CN109742939B - 一种双向pfc软开关及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种双向PFC软开关及其控制方法，属于电路拓扑领域；提供了提高变换器整体效率的双向PFC软开关及其控制方法；技术方案为：一种双向PFC软开关，包括主回路和辅助支路，主回路包括第一、第二开关管S₁、S₂，第一、第二谐振电容C₁、C₂，电感L、第一、第二滤波电容C_o1、C_o2，辅助支路包括第三、第四开关管S₃、S₄，谐振电感L_r，变压器T和全桥整流桥，主回路是双向半桥PFC变换器，辅助支路协助完成主回路在升压模式、降压模式下的软开关，且辅助支路的开关管也实现软开关。

Description

一种双向PFC软开关及其控制方法

技术领域

本发明一种双向PFC软开关及其控制方法，属于电力电子电路拓扑技术领域。

背景技术

近年来，随着国家对能源利用和消耗的日益重视，人们对电源***提出了更高的要求，直流电源变换器有着不可或缺的作用。能充放电的电源***被广泛的应用到了国家大力扶持的众多产业，比如电动汽车，不间断电源，光伏发电，航空电力等场合，要求能量可以双向自由流通，这使得双向变换器的应用前景更加广泛。双向变换器高频化是其发展的方向，高频化使变换器小型化，特别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化。然而，硬开关变换器的开关损耗随着开关频率的增加而增加，由于输出电容引起的开关管的通断损耗和二极管反向恢复特性引起的关断损耗在高频的情况下就显得尤为严重，电磁干扰也会增加。因此，降低开关管的通断损耗和二极管的反向恢复损耗就显得尤为重要。

目前，解决上述损耗的比较成熟的方法是应用软开关技术。即在传统的双向变换器的基础上增加一个或多个辅助回路，使主开关管在开通之前把寄生电容存储的能量和电感续流时续流二极管正向导通时存储的能量转移到辅助回路中，从而使主开关管软开通，这种方法可以有效的减小损耗。

以上这类基于软开关技术的方法，虽然可以成功的解决主电路的能量损耗问题，但是所增加的辅助回路中的能量又无法回馈到输入或者输出中，只是形式上的能量转移，实质上并没有降低能量损耗；此外，辅助开关管是在硬开关的情况下导通和关断的，开关损耗也比较大。因此，***的整体效率依旧没有得到提高。

发明内容

本发明一种双向PFC软开关及其控制方法，克服了现有技术存在的不足，提供了一种提高变换器整体效率的双向PFC软开关实现及其控制方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为一种双向PFC软开关，包括主回路和辅助支路；主回路包括第一、第二开关管S₁、S₂，第一、第二谐振电容C₁、C₂，电感L、第一、第二滤波电容C_o1、C_o2；辅助支路包括第三、第四开关管S₃、S₄，谐振电感L_r，变压器T和全桥整流桥；

第一谐振电容C₁与第一开关管S₁并联，第二谐振电容C₂与第二开关管S₂并联；第一开关管S₁的源极与第二开关管S₂的漏极、电感L的一端相连，电感L的另一端分别与全桥整流桥的正极输出端m、第二滤波电容C_o2的一端相连，第二滤波电容C_o2的另一端与第二开关管S₂的源极相连；第一滤波电容C_o1的两端分别与第一开关管S₁的漏极、第二开关管S₂的源极相连；第一、第三开关管S₁、S₃的漏极相连，第三开关管S₃的源极与第四开关管S₄的漏极相连，第二、第四开关管S₂、S₄的源极相连；全桥整流桥的负极输出端n与第四开关管S₄的源极相连；谐振电感L_r的一端与第一开关管S₁的源极相连，谐振电感L_r的另一端与变压器T原边的异名端相连，变压器T原边的同名端与第三开关管S₃的源极相连；变压器T副边的同名端与全桥整流桥的第一交流输入端p相连，变压器T副边的异名端与全桥整流桥的第二交流输入端q相连。

进一步，所述第一、第二、第三、第四开关管S₁、S₂、S₃、S₄均为具有反并联二极管特性的功率开关管。

进一步，还包括第一、第二、第三、第四二极管D₁、D₂、D₃、D₄，第一、第二、第三、第四二极管D₁、D₂、D₃、D₄依次为第一、第二、第三、第四开关管S₁、S₂、S₃、S₄的反并联二极管。

进一步，所述全桥整流桥包括第五、第六、第七、第八二极管D₅、D₆、D₇、D₈，第五、第六二极管D₅、D₆串联形成的支路与第七、第八二极管D₇、D₈串联形成的支路并联。

一种双向PFC软开关的控制方法，基于上述的一种双向PFC软开关完成，包括降压模式控制方法和升压模式控制方法；所述PFC软开关在降压模式下，第一电压源V₁与所述第一滤波电容C_o1并联，所述第一滤波电容C_o1的两端为电压输入端，所述第二滤波电容C_o2的两端为电压输出端；所述PFC软开关在升压模式下，第二电压源V₂与所述第二滤波电容C_o2并联，所述第二滤波电容C_o2的两端为电压输入端，所述第一滤波电容C_o1的两端为电压输出端。

进一步，所述降压模式控制方法包括九个模态，九个模态依序进行完成一个周期，具体包括：

降压模式第一模态发生在t₀-t₁阶段，t₀时刻，谐振电感L_r上的电流i_Lr＝0，仅第一开关管S₁处于导通状态，电感L的电流方向由第一电压源V₁流向第二电压源V₂，该模态第一电压源V₁的能量向电感L转移，当电感L上存储的能量达到最大时，关断第一开关管S₁，由于第一谐振电容C₁的存在，第一开关管S₁实现软关断，此模态结束；

降压模式第二模态发生在t₁-t₂阶段，t₁时刻软关断第一开关管S₁，流过电感L的电流方向由于不能发生突变，第一谐振电容C₁充电，第二谐振电容C₂放电，电感L的电感值相对第一、第二谐振电容C₁、C₂电容值很大，通过电感L的电流I_L1近似不变，当第二谐振电容C₂端电压由V₁下降至0V时，此模态结束，持续时间为：t₁₂＝V₁·2C_r/I_L1，其中，C_r＝C₁＝C₂，C_r为谐振电容；

降压模式第三模态发生在t₂-t₃阶段，t₂时刻第二谐振电容C₂端电压下降至0V，第二二极管D₂自然导通续流，并将第二开关管S₂漏源电压钳位至接近于0V，这时在零电压下开通第二开关管S₂，第二开关管S₂实现软开通，开通第二开关管S₂时，此模态结束；

降压模式第四模态发生在t₃-t₄阶段，t₃时刻软开通第二开关管S₂，电感L中存储的能量通过第二开关管S₂释放，在关断第二开关管S₂前的短时间内使第三开关管S₃导通，由于开通第三开关管S₃前辅助支路中的电流为0A，第三开关管S₃实现软开通，此模态结束；

降压模式第五模态发生在t₄-t₅阶段，t₄时刻软开通第三开关管S₃，变压器T原边绕组Np同名端为正，副边绕组Ns同名端感应正电动势，第五、第八二极管D₅、D₈导通，变压器T的副边绕组Ns电压钳位在电压源V₂的电压V₂，变压器T原边绕组Np电压钳位在V₂/K，其中，K＝n_s/n_p，n_s、n_p分别表示副边绕组、原边绕组的匝数，谐振电感L_r两端的电压被钳位在V₁-V₂/K，此时谐振电感L_r电流i_Lr线性增加；当谐振电感L_r电流i_Lr增至电感L电流i_L，即i_Lr＝i_L时，关断第二开关管S₂，由于第二谐振电容C₂的存在，第二开关管S₂实现软关断，此模态结束，持续时间为：

降压模式第六模态发生在t₅-t₆阶段，t₅时刻软关断第二开关管S₂，谐振电感L_r开始与第一、第二谐振电容C₁、C₂谐振，谐振电感L_r中的电流i_Lr继续增加，第一谐振电容C₁放电，第二谐振电容C₂充电，第一谐振电容C₁端电压逐渐减小，第二谐振电容C₂端电压逐渐增加，当C₂端电压增加至V₁-V₂/K时，谐振电感L_r中的电流i_Lr达到最大值，此模态结束，持续时间：

降压模式第七模态发生在t₆-t₇阶段，t₆时刻谐振电感L_r电流i_Lr达到最大值，之后第一谐振电容C₁继续放电、第二谐振电容C₂继续充电，谐振电感电流i_Lr开始减小，第一谐振电容C₁端电压逐渐减小，第二谐振电容C₂端电压逐渐增加，当第一谐振电容C₁端电压减小至0V、第二谐振电容C₂端电压增加至V₁时，此模态结束，持续时间为：

降压模式第八模态发生在t₇-t₈阶段，t₇时刻第一谐振电容C₁端电压减小至0V，第一二极管D₁开始自然导通续流，并将第一开关管S₁的漏源电压钳位至接近于0V，这时在零电压下开通第一开关管S₁，第一开关管S₁实现软开通，开通第一开关管S₁时，此模态结束；

降压模式第九模态发生在t₈-t₉阶段，t₈时刻软开通第一开关管S₁，电感L进行储能；谐振电感L_r两端电压变为-V₂/K，谐振电感L_r中的电流i_Lr继续减小，当谐振电感L_r中的电流i_Lr减小为0A时关断第三开关管S₃，第三开关管S₃实现软关断，关断第三开关管S₃时，此模态结束，持续时间为：

进一步，所述升压模式控制方法包括九个模态，九个升压模态依序进行完成一个周期，具体包括：

升压模式第一模态发生在t₀-t₁阶段：t₀时刻，谐振电感L_r中电流i_Lr为0，仅第二开关管S₂导通，电感L中的电流方向由第二电压源V₂流向第一电压源V₁，该模态中第二电压源V₂的能量向电感L转移，当电感L上存储的能量达到最大时，关断第二开关管S₂，由于第二谐振电容C₂的存在，第二开关管S₂实现软关断，关断第二开关管S₂时，此模态结束；

升压模式第二模态发生在t₁-t₂阶段，t₁时刻软关断第二开关管S₂，流过电感L的电流方向由于不能发生突变，第一谐振电容C₁放电，第二谐振电容C₂充电，电感L的电感值相对第一、第二谐振电容C₁、C₂电容值很大，通过电感L的电流I_L2近似不变，当第一谐振电容C₁端电压下降至0V时，此模态结束，持续时间为：t₁₂＝V₂·2C_r/I_L2，其中，C_r＝C₁＝C₂，C_r为谐振电容；

升压模式第三模态发生在t₂-t₃阶段：t₂时刻第一谐振电容C₁两端电压下降为0V，第一二极管D₁自然导通续流，并将第一开关管S₁的漏源电压钳位至接近于0V，这时在零电压下开通第一开关管S₁，第一开关管S₁实现软开通，开通第一开关管S₁时，此模态结束；

升压模式第四模态发生在t₃-t₄阶段：t₃时刻软开通第一开关管S₁，电感L中储存的能量通过第一开关管S₁向第一电压源V₁转移，在关断第一开关管S₁前的短时间内使第四开关管S₄导通，由于开通第四开关管S₄前辅助支路中的电流为0A，第四开关管S₄实现软开通，此模态结束；

升压模式第五模态发生在t₄-t₅阶段：t₄时刻软开通第四开关管S₄，变压器T原边绕组Np同名端为负，副边绕组Ns同名端感应负电动势，第六、第七二极管D₆、D₇导通，变压器T的副边绕组Ns电压钳位在V₂，变压器T原边绕组Np电压为V₂/K，其中，K＝n_s/n_p，n_s、n_p分别表示副边绕组、原边绕组的匝数，因此谐振电感L_r两端的电压被钳位在V₁-V₂/K，此时谐振电感L_r电流i_Lr线性增加，当谐振电感L_r电流i_Lr等于电感L电流时，关断第一开关管S₁，由于第一谐振电容C₁的存在，第一开关管S₁实现软关断，此模态结束，持续时间为：

升压模式第六模态发生在t₅-t₆阶段：t₅时刻软关断第一开关管S₁，谐振电感L_r开始与第一、第二谐振电容C₁、C₂发生谐振，谐振电感L_r电流i_Lr继续增加，第一谐振电容C₁充电，第二谐振电容C₂放电，第一谐振电容C₁端电压逐渐增加，第二谐振电容C₂端电压逐渐减小，当第二谐振电容C₂端电压减小至V₁-V₂/n时，谐振电感L_r中的电流i_Lr达到最大值，此模态结束，持续时间为：

升压模式第七模态发生在t₆-t₇阶段：t₆时刻谐振电感L_r电流i_Lr达到最大值，之后第一谐振电容C₁继续充电、第二谐振电容C₂继续放电，谐振电感L_r电流i_Lr开始减小，第一谐振电容C₁端电压继续增加，第二谐振电容C₂端电压继续减小，当第二谐振电容C₂端电压减小至0V时，此模态结束，持续时间为：

升压模式第八模态发生在t₇-t₈阶段：t₇时刻第二谐振电容C₂端电压减小至0，第二二极管D2开始自然导通续流，并将第二开关管S₂的漏源电压钳位至接近于0，这时在零电压下开通第二开关管S₂，第二开关管S₂实现软开通，开通第二开关管S₂时，此模态结束；

升压模式第九模态发生在t₈-t₉阶段：t₈时刻软开通第二开关管S₂，电感L中的电流方向由第二电压源V₂流向第一电压源V₁，电感L进行储能，谐振电感L_r两端电压变为-V₂/K，谐振电感L_r电流i_Lr继续减小，当谐振电感L_r电流i_Lr减小为0时关断第四开关管S₄，第四开关管S₄实现软关断，此模态结束，持续时间为：

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

本发明解决了传统的双向半桥PFC变换器在主开关管导通的瞬间，整流开关管的体二极管由于反向恢复特性、以及主开关管在开通时由于其寄生电容之前存储的能量无法释放而导致的主开关管导通损耗过大的问题，并成功地将上述两部分能量损耗通过辅助支路的谐振电感和变压器回馈至电压源V₂，同时实现了主回路开关管的零电压导通和关断，以及辅助支路开关管的零电流导通和关断，显著提升了变换器的效率。

附图说明

图1是本发明实施例的电路结构原理图；

图2是实施例工作在降压模式下第一模态时的等效电路图；

图3是实施例工作在降压模式下第二模态时的等效电路图；

图4是实施例工作在降压模式下第三模态时的等效电路图；

图5是实施例工作在降压模式下第四模态时的等效电路图；

图6是实施例工作在降压模式下第五模态时的等效电路图；

图7是实施例工作在降压模式下第六模态、第七模态时的等效电路图；

图8是实施例工作在降压模式下第八模态时的等效电路图；

图9是实施例工作在降压模式下第九模态时的等效电路图；

图10是实施例工作在降压模式下电感流过的电流、开关管加载的电压的波形信号图；

图11是实施例工作在升压模式下第一模态时的等效电路图；

图12是实施例工作在升压模式下第二模态时的等效电路图；

图13是实施例工作在升压模式下第三模态时的等效电路图；

图14是实施例工作在升压模式下第四模态时的等效电路图；

图15是实施例工作在升压模式下第五模态时的等效电路图；

图16是实施例工作在升压模式下第六模态、第七模态时的等效电路图；

图17是实施例工作在升压模式下第八模态时的等效电路图；

图18是实施例工作在升压模式下第九模态时的等效电路图；

图19是实施例工作在升压过程时电感流过的电流、开关管加载的电压的波形信号图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

如图1所示，一种双向PFC软开关(PFC：功率因素校正)，包括主回路和辅助支路，主回路包括第一、第二开关管S₁、S₂，第一、第二谐振电容C₁、C₂，电感L、第一、第二滤波电容C_o1、C_o2，辅助支路包括第三、第四开关管S₃、S₄，谐振电感L_r，变压器T和全桥整流桥；

第一谐振电容C₁与第一开关管S₁并联，第二谐振电容C₂与第二开关管S₂并联；第一开关管S₁的源极与第二开关管S₂的漏极、电感L的一端相连，电感L的另一端分别与全桥整流桥的正极输出端m、第二滤波电容C_o2的一端相连，第二滤波电容C_o2的另一端与第二开关管S₂的源极相连；第一滤波电容C_o1的两端分别与第一开关管S₁的漏极、第二开关管S₂的源极相连；第一、第三开关管S₁、S₃的漏极相连，第三开关管S₃的源极与第四开关管S₄的漏极相连，第二、第四开关管S₂、S₄的源极相连；全桥整流桥的负极输出端n与第四开关管S₄的源极相连；谐振电感L_r的一端与第一开关管S₁的源极相连，谐振电感L_r的另一端与变压器T原边的异名端相连，变压器T原边的同名端与第三开关管S₃的源极相连；变压器T副边的同名端与全桥整流桥的第一交流输入端p相连，变压器T副边的异名端与全桥整流桥的第二交流输入端q相连。

本PFC软开关还包括第一、第二、第三、第四二极管D₁、D₂、D₃、D₄，第一、第二、第三、第四二极管D₁、D₂、D₃、D₄依次为第一、第二、第三、第四开关管S₁、S₂、S₃、S₄的反并联二极管。第一开关管S₁的源极与第二开关管S₂的漏极串联连接构成主桥臂，连接点记为A点；第三开关管S₃的源极与第四开关管S₄的漏极串联连接构成辅助桥臂，连接点记为B点；主臂的上端点(第一开关管S₁的漏极)和辅助桥臂的上端点(第三开关管S₃的漏极)相连，记为C点；主桥臂的下端点(第二开关管S₂的源极)和辅助桥臂的下端点(第四开关管S₄的源极)相连，记为D点。

全桥整流桥包括第五、第六、第七、第八二极管D₅、D₆、D₇、D₈，第五、第六二极管D₅、D₆串联形成的支路与第七、第八二极管D₇、D₈串联形成的支路并联。

本发明还提供一种双向PFC软开关的控制方法，基于上述的一种双向PFC软开关完成，包括降压模式控制方法和升压模式控制方法，PFC软开关在降压模式下，第一电压源V₁与第一滤波电容C_o1并联，第一滤波电容C_o1的两端为电压输入端，第二滤波电容C_o2的两端为电压输出端；在升压模式下，第二电压源V₂与第二滤波电容C_o2并联，第二滤波电容C_o2的两端为电压输入端，第一滤波电容C_o1的两端为电压输出端。

降压模式控制方法包括九个模态，九个降压模态依序进行完成一个周期，具体包括：

如图2所示，降压模式第一模态发生在t₀-t₁阶段，t₀时刻谐振电感L_r上的电流i_Lr＝0，仅第一开关管S₁处于导通状态，电感L的电流方向由第一电压源V₁流向第二电压源V₂，该模态第一电压源V₁的能量向电感L转移，当电感L上存储的能量达到最大时，关断第一开关管S₁，由于第一谐振电容C₁的存在，第一开关管S₁实现软关断，此模态结束；

如图3所示，降压模式第二模态发生在t₁-t₂阶段t₁时刻软关断第一开关管S₁，流过电感L的电流方向由于不能发生突变，第一谐振电容C₁充电，第二谐振电容C₂放电，电感L的电感值相对第一、第二谐振电容C₁、C₂电容值很大，通过电感L的电流I_L1近似不变，当第二谐振电容C₂端电压由V₁下降至0V时，此模态结束，持续时间为：t₁₂＝V₁·2C_r/I_L1，其中，C_r＝C₁＝C₂，C_r为谐振电容；

如图4所示，升压模式第三模态发生在t₂-t₃阶段t₂时刻第二谐振电容C₂端电压下降至0V，第二二极管D₂自然导通续流，第二二极管D₂的导通将第二开关管S₂漏源电压钳位至接近于0V，这时在零电压下开通第二开关管S₂，第二开关管S₂实现软开通，开通第二开关管S₂时，此模态结束；

如图5所示，降压模式第四模态发生在t₃-t₄阶段，t₃时刻软开通第二开关管S₂，电感L中存储的能量通过第二开关管S₂释放，在关断第二开关管S₂前的短时间内使第三开关管S₃导通，由于开通第三开关管S₃前辅助支路中的电流为0A，第三开关管S₃实现软开通，此模态结束；

如图6所示，t₄时刻软开通第三开关管S₃，变压器T原边绕组Np同名端为正，副边绕组Ns同名端感应正电动势，第五、第八二极管D₅、D₈导通，变压器T的副边绕组Ns电压钳位在电压源V₂的电压V₂，变压器T原边绕组Np电压钳位在V₂/K，其中，K＝n_s/n_p，n_s、n_p分别表示副边绕组、原边绕组的匝数，谐振电感L_r两端的电压被钳位在V₁-V₂/K，此时谐振电感L_r电流i_Lr线性增加；当谐振电感L_r电流i_Lr增至电感L电流i_L，即i_Lr＝i_L时，关断第二开关管S₂，由于第二谐振电容C₂的存在，第二开关管S₂实现软关断，此模态结束，持续时间为：

如图7所示，降压模式第六模态发生在t₅-t₆阶段，t₅时刻软关断第二开关管S₂，谐振电感L_r开始与第一、第二谐振电容C₁、C₂谐振，谐振电感L_r中的电流i_Lr继续增加，第一谐振电容C₁放电，第二谐振电容C₂充电，第一谐振电容C₁端电压逐渐减小，第二谐振电容C₂端电压逐渐增加，当C₂端电压增加至V₁-V₂/K时，谐振电感L_r中的电流i_Lr达到最大值，此模态结束，持续时间：

降压模式第七模态发生在t₆-t₇阶段，t₆时刻谐振电感L_r电流i_Lr达到最大值，之后第一谐振电容C₁继续放电、第二谐振电容C₂继续充电，谐振电感电流i_Lr开始减小，第一谐振电容C₁端电压逐渐减小，第二谐振电容C₂端电压逐渐增加，当第一谐振电容C₁端电压减小至0V、第二谐振电容C₂端电压增加至V₁时，此模态结束，持续时间为：

如图8所示，降压模式第八模态发生在t₇-t₈阶段，t₇时刻第一谐振电容C₁端电压减小至0V，第一二极管D₁开始自然导通续流，第一二极管D₁的导通将第一开关管S₁的漏源电压钳位至接近于0V，这时在零电压下开通第一开关管S₁，第一开关管S₁实现软开通，开通第一开关管S₁时，此模态结束；

如图9所示，第九降压模态发生在t₈-t₉阶段，t₈时刻软开通第一开关管S₁，电感L进行储能；谐振电感L_r两端电压变为-V₂/K，谐振电感L_r中的电流i_Lr继续减小，当谐振电感L_r中的电流i_Lr减小为0A时关断第三开关管S₃，第三开关管S₃实现软关断，关断第三开关管S₃时，此模态结束，持续时间为：

图10给出了第一、第二、第三开关管S₁、S₂、S₃在整个降压模式下栅源电压、漏源电压和电感L、谐振电感L_r的波形图。当主回路处于降压模式时，第四开关管S₄不工作，仅第三开关管S₃起辅助作用。第二开关管S₂在关断前，先将第三开关管S₃导通，谐振电感L_r中的电流从0增加至负载电流时，关断第二开关管S₂；此后谐振电感Lr中的电流继续增加，谐振电感L_r、第一、第二谐振电容C₁、C₂将发生谐振，谐振电容中的能量搬移至谐振电感L_r，A点的电位一直上升，直至谐振电感L_r两端的电压为0时，谐振电感的电流达到最大值；此后A点的电位继续上升，直至第一开关管S₁的漏源电压为0，此时第一二极管D₁续流，第一开关管S₁能够在ZVS(零电压开关)下导通，谐振电感L_r中的电流由最大值一直下降；第一开关管S₁导通后，谐振电感L_r中的电流继续下降，其能量全部由变压器T馈入第二电压源V₂，直至其电流降为0，第三开关管S₃能够在ZCS下关断。

升压模式控制方法包括九个升压模态，九个降压模态依序进行完成一个周期，具体包括：

如图11所示，升压模式第一模态发生在t₀-t₁阶段t₀时刻，谐振电感L_r中电流i_Lr为0，仅第二开关管S₂导通，电感L中的电流方向由第二电压源V₂流向第一电压源V₁，该模态中第二电压源V₂的能量向电感L转移，当电感L上存储的能量达到最大时，关断第二开关管S₂，由于第二谐振电容C₂的存在，第二开关管S₂实现软关断，关断第二开关管S₂时，此模态结束；

如图12所示，升压模式第二模态发生在t₁-t₂阶段，t₁时刻软关断第二开关管S₂，流过电感L的电流方向由于不能发生突变，第一谐振电容C₁放电，第二谐振电容C₂充电，电感L的电感值相对第一、第二谐振电容C₁、C₂电容值很大，通过电感L的电流I_L1近似不变，当第一谐振电容C₁端电压下降至0V时，此模态结束，持续时间为：t₁₂＝V₂·2Cr/I_L2，其中，C1＝C2＝Cr，Cr为谐振电容，I_L2为升压模式下的负载电流；

如图13所示，升压模式第三模态发生在t₂-t₃阶段：t₂时刻第一谐振电容C₁两端电压下降为0V，第一二极管D₁自然导通续流，第一二极管D₁的导通将第一开关管S₁的漏源电压钳位至接近于0V，这时在零电压下开通第一开关管S₁，第一开关管S₁实现软开通，开通第一开关管S₁时，此模态结束；

如图14所示，升压模式第四模态发生在t₃-t₄阶段：t₃时刻软开通第一开关管S₁，电感L中储存的能量通过第一开关管S₁向第一电压源V₁转移，在关断第一开关管S₁前的短时间内使第四开关管S₄导通，由于开通第四开关管S₄前辅助支路中的电流为0A，第四开关管S₄实现软开通，此模态结束；

如图15所示，升压模式第五模态发生在t₄-t₅阶段：t₄时刻软开通第四开关管S₄，变压器T原边绕组Np同名端为负，副边绕组Ns同名端感应负电动势，第六、第七二极管D₆、D₇导通，变压器T的副边绕组Ns电压钳位在V₂，变压器T原边绕组Np电压为V₂/K，其中，K＝n_s/n_p，n_s、n_p分别表示副边绕组、原边绕组的匝数，因此谐振电感L_r两端的电压被钳位在V₁-V₂/K，此时谐振电感L_r电流i_Lr线性增加，当谐振电感L_r电流i_Lr等于电感L电流时，关断第一开关管S₁，由于第一谐振电容C₁的存在，第一开关管S₁实现软关断，此模态结束，持续时间为：

如图16所示，升压模式第六模态发生在t₅-t₆阶段：t₅时刻软关断第一开关管S₁，谐振电感L_r开始与第一、第二谐振电容C₁、C₂发生谐振，谐振电感L_r电流i_Lr继续增加，第一谐振电容C₁充电，第二谐振电容C₂放电，第一谐振电容C₁端电压逐渐增加，第二谐振电容C₂端电压逐渐减小，当第二谐振电容C₂端电压减小至V₁-V₂/n时，谐振电感L_r中的电流i_Lr达到最大值，此模态结束，持续时间为：

升压模式第七模态发生在t₆-t₇阶段：t₆时刻谐振电感L_r电流i_Lr达到最大值，之后第一谐振电容C₁继续充电、第二谐振电容C₂继续放电，谐振电感L_r电流i_Lr开始减小，第一谐振电容C₁端电压继续增加，第二谐振电容C₂端电压继续减小，当第二谐振电容C₂端电压减小至0V时，此模态结束，持续时间为：

如图17所示，升压模式第八模态发生在t₇-t₈阶段：t₇时刻第二谐振电容C₂端电压减小至0，第二二极管D2开始自然导通续流，第二二极管D2的导通将第二开关管S₂的漏源电压钳位至接近于0，这时在零电压下开通第二开关管S₂，第二开关管S₂实现软开通，开通第二开关管S₂时，此模态结束；

如图18所示，升压模式第九模态发生在t₈-t₉阶段：t₈时刻软开通第二开关管S₂，电感L中的电流方向由第二电压源V₂流向第一电压源V₁，电感L进行储能，谐振电感L_r两端电压变为-V₂/K，谐振电感L_r电流i_Lr继续减小，当谐振电感L_r电流i_Lr减小为0时关断第四开关管S₄，第四开关管S₄实现软关断，此模态结束，持续时间为：

图19给出了第一、第二、第四开关管S₁、S₂、S₃在整个升压模式下栅源电压、漏源电压和电感L、谐振电感L_r的波形图。当主回路处于升压模式时，第三开关管S₃不工作，仅第四开关管S₄起辅助作用。第一开关管S₁在关断前，先将第四开关管S₄导通，谐振电感L_r中的电流从0增加至负载电流时，关断第一开关管S₁；此后谐振电感L_r中的电流继续增加，谐振电感L_r、第一、第二谐振电容C₁、C₂将发生谐振，谐振电容中的能量搬移至谐振电感L_r，A点的电位一直下降，直至谐振电感L_r两端的电压为0时，谐振电感L_r的电流达到最大值；此后A点的电位继续下降，直至第二开关管S₂的漏源电压为0，此时第二二极管D₂续流，第二开关管S₂能够在ZVS下导通，谐振电感L_r中的电流由最大值一直下降；第二开关管S₂导通后，谐振电感L_r中的电流继续下降，其能量全部由变压器T馈入第二电压源V₂，直至其电流降为0，第四开关管S₄能够在ZCS下关断。

尽管已经参照其示例性实施例具体显示和描述了本发明，但是本领域的技术人员应该理解，在不脱离权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行形式和细节上的各种改变。

Claims (2)

1.一种双向PFC软开关的控制方法，其特征在于：基于一种双向PFC软开关完成，该双向PFC软开关包括主回路和辅助支路；主回路包括第一、第二开关管S₁、S₂，第一、第二谐振电容C₁、C₂，电感L、第一、第二滤波电容C_o1、C_o2；辅助支路包括第三、第四开关管S₃、S₄，谐振电感L_r，变压器T，第一、第二、第三、第四二极管D₁、D₂、D₃、D₄和全桥整流桥；

第一谐振电容C₁与第一开关管S₁并联，第二谐振电容C₂与第二开关管S₂并联；第一开关管S₁的源极与第二开关管S₂的漏极、电感L的一端相连，电感L的另一端分别与全桥整流桥的正极输出端m、第二滤波电容C_o2的一端相连，第二滤波电容C_o2的另一端与第二开关管S₂的源极相连；第一滤波电容C_o1的两端分别与第一开关管S₁的漏极、第二开关管S₂的源极相连；第一、第三开关管S₁、S₃的漏极相连，第三开关管S₃的源极与第四开关管S₄的漏极相连，第二、第四开关管S₂、S₄的源极相连；全桥整流桥的负极输出端n与第四开关管S₄的源极相连；谐振电感L_r的一端与第一开关管S₁的源极相连，谐振电感L_r的另一端与变压器T原边的异名端相连，变压器T原边的同名端与第三开关管S₃的源极相连；变压器T副边的同名端与全桥整流桥的第一交流输入端p相连，变压器T副边的异名端与全桥整流桥的第二交流输入端q相连；

第一、第二、第三、第四开关管S₁、S₂、S₃、S₄均为具有反并联二极管特性的功率开关管；第一、第二、第三、第四二极管D₁、D₂、D₃、D₄依次为第一、第二、第三、第四开关管S₁、S₂、S₃、S₄的反并联二极管；

全桥整流桥包括第五、第六、第七、第八二极管D₅、D₆、D₇、D₈，第五、第六二极管D₅、D₆串联形成的支路与第七、第八二极管D₇、D₈串联形成的支路并联；

该双向PFC软开关的控制方法包括降压模式控制方法和升压模式控制方法；PFC软开关在降压模式下，第一电压源V₁与第一滤波电容C_o1并联，第一滤波电容C_o1的两端为电压输入端，第二滤波电容C_o2的两端为电压输出端；PFC软开关在升压模式下，第二电压源V₂与第二滤波电容C_o2并联，第二滤波电容C_o2的两端为电压输入端，第一滤波电容C_o1的两端为电压输出端；

降压模式控制方法包括九个模态，九个模态依序进行完成一个周期，具体包括：

降压模式第一模态发生在t₀-t₁阶段，t₀时刻，谐振电感L_r上的电流i_Lr＝0，仅第一开关管S₁处于导通状态，电感L的电流方向由第一电压源V₁流向第二电压源V₂，该模态第一电压源V₁的能量向电感L转移，当电感L上存储的能量达到最大时，关断第一开关管S₁，由于第一谐振电容C₁的存在，第一开关管S₁实现软关断，此模态结束；

降压模式第二模态发生在t₁-t₂阶段，t₁时刻软关断第一开关管S₁，流过电感L的电流方向由于不能发生突变，第一谐振电容C₁充电，第二谐振电容C₂放电，电感L的电感值相对第一、第二谐振电容C₁、C₂电容值很大，通过电感L的电流I_L1近似不变，当第二谐振电容C₂端电压由V₁下降至0V时，此模态结束，持续时间为：t₁₂＝V₁·2C_r/I_L1，其中，C_r＝C₁＝C₂，C_r为谐振电容；

降压模式第三模态发生在t₂-t₃阶段，t₂时刻第二谐振电容C₂端电压下降至0V，第二二极管D₂自然导通续流，并将第二开关管S₂漏源电压钳位至接近于0V，这时在零电压下开通第二开关管S₂，第二开关管S₂实现软开通，开通第二开关管S₂时，此模态结束；

降压模式第四模态发生在t₃-t₄阶段，t₃时刻软开通第二开关管S₂，电感L中存储的能量通过第二开关管S₂释放，在关断第二开关管S₂前的短时间内使第三开关管S₃导通，由于开通第三开关管S₃前辅助支路中的电流为0A，第三开关管S₃实现软开通，此模态结束；

降压模式第五模态发生在t₄-t₅阶段，t₄时刻软开通第三开关管S₃，变压器T原边绕组Np同名端为正，副边绕组Ns同名端感应正电动势，第五、第八二极管D₅、D₈导通，变压器T的副边绕组Ns电压钳位在电压源V₂的电压V₂，变压器T原边绕组Np电压钳位在V₂/K，其中，K＝n_s/n_p，n_s、n_p分别表示副边绕组、原边绕组的匝数，谐振电感L_r两端的电压被钳位在V₁-V₂/K，此时谐振电感L_r电流i_Lr线性增加；当谐振电感L_r电流i_Lr增至电感L电流i_L，即i_Lr＝i_L时，关断第二开关管S₂，由于第二谐振电容C₂的存在，第二开关管S₂实现软关断，此模态结束，持续时间为：

降压模式第六模态发生在t₅-t₆阶段，t₅时刻软关断第二开关管S₂，谐振电感L_r开始与第一、第二谐振电容C₁、C₂谐振，谐振电感L_r中的电流i_Lr继续增加，第一谐振电容C₁放电，第二谐振电容C₂充电，第一谐振电容C₁端电压逐渐减小，第二谐振电容C₂端电压逐渐增加，当C₂端电压增加至V₁-V₂/K时，谐振电感L_r中的电流i_Lr达到最大值，此模态结束，持续时间：

降压模式第七模态发生在t₆-t₇阶段，t₆时刻谐振电感L_r电流i_Lr达到最大值，之后第一谐振电容C₁继续放电、第二谐振电容C₂继续充电，谐振电感电流i_Lr开始减小，第一谐振电容C₁端电压逐渐减小，第二谐振电容C₂端电压逐渐增加，当第一谐振电容C₁端电压减小至0V、第二谐振电容C₂端电压增加至V₁时，此模态结束，持续时间为：

降压模式第八模态发生在t₇-t₈阶段，t₇时刻第一谐振电容C₁端电压减小至0V，第一二极管D₁开始自然导通续流，并将第一开关管S₁的漏源电压钳位至接近于0V，这时在零电压下开通第一开关管S₁，第一开关管S₁实现软开通，开通第一开关管S₁时，此模态结束；

降压模式第九模态发生在t₈-t₉阶段，t₈时刻软开通第一开关管S₁，电感L进行储能；谐振电感L_r两端电压变为-V₂/K，谐振电感L_r中的电流i_Lr继续减小，当谐振电感L_r中的电流i_Lr减小为0A时关断第三开关管S₃，第三开关管S₃实现软关断，关断第三开关管S₃时，此模态结束，持续时间为：

2.根据权利要求1所述的一种双向PFC软开关的控制方法，其特征在于：所述升压模式控制方法包括九个模态，九个升压模态依序进行完成一个周期，具体包括：

升压模式第一模态发生在t₀-t₁阶段：t₀时刻，谐振电感L_r中电流i_Lr为0，仅第二开关管S₂导通，电感L中的电流方向由第二电压源V₂流向第一电压源V₁，该模态中第二电压源V₂的能量向电感L转移，当电感L上存储的能量达到最大时，关断第二开关管S₂，由于第二谐振电容C₂的存在，第二开关管S₂实现软关断，关断第二开关管S₂时，此模态结束；

升压模式第二模态发生在t₁-t₂阶段，t₁时刻软关断第二开关管S₂，流过电感L的电流方向由于不能发生突变，第一谐振电容C₁放电，第二谐振电容C₂充电，电感L的电感值相对第一、第二谐振电容C₁、C₂电容值很大，通过电感L的电流I_L2近似不变，当第一谐振电容C₁端电压下降至0V时，此模态结束，持续时间为：t₁₂＝V₂·2C_r/I_L2，其中，C_r＝C₁＝C₂，C_r为谐振电容；

升压模式第三模态发生在t₂-t₃阶段：t₂时刻第一谐振电容C₁两端电压下降为0V，第一二极管D₁自然导通续流，并将第一开关管S₁的漏源电压钳位至接近于0V，这时在零电压下开通第一开关管S₁，第一开关管S₁实现软开通，开通第一开关管S₁时，此模态结束；

升压模式第四模态发生在t₃-t₄阶段：t₃时刻软开通第一开关管S₁，电感L中储存的能量通过第一开关管S₁向第一电压源V₁转移，在关断第一开关管S₁前的短时间内使第四开关管S₄导通，由于开通第四开关管S₄前辅助支路中的电流为0A，第四开关管S₄实现软开通，此模态结束；

升压模式第五模态发生在t₄-t₅阶段：t₄时刻软开通第四开关管S₄，变压器T原边绕组Np同名端为负，副边绕组Ns同名端感应负电动势，第六、第七二极管D₆、D₇导通，变压器T的副边绕组Ns电压钳位在V₂，变压器T原边绕组Np电压为V₂/K，其中，K＝n_s/n_p，n_s、n_p分别表示副边绕组、原边绕组的匝数，因此谐振电感L_r两端的电压被钳位在V₁-V₂/K，此时谐振电感L_r电流i_Lr线性增加，当谐振电感L_r电流i_Lr等于电感L电流时，关断第一开关管S₁，由于第一谐振电容C₁的存在，第一开关管S₁实现软关断，此模态结束，持续时间为：

升压模式第六模态发生在t₅-t₆阶段：t₅时刻软关断第一开关管S₁，谐振电感L_r开始与第一、第二谐振电容C₁、C₂发生谐振，谐振电感L_r电流i_Lr继续增加，第一谐振电容C₁充电，第二谐振电容C₂放电，第一谐振电容C₁端电压逐渐增加，第二谐振电容C₂端电压逐渐减小，当第二谐振电容C₂端电压减小至V₁-V₂/n时，谐振电感L_r中的电流i_Lr达到最大值，此模态结束，持续时间为：

升压模式第七模态发生在t₆-t₇阶段：t₆时刻谐振电感L_r电流i_Lr达到最大值，之后第一谐振电容C₁继续充电、第二谐振电容C₂继续放电，谐振电感L_r电流i_Lr开始减小，第一谐振电容C₁端电压继续增加，第二谐振电容C₂端电压继续减小，当第二谐振电容C₂端电压减小至0V时，此模态结束，持续时间为：

升压模式第八模态发生在t₇-t₈阶段：t₇时刻第二谐振电容C₂端电压减小至0，第二二极管D2开始自然导通续流，并将第二开关管S₂的漏源电压钳位至接近于0，这时在零电压下开通第二开关管S₂，第二开关管S₂实现软开通，开通第二开关管S₂时，此模态结束；

升压模式第九模态发生在t₈-t₉阶段：t₈时刻软开通第二开关管S₂，电感L中的电流方向由第二电压源V₂流向第一电压源V₁，电感L进行储能，谐振电感L_r两端电压变为-V₂/K，谐振电感L_r电流i_Lr继续减小，当谐振电感L_r电流i_Lr减小为0时关断第四开关管S₄，第四开关管S₄实现软关断，此模态结束，持续时间为：

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