一种消除电压尖峰的改进型Pseudo-Boost变换器

韩辉辉，许建平，陈章勇

(西南交通大学电气工程学院，四川成都610031)

一种消除电压尖峰的改进型Pseudo-Boost变换器

韩辉辉，许建平，陈章勇

(西南交通大学电气工程学院，四川成都610031)

Pseudo-Boost变换器具有双极性增益，在正负电压输入时，均可得到正极性的输出电压，因此Pseudo-Boost变换器可以作为无桥PFC变换器。然而，在Pseudo-Boost变换器开关管关断时刻，Pseudo-Boost变换器的升压电感与谐振电感形成串联支路，引起电感电流跃变，导致严重的电压尖峰，限制了Pseudo-Boost变换器的实际应用。针对这一问题，本文提出了一种改进型Pseudo-Boost变换器，通过在谐振电感两端并联一个开关管，避免了Pseudo-Boost变换器工作过程中电感串联支路的出现，消除了电压尖峰。详细分析了工作于临界导电模式的改进型Pseudo-Boost变换器的工作模态及稳态特性。最后，通过实验验证了理论分析的正确性。此外，该方案同样适用于连续模式和断续模式。

Pseudo-Boost变换器;临界导电模式;电感电流;电压尖峰

1 引言

为了减小非线性负荷接入电网对电网的谐波污染，功率因数校正(Power Factor Correction，PFC)技术得到了广泛重视［1-4］。传统PFC变换器通常采用整流桥后级联DC-DC变换器的结构，由于整流桥的存在，严重影响了低压输入时PFC变换器的效率。为了解决这一问题，无桥PFC变换器［3，4］提供了解决方案。文献［4］研究了具有双极性增益Pseudo-Boost变换器。在正负电压输入时，Pseudo-Boost变换器均可得到正极性的输出电压，因此Pseudo-Boost变换器可以作为无桥PFC变换器，从而完全消除了传统PFC变换器中前端二极管整流桥，提高了PFC变换器的效率［3，4］。在开关管关断时刻，Pseudo-Boost变换器的升压电感和谐振电感形成了一个串联支路，引起了电感电流的跃变，并由此产生了如图1所示的严重电压尖峰，限制了Pseudo-Boost变换器的应用。文献［4］中采用了RC吸收电路来减小电压尖峰，但并不能从本质上解决问题。本文提出了如图2所示的改进型Pseudo-Boost变换器，通过在谐振电感两端并联一个开关管，避免Pseudo-Boost变换器开关管关断时刻升压电感和谐振电感形成的串联支路，从而消除了电感电流跃变和电压尖峰。最后，通过实验验证了该方案的正确性和可行性。

2 改进型Pseudo-Boost变换器的工作原理

该变换器对开关管S2的导通时序有严格的要求，开关管S2的导通起始时刻必须是模态2［t1～t2］工作过程中的任何一时刻，S2关断时刻是模态3的结束时刻。本文所研究的开关管S1与S2的导通时序完全互补，且不存在死区。

为了简化分析，假设:①所有开关管、二极管、电感和电容均为理想元件;②储能电容C足够大，输出电压vo保持不变;③谐振电感Lr远小于升压电感L，谐振电容Cr远小于输出储能电容C;④电路工作于临界导通模式(Critical Conduction Mode，CRM)。

改进型Pseudo-Boost变换器在输入正电压和负电压时具有不同的工作模式。

2.1 正输入电压

正输入电压时，工作于CRM模式的改进型Pseudo-Boost变换器存在如图3所示的三个工作模态，关键波形如图4所示。开关周期开始时刻，升压电感电流和谐振电感电流初始值为零，谐振电容电压初始值为ΔvCr，且满足ΔvCr＜vo，开关管S1与S2互补导通，且开关管S1与S2没有死区。

图1 Pseudo-Boost变换器的实验波形Fig.1 Key waveforms of Pseudo-Boost converter

图2 改进型Pseudo-Boost变换器Fig.2 Improved Pseudo-Boost converter

(1)模态1［t0～t1］:如图3(a)所示，t0时刻，开关管S1导通，S2关断，电感电流iL线性上升;二极管D1承受正向电压ΔvCr而导通;二极管D2承受反向电压－vo而关断，谐振支路发生谐振，谐振电容电压和谐振电感电流为

图3 改进型Pseudo-Boost变换器工作模态等效电路Fig.3 Equivalent circuit of improved Pseudo-Boost converter

图4 改进型Pseudo-Boost变换器正输入电压的主要波形Fig.4 Key waveforms of improved Pseudo-Boost converter under positive input voltage

经过半个谐振周期(Tr=2π/ωr)，谐振电感电流iLr谐振到零，模态1工作过程结束。

(2)模态2［t1～t2］:如图3(b)所示，t1时刻，谐振电容电压谐振到－ΔvCr，谐振电感电流iLr谐振到零，二极管D1实现零电流关断，二极管D2承受反压而关断。开关管S1仍导通，电感电流iL继续线性上升。谐振支路没有电流通路，谐振电容电压保持不变。t2时刻，开关管S1关断，模态2工作过程结束。

(3)模态3［t2～t3］:如图3(c)所示，t2时刻，开关管S1关断，S2导通，二极管D2为电感电流iL提供续流通路而导通，二极管D1承受反压－vo而关断。谐振电感电流为零，升压电感电流iL由峰值ILp开始下降，谐振电容电压近似表达式为

其中，Iav为升压电感电流的平均值。

当升压电感电流下降到零时，变换器进入下一个开关周期。

2.2 负输入电压

负输入电压时，工作于CRM模式的改进型Pseudo-Boost变换器存在如图5所示的三个工作模态，关键波形如图6所示。开关周期开始时刻，升压电感电流和谐振电感电流的初始值为零，谐振电容电压的初始值为其峰值－vC－ΔvCr，且满足ΔvCr＜vo，开关管S1与S2互补导通，且开关管S1与S2没有死区。

图5 改进型Pseudo-Boost变换器工作模态等效电路Fig.5 Equivalent circuit of improved Pseudo-Boost converter

(1)模态4［t0～t1］:如图5(a)所示，在t0时刻，开关管S1导通，S2关断，电感电流iL线性下降;二极管D2承受正向电压ΔvCr而导通，二极管D1承受反向电压－vo而关断，谐振支路发生谐振，谐振电容电压和谐振电感电流为

图6 改进型Pseudo-Boost变换器负输入电压的主要波形Fig.6 Key waveform of improved Pseudo-Boost converter under negative input voltage

经过半个谐振周期(Tr=2π/ωr)，谐振电感电流iLr谐振到零，模态4工作过程结束。

(2)模态5［t1～t2］:如图5(b)所示，在t1时刻，谐振电容电压谐振到－vC+ΔvCr，谐振电感电流iLr谐振到零，二极管D2实现零电流关断，二极管D1承受反压而关断。开关管S1仍导通，电感电流iL继续线性下降。谐振支路没有电流通路，谐振电容电压保持不变，t2时刻，开关管S1关断，模态5工作过程结束。

(3)模态6［t2～t3］:如图5(c)所示，t2时刻，开关管S1关断，S2导通，二极管D1为电感电流iL提供续流通路而导通，二极管D2承受反压－vo而关断。谐振电感电流为零，升压电感电流iL由峰值－ILp开始上升，谐振电容电压近似表达式为

其中，Iav为升压电感电流的平均值。

当升压电感电流上升到零时，变换器进入下一个开关周期。

3 稳态特性分析

改进型Pseudo-Boost变换器存在四个状态变量:储能元件状态变量vC、iL和谐振元件状态变量vCr、iLr，其中储能元件状态变量vC、iL的特征频率远远小于开关频率，谐振元件状态变量vCr、iLr的特征频率与开关频率相近。基于广义状态空间平均技术［5］，可以建立储能元件状态变量vC、iL的状态空间平均方程，并由此分析改进型Pseudo-Boost变换器的稳态特性。

由图3(a)、3(b)可得变换器在模态1～模态3的状态方程分别为

由图3(c)可得开关管S1关断时变换器状态方程

取状态变量为x=［iLvo］T，由广义状态空间平均技术，可得正输入电压时改进型Pseudo-Boost变换器的广义状态空间平均方程为

其中，d为开关管S1的瞬态占空比。

由式(9)可知

同理，可得负输入电压时变换器的增益特性为

由式(10)和式(11)可知，无论输入正电压还是负电压，改进型Pseudo-Boost变换器的输出与输入电压的传输比完全相同。

4 实验验证

为了验证理论分析的正确性，搭建了一台实验样机，变换器的主要实验参数:输入电压vg=± 25V，直流输出电压vo=50V，储能电容C=470μF，升压电感L=100μH，谐振电感Lr=7.8μH，谐振电容Cr=3.3μF，开关频率f=50kHz。

如图7(a)和图7(b)所示分别为输入电压vg= ±25V时，改进型Pseudo-Boost变换器的开关管S1电压vS1、谐振电感电流iLr、升压电感电流iL和二极管D1电压vD1的实验波形。由图7可知，在开关管S1关断时，改进型Pseudo-Boost变换器的辅助开关管S2导通，为升压电感L提供续流通路，谐振电感电流保持为零，从而避免出现升压电感和谐振电感的串联支路，避免电感电流跃变，消除电压尖峰，变换器的性能得到了显著改善。

图7 改进型Pseudo-Boost变换器主要波形Fig.7 Key waveforms of improved Pseudo-Boost converter

5 结论

传统Pseudo-Boost变换器在工作过程中会产生电感电流跃变和电压尖峰，限制了该变换器的实际应用。为消除电压尖峰，本文提出了一种改进型Pseudo-Boost变换器，消除了传统Pseudo-Boost变换器中存在的电压尖峰，本文详细分析了该变换器工作于CRM模式的工作模态及稳态特性。通过实验结果验证了理论分析的正确性。此外，该方案同样适用于连续模式和断续模式。

(，cont.on p.37)(，cont.from p.31)

［1］许化民(Xu Huamin).单级功率因数校正AC/DC变换器的综述(A summary of single-stage Power Factor Corrector(PFC)AC/DC converter)［J］.电力电子技术(Power Electronics)，2001，33(1):56-60.

［2］李冬，阮新波(Li Dong，Ruan Xinbo).高效率的Boost型功率因数校正预调节器(A high efficient Boost converter with power factor correction)［J］.中国电机工程学报(Proceedings of the CSEE)，2004，24(10): 153-156.

［3］Slobodan Cuk.True bridgeless PFC converter achieves over 98%efficiency，0.999 power factor［J］.Power E-lectronics Technology，2010，36(7):10-18.

［4］Chen Zhangyong，Xu Jianping，Zhou Guohua，et al.A-nalysis of bridgeless Pseudo-Boost PFC converter［A］.IEEE ISIE［C］.2012.189-193.

［5］Jianping Xu，CQ Lee.An unified averaging technique for the modeling of quasi-resonant converters［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，1998，13(3): 556-563.

Im proved Pseudo-Boost converter w ith elim ination of voltage spike

HAN Hui-hui，XU Jian-ping，CHEN Zhang-yong
(School of Electrical Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China)

Under both positive and negative input voltage，the output voltage of Pseudo-Boost converter is positive，i.e.Pseudo-Boost converter has bipolar voltage gain，whichmakes itacting as a bridgeless PFC converter.For the Pseudo-Boost converter，when the switch is turned off，boost inductor is connected in serieswith resonant inductor，which makes a step change of inductor current，and thus produces a serious voltage spike.This voltage spikemay limit the application of Pseudo-Boost converter.In this paper，to eliminate the voltage spike at the time when the switch is turned off，an improved Pseudo-Boost converter is proposed by connecting a switch in parallelwith the resonant inductor.Experimental results are provided to verify the theoretical analysis results.Furthermore，the scheme can be applied to both continuous conduction mode and discontinuous conduction mode.

Pseudo-Boost converter;critical conduction mode(CRM);inductive current;voltage spike

TM46

A

1003-3076(2014)08-0028-04

2012-12-03

韩辉辉(1987-)，男，河南籍，硕士研究生，研究方向为功率因数校正变换器及其控制技术;许建平(1963-)，男，贵州籍，教授，博士生导师，研究方向为开关变换器的控制方法，低电压大电流电路拓扑及控制策略研究，电源管理技术，功率因数校正技术等。