前言随着电力电子技术的不断发展，越来越多的电力电子装置被广泛应用于各种不同的领域，其对电 网的影响，如谐波污染及输入端功率因数，显得日益突出，为减少装置对电网的谐波污染和电磁干 扰，人们通过大量的研究分析，提出了相应的谐波抑制方法和功率因数校正电路犤１犦。目前，单 相功率因数校正技术已经相当成熟，无论是主电路的拓扑结构，还是相应的控制策略。国际上各大 电子公司纷纷推出自己的有源功率因数校正控制芯片，使得单相有源功率因数校正技术更加实用化 。在焊接领域，由于电焊机输入端普遍采用桥式重，功率因数在０．６～０．７以下犤２犦。对于 小功率焊机可采用单相有源功率因数校正技术，而对于大功率焊机，其输入一般为三相电源，但由 于三相有源功率因数校正技术相对复杂，而且成本较高，使得这一技术在焊机上的应用受到很大限 制。由于焊接具有特殊工艺过程和工况条件，使得功率因数校正技术不能直接应用于焊机。主要原 因是焊接时复杂的负载变化，特别是在手弧焊和CO２气体保护焊中，存在着频繁的短路———正 常焊接———短路、空载———短路———正常焊接等过程，这种恶劣的工作条件对焊机本身的要 求已很苛刻，对功率因数校正的影响也可想而知。在分析Boost功率因数校正器原理基础上， 采１软开关功率因数校正（PFC）工作原理图１a给出了一个软开关Boost有源功率因数校 正器的原理图。主电路由单相桥式整流器和DC－DCBoost变换器组成，控制电路包括：电 压误差放大器NU及基准电压Ur、电流误差放大器NI、乘法器D、脉宽调制器（图中未画出） 和驱动器等，负载可以是一个开关电源。BoostPFC的工作原理如下：主电路的输出电压U o和基准电压Ur比较后，输入给电压误差放大器NU，整流电压Udc检测值和NU的输出电压 信号共同加到乘法器D的输入端，乘法器D的输出端则作为电流反馈控制的基准信号，与开关电流 is检测值比较后，经过电流误差放大器NI加到PWM及控制器，以控制主开关和辅助开关的通 断，从而使输入电流（即电感电流）iL的波形与整流电压Udc的波形基本一致，使电流谐波大 为减少，提高了输入端功率因数，由于功率因数校正器同时保持输出电压恒定，使下一级开关电源 设计更容易犤３犦。其工作时序图见图１b。功率变换器的发展趋势是不断提高其能量密度。这通 常需要提高开关频率以减小滤波元件的尺寸。然而提高开关频率却导致系统开关损耗的大大增加， 所以开关频率常常小于１００kHz犤３犦。为了在保证效率的前提下提高开关频率，就必须使用 谐振软开关技术。图１所示的电路就是采用了谐振软开关技术的单相有源功率因数校正电路。它允 许提高开关频率而不增加开关损耗，并且克服了大多数谐振技术的缺点。作为一种工作在固定频率 的零压过渡变换器，它实现了主开关管的零压开通和主电路二极管的零压关断。谐振只是应用于开 关过程，除此以外在电路的其他工作过程中不产生谐振，同硬开关电路一样。应用软开关技术，在 提高传统的Boost变换器的效率的同时，还减小了主电路二极管的开关应力。而且由于二极管 的软关断还减小了电磁辐射，提高了系统的可靠性。２仿真模型的建立根据以上关于单相Boos t软开关有源功率因数校正电路的原理犤４犦，建立的仿真电路的结构如图２所示。图３a是校正 后的相电流波形，图３b是典型的主开关管的电压和电流波形。从图中可以看出，主开关管在一个 周期内实现了全程软开通，并且得到了接近１的功率因数。图４是软开关和硬开关状态下，主开关 管的电压、电流波形和开关损耗情况。可以看出，在软开关状态下，开关管的损耗已经有了明显的 减小。其关断时的功率损耗峰值也由３０kW降低到２kW。主开关管在开通和关断时的di/d t和du/dt也明显减小。图５是在不同的输出功率下，软硬开关电路的平均开关损耗比较。可 以看出随输出功率的增大，软开关电路的损耗的增加趋势远小于图１Boost软开关有源功率因 数校正器原理图和时序图图２仿真电路的结构图硬开关电路。３电路参数对软开关工作状态的影响 根据控制电路的工作原理和ZVT时序图（图１b）可知：辅助开关在三角波的下降段开始导通， 当主开关管的两端电压谐振至零时关闭。由此可知，Cr和Lr的谐振周期Tr的１/４应小于三 角波的下降时间Tf。在开关频率为２５kHz时，如果三角波的下降斜率是上升斜率的１６倍犤 ５犦，则π２LrCr√＜Tf＝４０μs/1７＝２．３５μs，考虑到谐振电感的电流上升过 程tr和辅助开关的打开时间ton，上式可改写为：π２LrCr√＋tr＋ton≤Tf，t r和ton的具体数值取决于谐振电感、整流后的电压和辅助开关管，精确计算起来很困难，只能 估算。计算机仿真是一种有效的方法，可以方便地计算主开关管和辅助开关管的开关损耗，以及输 入功率和输出功率，为合理选择谐振参数和开关管的散热器提供依据。控制电路三角波的波形对主 开关和辅助开关的开关损耗有很大影响。由于辅助开关只在三角波的下降段导通犤５犦，因此当三 角波频率确定后，三角波下降段斜率的大小直接决定了Lr和Cr的取值范围以及辅助开关的开关 损耗。针对焊接负载的多变性，要使功率因数校正电路在变负载下实现全程软开关，则必须首先满 足静态负载下实现全程软开关。如果负载变小，主电感的电流加大，则在辅助开关开通时，辅助电 感的充电时间延长，导致在三角波下降段结束时，主开关两端电压仍然没有谐振至零，主开关延时 打开，输入电流波动增大１倍以上（图６a）。由于相电流在波峰处电流值最大，此种失效图４硬 开关和软开关的电压和电流波形以及损耗比较图５软开关和硬开关电路的平均开关损耗图３校正后 相电流及主开关管的典型电压和电流波形发生在波峰附近（图６b）。当发生此种失效时，会使校 正后的功率因数减小，高次电流谐波含量增加，输出电压的高次纹波也增加。因此，为避免发生此 种失效，应根据负载情况适当减小Lr和Cr的值，以确保主开关能全程软开通，并得到较高的功 率因数。图６软开关失效的波形分析４谐振参数对开关元件损耗的影响规律功率因数校正电路一般 应用于电焊机或其他电源的前级，除了要考虑功率因数校正电路对负载的适应性，另外一个关键问 题就是功率因数校正电路的效率问题。在软开关电路中，最重要的两个参数是Cr和Lr以及控制 电路三角波的形状，它们决定了电路的软开关性能和其他电气性能。图７所示为负载固定时开关损 耗与Lr和Cr之间的关系的仿真结果。由图可见：Cr值固定，主开关管和辅助开关管的开关损 耗随着Lr的增大而减小（图７a）；Lr值固定，主开关管的开关损耗随着Cr的增加而减小， 辅助开关管的开关损耗随着Cr的增加而增大（图７b）。并且随着Cr的增加，辅助开关的损耗 增加很快，而主开关的损耗减小的很慢。因此存在一个最佳的Cr的值C，使得辅助开关和主开关 的损耗和最小。由此可知，当负载变化时，在保证实现全程软开关的前提下，应选取合适的Cr的 值，并尽量增大Lr的值，以减小主开关和辅助开关的开关损耗。由于焊接时负载变化的复杂性， 保证主开关管的全程软开通只是提高了功率因数校正电路的可靠性，还不能完全满足负载变化对功 率因数校正的要求。进一步的研究还应从建立变化的负载模型入手，对控制电路进行适当的改造， 以满足焊接设备对功率因数校正的要求。５结论在理论分析的基础上，通过仿真研究有源功率因数 校正电路，确定了固定负载下实现主开关管全程软开通的电路参数选取原则。并获得了谐振电容和谐振电感的取值对主开关和辅助开关的开关损耗的影响规律。图７软开关电路的开关损耗随Cr、Lr的变化规律Page１４面向焊接的软开关有源功率因数校正仿真研究@田丰$清华大学!北京100084
@朱志明$清华大学!北京100084有源功率因数校正;;软开关;;仿真在分析软开关有源功 率因数校正电路原理的基础上,建立了一套软开关有源功率因数校正的仿真电路。通过仿真,研究 了在不同静态负载下实现全程软开关的条件。并研究了谐振电容和谐振电感的参数对整个电路性能 的影响,对谐振电容和谐振电感的选取具有指导意义。<1>徐哲谆,林渭勋.一种新型的生压式功率因数校正电路
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