guān)頻率變化情況Fig.11 Changes of loss of switching device with the switching frequency
從圖11中可以看出，當(dāng)開關(guān)頻率小于1.1 kHz左右，MERS PFC電路開關(guān)器件損耗和傳統(tǒng)的boost PFC電路開關(guān)器件損耗近似相等；在開關(guān)頻率大于1.1 kHz左右時，MERS PFC電路比傳統(tǒng)boost PFC電路的開關(guān)器件損耗小，且隨著開關(guān)頻率的增大，兩種電路開關(guān)器件損耗差異越大。當(dāng)開關(guān)頻率為100 kHz時，MERS PFC電路比傳統(tǒng)的boost PFC電路減少了462.93 W，占傳統(tǒng)boost PFC開關(guān)器件損耗的90.4%。
由以上分析可知，隨著開關(guān)頻率的增加，MERS PFC電路與傳統(tǒng)的boost PFC電路相比，開關(guān)器件的損耗大大降低。同時，較高的開關(guān)頻率還有利于電路中電感等器件的選擇，進(jìn)一步減小損失，縮小體積。這表明實現(xiàn)軟開關(guān)技術(shù)的MERS PFC電路可以提高電路的整體效率，并且隨著開關(guān)頻率增加，效率提高越明顯。另一方面，軟開關(guān)技術(shù)減小了對功率器件的電壓應(yīng)力、電流應(yīng)力和二極管的反向恢復(fù)損耗，降低了電路的電磁干擾。
4 實驗驗證
實驗具體參數(shù)如表4所示。主電路中快恢復(fù)二極管的型號是RHRP30120，IGBT開關(guān)器件的型號是FGA25N120ANTD，采用預(yù)測占空比控制MERS PFC電路。
表4 MERS PFC電路實驗參數(shù)Tab.4 Experimental parameters of MERS PFC circuit
圖12是實驗測得的輸入電壓和輸入電流波形。圖13是實驗測得的在每一個開關(guān)周期內(nèi)，流過開關(guān)管IGBT的電流和其兩端電壓的波形。
圖12 輸入電壓和輸入電流波形Fig.12 Waveforms of input voltage and input current
圖13 IGBT兩端電壓和電流波形Fig.13 Waveforms of voltage and current of IGBT
從圖12中可以看出輸入電壓和輸入電流基本同相。實驗結(jié)果證明了采用預(yù)測占空比控制的MERS PFC電路能較好地實現(xiàn)功率因數(shù)校正的功能。
從圖13中可以看出，MERS PFC中功率管IGBT實現(xiàn)了零電流開通，零電壓關(guān)斷，從而減少了功率管的開關(guān)損耗，提高了效率。實驗結(jié)果驗證了MERS PFC電路實現(xiàn)功率因數(shù)校正的同時，也實現(xiàn)了全功率管的軟開關(guān)特性。
5 結(jié) 語
針對開關(guān)頻率增加時硬開關(guān)功率因數(shù)校正電路存在著開關(guān)損耗增大、電磁干擾嚴(yán)重等問題，文中提出一種新型的軟開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)MERS PFC，分析了MERS PFC的軟開關(guān)工作狀態(tài)，并建立了基于MERS軟開關(guān)電路的電氣模型，推導(dǎo)出升壓比公式。仿真和實驗結(jié)果驗證了MERS PFC在實現(xiàn)功率因數(shù)校正的同時，也實現(xiàn)了功率管的軟開關(guān)特性。文中對所提出的MERS PFC電路的升壓比和開關(guān)器件兩個方面的性能進(jìn)行詳細(xì)的分析計算。計算及仿真結(jié)果表明，在同樣參數(shù)條件下，MERS PFC電路與傳統(tǒng)boost PFC電路相比，前者具有更高的升壓能力和效率。
[1]李國華，張影，孫強，等（Li Guohua，Zhang Ying，Sun Qiang，et al）.有源電力濾波器選擇性諧波補償方法（Selective harmonic compensation method for active power filter）[J].電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報（Proceedings of the CSU-EPSA），2015，27（6）：32-36.
[2]喬和，劉陽，單錦寧，等（Qiao He，Liu Yang，Shan Jinning，et al）.改進(jìn)的變步長自適應(yīng)諧波檢測算法（Adaptive harmonic detecting algorithm based on improved variable step-size）[J].電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報（Proceedings of the CSU-EPSA），2015，27（5）：23-27.
[3]葛少云，董佳霖，劉福潮，等（Ge Shaoyun，Dong Jialin，Liu Fuchao，et al）.配電網(wǎng)諧波治理降損效果實證方法（Empirical method of harmonic control loss reduction effect in distribution network）[J].電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報（Proceedings of the CSU-EPSA），2015，27（3）：1-4.
[4]劉桂英，粟時平，謝海麗，等（Liu Guiying，Su Shiping，Xie Haili，et al）.廣義有源電力濾波器指令電流檢測的廣義諧波理論法（Generalized harmonic theory method for detection of referential current of generalized active power filter）[J].電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報（Proceedings of the CSU-EPSA），2015，27（11）：34-39.
[5]Chen Jiann-Fuh，Chen Ren-Yi，Liang Tsorng-Juu.Study and implementation of a single-stage current-fed boost PFC converter with ZCS for high voltage applications[J].IEEE Trans on Power Electronics，2008，23（1）：379-386.
[6]Jain N，Jain P K，Joos G.A zero voltage transition boost converter employing a soft switching auxiliary circuit with reduced conduction losses[J].IEEE Trans on Power Electronics，2004，19（1）：130-139.
[7]Wang Chien-Ming，Lin Chang-Hua，Lu Chienmin，et al.Design and realisation of a zero-voltage transition pulsewidth modulation interleaved boost power factor correction converter[J].IET Power Electronics，2015，8（8）：1542-1551.
[8]楊德剛，趙良炳（Yang Degang，Zhao Liangbing）.軟開關(guān)技術(shù)回顧與展望（An overview on soft-switching technique）[J].電力電子技術(shù)（Power Electronics），1998（2）：96-101.
[9]Cheng Miao-miao，Mustapha I B，Takanori I，et al.Collective dimming of discharge lamps with improved input power factor using MERS-PFC converter[C]//IEEE Conversion Congress and Exposition.Phoenix，USA，2011：2857-2864.
[10]姜凱（Jiang Kai）.基于MERS技術(shù)的熒光燈節(jié)能技術(shù)的研究與開發(fā)（Energy-Saving Technology Research and Development of Fluorescent Based on MERS）[D].廣州：華南理工大學(xué)電力學(xué)院（Guangzhou：School of Electric Power，South China University of Technology），2014.
[11]Wei Yewen，Kang Longyun，Qi Rujun，et al.Optimal control of SVC-MERS and application in SCIG powered micro-grid[C]//IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition.Fort Worth，USA，2014：3367-3373.
[12]Zhang Wanfeng，F(xiàn)eng Guang，Liu Yanfei，et al.A digital power factor correction（PFC）control strategy optimized for DSP[J].IEEE Trans on Power Electronics，2004，19（6）：1474-1485．
[13]Buso S，Mattavelli P，Rossetto L，et al.Simple digital control improving dynamic performance of power factor preregulators[J].IEEE Trans on Power Electronics，1998，13（5）：814-823.
[14]曹建安，裴云慶，王兆安（Cao Jian’an，Pei Yunqing，Wang Zhao’an）.Boost PFC電路中開關(guān)器件的損耗分析與計算（Analysis of power dissipation of switching components in boost PFC circuit）[J].電工電能新技術(shù)（Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy），2002，21（1）：41-44.
Topology and Performance Evaluation Based on Soft-switching of MERS PFC Circuit
CHENG Miaomiao，LIU Zhiguo，TU Chunming，ZHANG Zhongjie，BAO Yueyue
（College of Electrical and Information Engineering，Hunan University，Changsha 410082，China）
Owing to the fact that continuous current mode power factor correction（CCM PFC）circuit can be used to significantly reduce current harmonics and improve the power factor on grid-side，it is widely used in the front-end circuit of different power converters.Based on the soft-switching technology of LC resonant circuit，a novel CCM PFC circuit topology，i.e.，a magnetic energy recovery switch power factor correction（MERS PFC）circuit，is proposed in this paper.First，through proper control，this circuit not only possesses a high input power factor，but also achieves zero current turn-on and zero voltage turn-off on a full power switching device.Then，an electrical model is established for the proposed circuit，and the voltage-current operation characteristics in each switching cycle are analyzed in detail.Moreover，a boost ratio formula is proposed，and simulation results prove the validity of modeling and derived formulas.On this basis，the operation performance of MERS PFC circuit is discussed.Calculation results show that compared with the traditional boost PFC circuit，the loss of the proposed circuit is reduced by about 39%at the switching frequency of 10 kHz，indicating a higher efficiency；meanwhile，it has a higher boost capacity with the same parameters.Finally，experimental results verify the proposed MERS PFC circuit and its soft-switching operation characteristics.
circuit topology；power factor correction（PFC）；soft-switching technology；performance evaluation
TM714
A
1003-8930（2017）10-0022-08
10.3969/j.issn.1003-8930.2017.10.005
2016-01-28；
2017-07-23
國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金資助項目（51307048）；湖南省科技計劃資助項目（2015WK3004）
程苗苗（1982—），女，博士，副教授，研究方向為軟開關(guān)技術(shù)、無功補償、分散式電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性。Email：mmcheng_hnu@126.com
劉治國（1992—），男，碩士研究生，研究方向為軟開關(guān)DCDC變換器拓?fù)浼捌淇刂品椒?。Email：liu318429@163.com
涂春鳴（1976—），男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。Email：chunming_tu@263.net
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