CN112398330B - 一种无桥pfc变换器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无桥PFC变换器及其控制方法，包括交流电压源V_in、二极管D1、二极管D2、主开关管Q1、主开关管Q2、功率电感L和输出电容C0，还包括输出电容C1、输出电容C2和谐振电路，输出电容C1的两端并联连接在主开关管Q1的源极和漏极，输出电容C2的两端并联连接在主开关管Q2的源极和漏极；谐振电路包括谐振电感Lr和开关电路，谐振电感Lr的一端与功率电感L连接，另一端与开关电路连接，开关电路远离其连接谐振电感Lr的一侧并联连接在输出电容C0的两端。本发明能有效抑制开关管中寄生体二极管的反向恢复特性，实现各开关管的零电压开通和零电流关断。

Description

一种无桥PFC变换器及其控制方法

技术领域

本发明涉及电源技术领域，具体涉及一种无桥PFC变换器及其控制方法。

背景技术

电力电子技术的广泛应用给人类的生活带来了翻天覆地的变化，但同时也给电网的谐波治理造成了一定的困难。国际电工委员会制定的谐波标准IEC61000-3-2对_in-DC变换器注入电网的谐波电流进行了严格的限制，因此，在_in-DC变换器中加入功率因数校正技术以减少对电网的谐波污染变得尤为重要。

在过去的数十年里，各种Boost无桥PFC变换器相继被提出，其中基本无桥PFC变换器由于输入电压浮地导致了较大的共模噪声干扰，而带有钳位二极管的双Boost无桥PFC变换器可以有效的克服共模噪声问题，但过多的元器件数目限制了其进一步的应用与研究。

图腾柱无桥PFC变换器由于输入端在每半个周期由二极管钳位至输出，因此较其他无桥拓扑拥有更低的共模噪声，同时，较少的元器件数目和较高的器件利用率使其得到了广泛的关注与研究。图腾柱无桥PFC变换器的基本电路图如附图1所示，包括交流电压源V_in、二极管D1、二极管D2、主开关管Q1、主开关管Q2、功率电感L、输出电容C0和负载电阻RL，其中交流电压源V_in的正极与功率电感L的一端连接，功率电感L的另一端分别与主开关管Q1的源极和主开关管Q2的漏极连接，主开关管Q1的漏极与二极管D1的阴极连接，主开关管Q2的源极与二极管D2的阳极连接，二极管D2的阴极分别与二极管D1的阳极和交流电压源V_in的负极连接，输出电容C0和负载电阻RL并联连接后将两个连接点分别连接在主开关管Q1的漏极和主开关管Q2的源极。

上述图腾柱无桥PFC变换器工作时，在Si-MOSFET管（即主开关管Q1和主开关管Q2）内存在着寄生体二极管，由于大多数Si-MOSFET寄生体二极管的反向恢复特性很差，使得图腾柱无桥PFC变换器只能工作在DCM（断续导通模式，一个开关周期内电感电流 ≥ 0）或者BCM（临界导通模式，CCM切换到DCM经历的模式）模式，若工作在CCM（连续导通模式，一个开关周期内电感电流＞0）模式，由于Si-MOSFET寄生体二极管的反向恢复特性很差，如在对上桥臂的Si-MOSFET开关管施加正向电压时，下桥臂的Si-MOSFET开关管将受到反向电压的作用，此时，上桥臂的Si-MOSFET开关管在正向电压的作用下有电流通过，而下桥臂Si-MOSFET开关管的寄生体二极管在反向电压的作用下也会有反向电流的流过，由此会造成上、下桥臂的直通，进而导致Si-MOSFET烧毁。近些年来，也出现了一些反向恢复特性较好的开关管，但这类开关管普遍存在价格昂贵，可靠性低等诸多问题。因此如何设计一种新型的无桥PFC变换器，能够有效的抑制Si-MOSFET寄生体二极管的反向恢复特性，实现各开关管的零电压开通和零电流关断也成为了急需解决的技术问题。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明要解决的技术问题是：如何提供一种能有效抑制开关管中寄生体二极管的反向恢复特性，实现各开关管的零电压开通和零电流关断，进而实现工作在CCM模式的无桥PFC变换器。

另外，本发明还提供一种无桥PFC变换器的控制方法，以达到有效抑制开关管中寄生体二极管的反向恢复特性，实现各开关管的零电压开通和零电流关断，进而实现工作在CCM模式的目的。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种无桥PFC变换器，包括图腾柱无桥PFC变换器电路，所述图腾柱无桥PFC变换器电路包括交流电压源V_in、二极管D1、二极管D2、主开关管Q1、主开关管Q2、功率电感L和输出电容C0，所述主开关管Q1的栅极连接第一驱动电路，所述第一驱动电路用于提供触发信号以开通所述主开关管Q1，所述主开关管Q2的栅极连接第二驱动电路，所述第二驱动电路用于提供触发信号以开通所述主开关管Q2，其特征在于，还包括输出电容C1、输出电容C2和谐振电路，所述输出电容C1的两端并联连接在所述主开关管Q1的源极和漏极，所述输出电容C2的两端并联连接在所述主开关管Q2的源极和漏极；

所述谐振电路包括谐振电感Lr和开关电路，所述谐振电感Lr的一端同时与所述功率电感L的一端、所述主开关管Q1的源极和所述主开关管Q2的漏极连接，所述谐振电感Lr的另一端与所述开关电路连接，所述开关电路远离其连接所述谐振电感Lr的一侧并联连接在所述输出电容C0的两端。

本发明的工作原理是：本发明在交流电压源V_in的正半周期且在主开关管Q2开通前，功率电感L将通过主开关管Q1的寄生体二极管续流，此时接通开关电路，使得流过谐振电感Lr的谐振电流增加，主开关管Q1的寄生体二极管的续流电流减小，当功率电感L的电流与谐振电感Lr的谐振电流相等时，主开关管Q1的寄生体二极管的续流电流为零；当谐振电感Lr的谐振电流继续增大到大于功率电感L的电流时，与主开关管Q2的漏极和源极并联连接的输出电容C2放电，使得主开关管Q2的漏极和源极之间的电压Vds2降低，同时与主开关管Q1的源极和漏极并联连接的输出电容C1充电；当输出电容C2放电使得主开关管Q2的漏极和源极之间的电压Vds2降为零时，断开开关电路，第二驱动电路提供触发信号开通主开关管Q2，此时主开关管Q2实现零电压开通且主开关管Q1的寄生体二极管实现零电流关断；

在交流电压源V_in的负半周期且在主开关管Q1开通前，功率电感L将通过主开关管Q2的寄生体二极管续流，此时接通开关电路，使得流过谐振电感Lr的谐振电流增加，主开关管Q2的寄生体二极管的续流电流减小，当功率电感L的电流与谐振电感Lr的谐振电流相等时，主开关管Q2的寄生体二极管的续流电流为零，随着谐振电感Lr的谐振电流继续增大到大于功率电感L的电流时，与主开关管Q1的漏极和源极并联连接的输出电容C1放电，使得主开关管Q1的漏极和源极之间的电压Vds1降低，同时与主开关管Q2的源极和漏极并联连接的输出电容C2充电；当输出电容C1放电使得主开关管Q1的漏极和源极之间的电压Vds1降为零时，断开开关电路，第一驱动电路提供触发信号开通主开关管Q1，此时主开关管Q1实现零电压开通且主开关管Q2的寄生体二极管实现零电流关断。

本发明的有益效果在于：1、本发明的主开关管Q1和主开关管Q2在开通时，其两端的电压Vds1和Vds2均为零，由此实现了主开关管Q1和主开关管Q2的零电压开通，同时主开关管Q1和主开关管Q2在关断时，Q1的寄生体体二极管和Q2的寄生体二极管的电流均为零，由此实现了主开关管Q1和主开关管Q2的零电流关断，主开关管Q1和主开关管Q2的寄生体二极管在反向电压的作用下不会有反向电流的通过，有效的抑制了开关管中寄生体二极管的反向恢复特性，避免了上、下桥臂的直通，由此使得本发明的无桥PFC变换器能够工作在CCM（连续工作）模式。

2、本发明的无桥PFC变换器，通过谐振电路和传统图腾柱PFC电路的连接实现PFC功能，并通过控制谐振电路的开通与关断，谐振电流线性增加，功率电感L中的电流线性减小，使得流过主开关管中寄生体二极管的电流自然为零，反向恢复问题得到抑制；同时利用谐振电流对与主开关管并联连接的输出电容进行放电，各主开关管实现零电压开通，提高了变换器的效率。

优选的，所述开关电路包括开关管Q3、开关管Q4和开关管Q5，所述谐振电感Lr远离其连接所述功率电感L的一端与所述开关管Q5的漏极连接，所述开关管Q5的源极同时与所述开关管Q3的源极和所述开关管Q4的漏极连接，所述开关管Q3的漏极同时与所述主开关管Q1的漏极和所述输出电容C0的一端连接，所述开关管Q4的源极同时与所述主开关管Q2的源极和所述输出电容C0的另一端连接；

所述开关管Q3的栅极连接第三驱动电路，所述第三驱动电路用于提供触发信号以开通所述开关管Q3，所述开关管Q4的栅极连接第四驱动电路，所述第四驱动电路用于提供触发信号以开通所述开关管Q4，所述开关管Q5的栅极连接第五驱动电路，所述第五驱动电路用于提供触发信号以开通所述开关管Q5。

优选的，所述开关电路还包括开关管Q6，所述开关管Q6的源极与所述开关管Q5的源极连接，所述开关管Q6的漏极同时与所述开关管Q3的源极和所述开关管Q4的漏极连接，所述开关管Q6的栅极连接第六驱动电路，所述第六驱动电路用于提供触发信号以开通所述开关管Q6。

这样，通过设置开关管Q6，当谐振电感Lr的能量释放到输出侧时，利用开关管Q6的寄生体二极管的单向导通特性能够反向阻断防止发生二次谐振。

一种无桥PFC变换器的控制方法，采用上述无桥PFC变换器，包括对主开关管Q2的控制方法和对主开关管Q1的控制方法；

所述对主开关管Q2的控制方法为：

在交流电压源V_in的正半周期且在主开关管Q2开通前，功率电感L将通过主开关管Q1的寄生体二极管续流，此时接通开关电路，使得流过谐振电感Lr的谐振电流增加，主开关管Q1的寄生体二极管的续流电流减小，当功率电感L的电流与谐振电感Lr的谐振电流相等时，主开关管Q1的寄生体二极管的续流电流为零；

当谐振电感Lr的谐振电流继续增大到大于功率电感L的电流时，与主开关管Q2的漏极和源极并联连接的输出电容C2放电，使得主开关管Q2的漏极和源极之间的电压Vds2降低，同时与主开关管Q1的源极和漏极并联连接的输出电容C1充电；

当输出电容C2放电使得主开关管Q2的漏极和源极之间的电压Vds2降为零时，断开开关电路，第二驱动电路提供触发信号开通主开关管Q2，此时主开关管Q2实现零电压开通且主开关管Q1的寄生体二极管实现零电流关断；

所述对主开关管Q1的控制方法为：

在交流电压源V_in的负半周期且在主开关管Q1开通前，功率电感L将通过主开关管Q2的寄生体二极管续流，此时接通开关电路，使得流过谐振电感Lr的谐振电流增加，主开关管Q2的寄生体二极管的续流电流减小，当功率电感L的电流与谐振电感Lr的谐振电流相等时，主开关管Q2的寄生体二极管的续流电流为零，随着谐振电感Lr的谐振电流继续增大到大于功率电感L的电流时，与主开关管Q1的漏极和源极并联连接的输出电容C1放电，使得主开关管Q1的漏极和源极之间的电压Vds1降低，同时与主开关管Q2的源极和漏极并联连接的输出电容C2充电；

当输出电容C1放电使得主开关管Q1的漏极和源极之间的电压Vds1降为零时，断开开关电路，第一驱动电路提供触发信号开通主开关管Q1，此时主开关管Q1实现零电压开通且主开关管Q2的寄生体二极管实现零电流关断。

本发明的控制方法通过在传统图腾柱无桥PFC的基础上增加谐振电路，并创建了谐振电感、主开关管Q1、主开关管Q2以及传统图腾柱无桥PFC电路之间的连接电路以及控制方法，通过采用分阶段方式，在相应的输入正负半周期内，通过控制开关电路的开通与关断来减小主开关管Q1和主开关管Q2的电压电流应力，抑制了主开关管Q1和主开关管Q2中寄生体二极管的反向恢复特性，令主开关管Q1和主开关管Q2实现零电压开通，提高了变换器的效率，使得Si-MOSFET在该领域的应用成为可能。

优选的，所述开关电路包括开关管Q3、开关管Q4和开关管Q5，所述谐振电感Lr远离其连接所述功率电感L的一端与所述开关管Q5的漏极连接，所述开关管Q5的源极同时与所述开关管Q3的源极和所述开关管Q4的漏极连接，所述开关管Q3的漏极同时与所述主开关管Q1的漏极和所述输出电容C0的一端连接，所述开关管Q4的源极同时与所述主开关管Q2的源极和所述输出电容C0的另一端连接；

所述开关管Q3的栅极连接第三驱动电路，所述第三驱动电路用于提供触发信号以开通所述开关管Q3，所述开关管Q4的栅极连接第四驱动电路，所述第四驱动电路用于提供触发信号以开通所述开关管Q4，所述开关管Q5的栅极连接第五驱动电路，所述第五驱动电路用于提供触发信号以开通所述开关管Q5；

所述开关电路还包括开关管Q6，所述开关管Q6的源极与所述开关管Q5的源极连接，所述开关管Q6的漏极同时与所述开关管Q3的源极和所述开关管Q4的漏极连接，所述开关管Q6的栅极连接第六驱动电路，所述第六驱动电路用于提供触发信号以开通所述开关管Q6；

所述对主开关管Q2的控制方法中：

在交流电压源V_in的正半周期且在主开关管Q2开通前，功率电感L将通过主开关管Q1的寄生体二极管续流，第四驱动电路、第五驱动电路和第六驱动电路分别提供触发信号开通开关管Q4、开关管Q5和开关管Q6，谐振电感Lr、开关管Q5、开关管Q6、开关管Q4、主开关管Q1的寄生体二极管和输出电容C0形成电流回路，谐振电感Lr两端电压等于输出电容C0两端的电压，谐振电感Lr的谐振电流线性增加，主开关管Q1的寄生体二极管的续流电流线性减小，当功率电感L的电流与谐振电感Lr的谐振电流相等时，主开关管Q1的寄生体二极管的续流电流为零，实现主开关管Q1的寄生体二极管的零电流关断；

当谐振电感Lr的谐振电流继续增大到大于功率电感L的电流时，与主开关管Q2的漏极和源极并联连接的输出电容C2放电使得主开关管Q2的漏极和源极之间的电压Vds2降低，同时输出电容C2还与谐振电感Lr发生串联谐振使得谐振电感Lr两端的电压不断下降，与主开关管Q1的源极和漏极并联连接的输出电容C1充电；

当输出电容C2放电使得主开关管Q2的漏极和源极之间的电压Vds2降为零时，谐振电感Lr的谐振电流最大，此时断开开关管Q4和开关管Q6，保持开关管Q5导通，第二驱动电路提供触发信号开通主开关管Q2，此时主开关管Q2实现零电压开通且主开关管Q1的寄生体二极管实现零电流关断，同时谐振电感Lr中的能量通过开关管Q5、开关管Q3和开关管Q6的寄生体二极管输出，谐振电感Lr两端电压为反向的输出电容C0的电压，谐振电感Lr的谐振电流线性下降，当谐振电感Lr的谐振电流为零时关闭开关管Q5。

这样，通过开关电路中开关管Q6、开关管Q4、开关管Q5的合理连接和开通、关断的控制，使得谐振电感Lr中的谐振电流能按预定的趋势进行变化，由此保证了主开关管Q2的零电压开通和主开关管Q1的零电流关断，同时谐振电感Lr中的谐振电流在谐振结束后也能将其能量有效的释放到输出端，以便下一次的工作。

优选的，所述对主开关管Q1的控制方法中：

在交流电压源V_in的负半周期且在主开关管Q1开通前，功率电感L将通过主开关管Q2的寄生体二极管续流，第三驱动电路、第五驱动电路和第六驱动电路分别提供触发信号开通开关管Q3、开关管Q5和开关管Q6，谐振电感Lr、开关管Q3、开关管Q5、开关管Q6、主开关管Q2的寄生体二极管和输出电容C0形成电流回路，谐振电感Lr两端电压等于输出电容C0两端的电压，谐振电感Lr的谐振电流线性增加，主开关管Q2的寄生体二极管的续流电流线性减小，当功率电感L的电流与谐振电感Lr的谐振电流相等时，主开关管Q2的寄生体二极管的续流电流为零，实现主开关管Q2的寄生体二极管的零电流关断；

当谐振电感Lr的谐振电流继续增大到大于功率电感L的电流时，与主开关管Q1的漏极和源极并联连接的输出电容C1放电使得主开关管Q1的漏极和源极之间的电压Vds1降低，同时输出电容C1还与谐振电感Lr发生串联谐振使得谐振电感Lr两端的电压不断下降，与主开关管Q2的源极和漏极并联连接的输出电容C2充电；

当输出电容C1放电使得主开关管Q1的漏极和源极之间的电压Vds1降为零时，谐振电感Lr的谐振电流最大，此时断开开关管Q3和开关管Q5，保持开关管Q6导通，第一驱动电路提供触发信号开通主开关管Q1，此时主开关管Q1实现零电压开通且主开关管Q2的寄生体二极管实现零电流关断，同时谐振电感Lr中的能量通过开关管Q6、开关管Q4和开关管Q5的寄生体二极管输出，谐振电感Lr两端电压为反向的输出电容C0的电压，谐振电感Lr的谐振电流线性下降，当谐振电感Lr的谐振电流为零时关闭开关管Q6。

这样，通过开关电路中开关管Q3、开关管Q6、开关管Q5的合理连接和开通、关断的控制，使得谐振电感Lr中的谐振电流能按预定的趋势进行变化，由此保证了主开关管Q1的零电压开通和主开关管Q2的零电流关断，同时谐振电感Lr中的谐振电流在谐振结束后也能将其能量有效的释放到输出端，以便下一次的工作。

优选的，所述对主开关管Q2的控制方法中：当谐振电感Lr的谐振电流为零后再延时设定的时间后关闭开关管Q5。

优选的，所述对主开关管Q1的控制方法中：当谐振电感Lr的谐振电流为零后再延时设定的时间后关闭开关管Q6。

这样，在谐振电感Lr中的谐振电流为零后再延时设定的时间后关闭开关管Q5或开关管Q6，通过延时设定的时间以保证谐振电感Lr中的谐振电流完全降为零。

附图说明

图1为现有技术方案中典型的图腾柱无桥PFC变换器的基本电路图；

图2为本发明具体实施方式中无桥PFC变换器的电路图；

图3为本发明具体实施方式中交流电压源V_in为正半周期时对主开关管Q2的控制方法流程图；

图4为本发明具体实施方式中交流电压源V_in为正半周期时各器件的工作电压电流时序图。

具体实施方式

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

如附图2所示，一种无桥PFC变换器，包括图腾柱无桥PFC变换器电路，图腾柱无桥PFC变换器电路包括交流电压源V_in、二极管D1、二极管D2、主开关管Q1、主开关管Q2、功率电感L和输出电容C0，主开关管Q1的栅极连接第一驱动电路，第一驱动电路用于提供触发信号以开通主开关管Q1，主开关管Q2的栅极连接第二驱动电路，第二驱动电路用于提供触发信号以开通主开关管Q2，其特征在于，还包括输出电容C1、输出电容C2和谐振电路，输出电容C1的两端并联连接在主开关管Q1的源极和漏极，输出电容C2的两端并联连接在主开关管Q2的源极和漏极；

谐振电路包括谐振电感Lr和开关电路，谐振电感Lr的一端同时与功率电感L的一端、主开关管Q1的源极和主开关管Q2的漏极连接，谐振电感Lr的另一端与开关电路连接，开关电路远离其连接谐振电感Lr的一侧并联连接在输出电容C0的两端。

本发明的工作原理是：本发明在交流电压源V_in的正半周期且在主开关管Q2开通前，功率电感L将通过主开关管Q1的寄生体二极管续流，此时接通开关电路，使得流过谐振电感Lr的谐振电流增加，主开关管Q1的寄生体二极管的续流电流减小，当功率电感L的电流与谐振电感Lr的谐振电流相等时，主开关管Q1的寄生体二极管的续流电流为零；当谐振电感Lr的谐振电流继续增大到大于功率电感L的电流时，与主开关管Q2的漏极和源极并联连接的输出电容C2放电，使得主开关管Q2的漏极和源极之间的电压Vds2降低，同时与主开关管Q1的源极和漏极并联连接的输出电容C1充电；当输出电容C2放电使得主开关管Q2的漏极和源极之间的电压Vds2降为零时，断开开关电路，第二驱动电路提供触发信号开通主开关管Q2，此时主开关管Q2实现零电压开通且主开关管Q1的寄生体二极管实现零电流关断；

在交流电压源V_in的负半周期且在主开关管Q1开通前，功率电感L将通过主开关管Q2的寄生体二极管续流，此时接通开关电路，使得流过谐振电感Lr的谐振电流增加，主开关管Q2的寄生体二极管的续流电流减小，当功率电感L的电流与谐振电感Lr的谐振电流相等时，主开关管Q2的寄生体二极管的续流电流为零，随着谐振电感Lr的谐振电流继续增大到大于功率电感L的电流时，与主开关管Q1的漏极和源极并联连接的输出电容C1放电，使得主开关管Q1的漏极和源极之间的电压Vds1降低，同时与主开关管Q2的源极和漏极并联连接的输出电容C2充电；当输出电容C1放电使得主开关管Q1的漏极和源极之间的电压Vds1降为零时，断开开关电路，第一驱动电路提供触发信号开通主开关管Q1，此时主开关管Q1实现零电压开通且主开关管Q2的寄生体二极管实现零电流关断。

本发明的有益效果在于：1、本发明的主开关管Q1和主开关管Q2在开通时，其两端的电压Vds1和Vds2均为零，由此实现了主开关管Q1和主开关管Q2的零电压开通，同时主开关管Q1和主开关管Q2在关断时，Q1的寄生体体二极管和Q2的寄生体二极管的电流均为零，由此实现了主开关管Q1和主开关管Q2的零电流关断，主开关管Q1和主开关管Q2的寄生体二极管在反向电压的作用下不会有反向电流的通过，有效的抑制了开关管中寄生体二极管的反向恢复特性，避免了上、下桥臂的直通，由此使得本发明的无桥PFC变换器能够工作在CCM（连续工作）模式。

2、本发明的无桥PFC变换器，通过谐振电路和传统图腾柱PFC电路的连接实现PFC功能，并通过控制谐振电路的开通与关断，谐振电流线性增加，功率电感L中的电流线性减小，使得流过主开关管中寄生体二极管的电流自然为零，反向恢复问题得到抑制；同时利用谐振电流对与主开关管并联连接的输出电容进行放电，各主开关管实现零电压开通，提高了变换器的效率。

在本实施例中，开关电路包括开关管Q3、开关管Q4和开关管Q5，谐振电感Lr远离其连接功率电感L的一端与开关管Q5的漏极连接，开关管Q5的源极同时与开关管Q3的源极和开关管Q4的漏极连接，开关管Q3的漏极同时与主开关管Q1的漏极和输出电容C0的一端连接，开关管Q4的源极同时与主开关管Q2的源极和输出电容C0的另一端连接；

开关管Q3的栅极连接第三驱动电路，第三驱动电路用于提供触发信号以开通开关管Q3，开关管Q4的栅极连接第四驱动电路，第四驱动电路用于提供触发信号以开通开关管Q4，开关管Q5的栅极连接第五驱动电路，第五驱动电路用于提供触发信号以开通开关管Q5。

在本实施例中，开关电路还包括开关管Q6，开关管Q6的源极与开关管Q5的源极连接，开关管Q6的漏极同时与开关管Q3的源极和开关管Q4的漏极连接，开关管Q6的栅极连接第六驱动电路，第六驱动电路用于提供触发信号以开通开关管Q6。

这样，通过设置开关管Q6，当谐振电感Lr的能量释放到输出侧时，利用开关管Q6的寄生体二极管的单向导通特性能够反向阻断防止发生二次谐振。

在本实施例中，对各开光管的栅极提供触发信号以使得其导通的驱动电路可以采用现有技术中成熟的驱动电路，因此在本发明中不再对各开关管的驱动电路的具体电路结构进行说明。

如附图3所示，一种无桥PFC变换器的控制方法，采用上述无桥PFC变换器，包括对主开关管Q2的控制方法和对主开关管Q1的控制方法；

对主开关管Q2的控制方法为：

在交流电压源V_in的正半周期且在主开关管Q2开通前，功率电感L将通过主开关管Q1的寄生体二极管续流，此时接通开关电路，使得流过谐振电感Lr的谐振电流增加，主开关管Q1的寄生体二极管的续流电流减小，当功率电感L的电流与谐振电感Lr的谐振电流相等时，主开关管Q1的寄生体二极管的续流电流为零；

当谐振电感Lr的谐振电流继续增大到大于功率电感L的电流时，与主开关管Q2的漏极和源极并联连接的输出电容C2放电，使得主开关管Q2的漏极和源极之间的电压Vds2降低，同时与主开关管Q1的源极和漏极并联连接的输出电容C1充电；

当输出电容C2放电使得主开关管Q2的漏极和源极之间的电压Vds2降为零时，断开开关电路，第二驱动电路提供触发信号开通主开关管Q2，此时主开关管Q2实现零电压开通且主开关管Q1的寄生体二极管实现零电流关断；

对主开关管Q1的控制方法为：

在交流电压源V_in的负半周期且在主开关管Q1开通前，功率电感L将通过主开关管Q2的寄生体二极管续流，此时接通开关电路，使得流过谐振电感Lr的谐振电流增加，主开关管Q2的寄生体二极管的续流电流减小，当功率电感L的电流与谐振电感Lr的谐振电流相等时，主开关管Q2的寄生体二极管的续流电流为零，随着谐振电感Lr的谐振电流继续增大到大于功率电感L的电流时，与主开关管Q1的漏极和源极并联连接的输出电容C1放电，使得主开关管Q1的漏极和源极之间的电压Vds1降低，同时与主开关管Q2的源极和漏极并联连接的输出电容C2充电；

当输出电容C1放电使得主开关管Q1的漏极和源极之间的电压Vds1降为零时，断开开关电路，第一驱动电路提供触发信号开通主开关管Q1，此时主开关管Q1实现零电压开通且主开关管Q2的寄生体二极管实现零电流关断。

本发明的控制方法通过在传统图腾柱无桥PFC的基础上增加谐振电路，并创建了谐振电感、主开关管Q1、主开关管Q2以及传统图腾柱无桥PFC电路之间的连接电路以及控制方法，通过采用分阶段方式，在相应的输入正负半周期内，通过控制开关电路的开通与关断来减小主开关管Q1和主开关管Q2的电压电流应力，抑制了主开关管Q1和主开关管Q2中寄生体二极管的反向恢复特性，令主开关管Q1和主开关管Q2实现零电压开通，提高了变换器的效率，使得Si-MOSFET在该领域的应用成为可能。

在本实施例中，开关电路包括开关管Q3、开关管Q4和开关管Q5，谐振电感Lr远离其连接功率电感L的一端与开关管Q5的漏极连接，开关管Q5的源极同时与开关管Q3的源极和开关管Q4的漏极连接，开关管Q3的漏极同时与主开关管Q1的漏极和输出电容C0的一端连接，开关管Q4的源极同时与主开关管Q2的源极和输出电容C0的另一端连接；

开关管Q3的栅极连接第三驱动电路，第三驱动电路用于提供触发信号以开通开关管Q3，开关管Q4的栅极连接第四驱动电路，第四驱动电路用于提供触发信号以开通开关管Q4，开关管Q5的栅极连接第五驱动电路，第五驱动电路用于提供触发信号以开通开关管Q5；

开关电路还包括开关管Q6，开关管Q6的源极与开关管Q5的源极连接，开关管Q6的漏极同时与开关管Q3的源极和开关管Q4的漏极连接，开关管Q6的栅极连接第六驱动电路，第六驱动电路用于提供触发信号以开通开关管Q6；

对主开关管Q2的控制方法中：

在交流电压源V_in的正半周期且在主开关管Q2开通前，功率电感L将通过主开关管Q1的寄生体二极管续流，第四驱动电路、第五驱动电路和第六驱动电路分别提供触发信号开通开关管Q4、开关管Q5和开关管Q6，谐振电感Lr、开关管Q5、开关管Q6、开关管Q4、主开关管Q1的寄生体二极管和输出电容C0形成电流回路，谐振电感Lr两端电压等于输出电容C0两端的电压，谐振电感Lr的谐振电流线性增加，主开关管Q1的寄生体二极管的续流电流线性减小，当功率电感L的电流与谐振电感Lr的谐振电流相等时，主开关管Q1的寄生体二极管的续流电流为零，实现主开关管Q1的寄生体二极管的零电流关断；

当谐振电感Lr的谐振电流继续增大到大于功率电感L的电流时，与主开关管Q2的漏极和源极并联连接的输出电容C2放电使得主开关管Q2的漏极和源极之间的电压Vds2降低，同时输出电容C2还与谐振电感Lr发生串联谐振使得谐振电感Lr两端的电压不断下降，与主开关管Q1的源极和漏极并联连接的输出电容C1充电；

当输出电容C2放电使得主开关管Q2的漏极和源极之间的电压Vds2降为零时，谐振电感Lr的谐振电流最大，此时断开开关管Q4和开关管Q6，保持开关管Q5导通，第二驱动电路提供触发信号开通主开关管Q2，此时主开关管Q2实现零电压开通且主开关管Q1的寄生体二极管实现零电流关断，同时谐振电感Lr中的能量通过开关管Q5、开关管Q3和开关管Q6的寄生体二极管输出，谐振电感Lr两端电压为反向的输出电容C0的电压，谐振电感Lr的谐振电流线性下降，当谐振电感Lr的谐振电流为零时关闭开关管Q5。

这样，通过开关电路中开关管Q6、开关管Q4、开关管Q5的合理连接和开通、关断的控制，使得谐振电感Lr中的谐振电流能按预定的趋势进行变化，由此保证了主开关管Q2的零电压开通和主开关管Q1的零电流关断，同时谐振电感Lr中的谐振电流在谐振结束后也能将其能量有效的释放到输出端，以便下一次的工作。

在本实施例中，对主开关管Q1的控制方法中：

在交流电压源V_in的负半周期且在主开关管Q1开通前，功率电感L将通过主开关管Q2的寄生体二极管续流，第三驱动电路、第五驱动电路和第六驱动电路分别提供触发信号开通开关管Q3、开关管Q5和开关管Q6，谐振电感Lr、开关管Q3、开关管Q5、开关管Q6、主开关管Q2的寄生体二极管和输出电容C0形成电流回路，谐振电感Lr两端电压等于输出电容C0两端的电压，谐振电感Lr的谐振电流线性增加，主开关管Q2的寄生体二极管的续流电流线性减小，当功率电感L的电流与谐振电感Lr的谐振电流相等时，主开关管Q2的寄生体二极管的续流电流为零，实现主开关管Q2的寄生体二极管的零电流关断；

当谐振电感Lr的谐振电流继续增大到大于功率电感L的电流时，与主开关管Q1的漏极和源极并联连接的输出电容C1放电使得主开关管Q1的漏极和源极之间的电压Vds1降低，同时输出电容C1还与谐振电感Lr发生串联谐振使得谐振电感Lr两端的电压不断下降，与主开关管Q2的源极和漏极并联连接的输出电容C2充电；

当输出电容C1放电使得主开关管Q1的漏极和源极之间的电压Vds1降为零时，谐振电感Lr的谐振电流最大，此时断开开关管Q3和开关管Q5，保持开关管Q6导通，第一驱动电路提供触发信号开通主开关管Q1，此时主开关管Q1实现零电压开通且主开关管Q2的寄生体二极管实现零电流关断，同时谐振电感Lr中的能量通过开关管Q6、开关管Q4和开关管Q5的寄生体二极管输出，谐振电感Lr两端电压为反向的输出电容C0的电压，谐振电感Lr的谐振电流线性下降，当谐振电感Lr的谐振电流为零时关闭开关管Q6。

这样，通过开关电路中开关管Q3、开关管Q6、开关管Q5的合理连接和开通、关断的控制，使得谐振电感Lr中的谐振电流能按预定的趋势进行变化，由此保证了主开关管Q1的零电压开通和主开关管Q2的零电流关断，同时谐振电感Lr中的谐振电流在谐振结束后也能将其能量有效的释放到输出端，以便下一次的工作。

在本实施例中，对主开关管Q2的控制方法中：当谐振电感Lr的谐振电流为零后再延时设定的时间后关闭开关管Q5。

在本实施例中，对主开关管Q1的控制方法中：当谐振电感Lr的谐振电流为零后再延时设定的时间后关闭开关管Q6。

这样，在谐振电感Lr中的谐振电流为零后再延时设定的时间后关闭开关管Q5或开关管Q6，通过延时设定的时间以保证谐振电感Lr中的谐振电流完全降为零。

由于正负半周对称，为了简化分析，仅以交流电压源V_in正半周期为例进行详细说明，在交流电压源V_in为正半周期时，由二极管D2、主开关管Q1和主开关管Q2以及功率电感L构成Boost电路，电路中各主要器件的电压电流时序图如图4所示。

在t ₀时刻，主开关管Q₂关断，在此时段内，储存在功率电感L中的能量通过主开关管Q1的寄生体二极管流到输出侧，此过程与传统图腾柱无桥PFC的续流过程相同，功率电感L的电流线性下降。

在t ₁时刻开关管Q4、开关管Q5和开关管Q6分别在第四驱动电路、第五驱动电路和第六驱动电路的触发作用下导通，在此时段内，谐振电感Lr两端承受的电压为输出电压Vo，谐振电流线性增加，主开关管Q1的寄生体二极管的续流电流线性减小。

在t ₂时刻，功率电感L的电流与谐振电感Lr的谐振电流恰好相等，因此主开关管Q1的寄生体二极管电流降为零，由此可控的di/dt消除了反向恢复的影响，实现了主开关管Q1零电流关断；同时由于在t ₂时刻主开关管Q1的寄生体二极管电流降为零，电路中主开关管Q1的输出电容C1开始充电，主开关管Q2的输出电容C2开始放电并使得主开关管Q2的漏极和源极之间的电压Vds2降低，同时输出电容C2还将与谐振电感发生串联谐振，在此时段内，谐振电感Lr两端的电压逐渐下降。

到t ₃时刻，谐振电感Lr两端电压降为零，谐振电流达到最大值，此时谐振结束，主开关管Q2的漏极和源极之间的电压Vds2降为零，在此时间段内，有环流流过主开关管Q2的寄生体二极管，谐振电感Lr和开关管Q4，这个环流会降低整个系统的效率，需要较好的设计。

在t ₄时刻第二驱动电路提供触发信号给主开关管Q2并使其开通，由于其两端电压已经降为零，进而实现ZVS，此时断开开关管Q4和开关管Q6，开关管Q5保持导通，存储在谐振电感Lr中的能量通过开关管Q6的寄生体二极管和开关管Q3的寄生体二极管流向输出侧，谐振电感Lr两端承受反向的输出电压-V _o，谐振电流线性下降。

在t ₅时刻谐振电感Lr的谐振电流降为零，延迟少许时间后在t ₆时刻关闭开光管Q5的驱动信号。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种无桥PFC变换器的控制方法，其特征在于，采用无桥PFC变换器，包括图腾柱无桥PFC变换器电路，所述图腾柱无桥PFC变换器电路包括交流电压源V_in、二极管D1、二极管D2、主开关管Q1、主开关管Q2、功率电感L和输出电容C0，所述主开关管Q1的栅极连接第一驱动电路，所述第一驱动电路用于提供触发信号以开通所述主开关管Q1，所述主开关管Q2的栅极连接第二驱动电路，所述第二驱动电路用于提供触发信号以开通所述主开关管Q2，其特征在于，还包括输出电容C1、输出电容C2和谐振电路，所述输出电容C1的两端并联连接在所述主开关管Q1的源极和漏极，所述输出电容C2的两端并联连接在所述主开关管Q2的源极和漏极；

所述谐振电路包括谐振电感Lr和开关电路，所述谐振电感Lr的一端同时与所述功率电感L的一端、所述主开关管Q1的源极和所述主开关管Q2的漏极连接，所述谐振电感Lr的另一端与所述开关电路连接，所述开关电路远离其连接所述谐振电感Lr的一侧并联连接在所述输出电容C0的两端；

该控制方法包括对主开关管Q2的控制方法和对主开关管Q1的控制方法；

所述对主开关管Q2的控制方法为：

在交流电压源V_in的正半周期且在主开关管Q2开通前，功率电感L将通过主开关管Q1的寄生体二极管续流，此时接通开关电路，使得流过谐振电感Lr的谐振电流增加，主开关管Q1的寄生体二极管的续流电流减小，当功率电感L的电流与谐振电感Lr的谐振电流相等时，主开关管Q1的寄生体二极管的续流电流为零；

当谐振电感Lr的谐振电流继续增大到大于功率电感L的电流时，与主开关管Q2的漏极和源极并联连接的输出电容C2放电，使得主开关管Q2的漏极和源极之间的电压Vds2降低，同时与主开关管Q1的源极和漏极并联连接的输出电容C1充电；

当输出电容C2放电使得主开关管Q2的漏极和源极之间的电压Vds2降为零时，断开开关电路，第二驱动电路提供触发信号开通主开关管Q2，此时主开关管Q2实现零电压开通且主开关管Q1的寄生体二极管实现零电流关断；

所述对主开关管Q1的控制方法为：

在交流电压源V_in的负半周期且在主开关管Q1开通前，功率电感L将通过主开关管Q2的寄生体二极管续流，此时接通开关电路，使得流过谐振电感Lr的谐振电流增加，主开关管Q2的寄生体二极管的续流电流减小，当功率电感L的电流与谐振电感Lr的谐振电流相等时，主开关管Q2的寄生体二极管的续流电流为零，随着谐振电感Lr的谐振电流继续增大到大于功率电感L的电流时，与主开关管Q1的漏极和源极并联连接的输出电容C1放电，使得主开关管Q1的漏极和源极之间的电压Vds1降低，同时与主开关管Q2的源极和漏极并联连接的输出电容C2充电；

当输出电容C1放电使得主开关管Q1的漏极和源极之间的电压Vds1降为零时，断开开关电路，第一驱动电路提供触发信号开通主开关管Q1，此时主开关管Q1实现零电压开通且主开关管Q2的寄生体二极管实现零电流关断。

2.根据权利要求1所述的无桥PFC变换器的控制方法，其特征在于，所述开关电路包括开关管Q3、开关管Q4和开关管Q5，所述谐振电感Lr远离其连接所述功率电感L的一端与所述开关管Q5的漏极连接，所述开关管Q5的源极同时与所述开关管Q3的源极和所述开关管Q4的漏极连接，所述开关管Q3的漏极同时与所述主开关管Q1的漏极和所述输出电容C0的一端连接，所述开关管Q4的源极同时与所述主开关管Q2的源极和所述输出电容C0的另一端连接；

所述开关管Q3的栅极连接第三驱动电路，所述第三驱动电路用于提供触发信号以开通所述开关管Q3，所述开关管Q4的栅极连接第四驱动电路，所述第四驱动电路用于提供触发信号以开通所述开关管Q4，所述开关管Q5的栅极连接第五驱动电路，所述第五驱动电路用于提供触发信号以开通所述开关管Q5。

3.根据权利要求2所述的无桥PFC变换器的控制方法，其特征在于，所述开关电路还包括开关管Q6，所述开关管Q6的源极与所述开关管Q5的源极连接，所述开关管Q6的漏极同时与所述开关管Q3的源极和所述开关管Q4的漏极连接，所述开关管Q6的栅极连接第六驱动电路，所述第六驱动电路用于提供触发信号以开通所述开关管Q6。

4.根据权利要求1所述的无桥PFC变换器的控制方法，其特征在于，所述开关电路包括开关管Q3、开关管Q4和开关管Q5，所述谐振电感Lr远离其连接所述功率电感L的一端与所述开关管Q5的漏极连接，所述开关管Q5的源极同时与所述开关管Q3的源极和所述开关管Q4的漏极连接，所述开关管Q3的漏极同时与所述主开关管Q1的漏极和所述输出电容C0的一端连接，所述开关管Q4的源极同时与所述主开关管Q2的源极和所述输出电容C0的另一端连接；

所述开关管Q3的栅极连接第三驱动电路，所述第三驱动电路用于提供触发信号以开通所述开关管Q3，所述开关管Q4的栅极连接第四驱动电路，所述第四驱动电路用于提供触发信号以开通所述开关管Q4，所述开关管Q5的栅极连接第五驱动电路，所述第五驱动电路用于提供触发信号以开通所述开关管Q5；

所述开关电路还包括开关管Q6，所述开关管Q6的源极与所述开关管Q5的源极连接，所述开关管Q6的漏极同时与所述开关管Q3的源极和所述开关管Q4的漏极连接，所述开关管Q6的栅极连接第六驱动电路，所述第六驱动电路用于提供触发信号以开通所述开关管Q6；

所述对主开关管Q2的控制方法中：

在交流电压源V_in的正半周期且在主开关管Q2开通前，功率电感L将通过主开关管Q1的寄生体二极管续流，第四驱动电路、第五驱动电路和第六驱动电路分别提供触发信号开通开关管Q4、开关管Q5和开关管Q6，谐振电感Lr、开关管Q5、开关管Q6、开关管Q4、主开关管Q1的寄生体二极管和输出电容C0形成电流回路，谐振电感Lr两端电压等于输出电容C0两端的电压，谐振电感Lr的谐振电流线性增加，主开关管Q1的寄生体二极管的续流电流线性减小，当功率电感L的电流与谐振电感Lr的谐振电流相等时，主开关管Q1的寄生体二极管的续流电流为零，实现主开关管Q1的寄生体二极管的零电流关断；

当谐振电感Lr的谐振电流继续增大到大于功率电感L的电流时，与主开关管Q2的漏极和源极并联连接的输出电容C2放电使得主开关管Q2的漏极和源极之间的电压Vds2降低，同时输出电容C2还与谐振电感Lr发生串联谐振使得谐振电感Lr两端的电压不断下降，与主开关管Q1的源极和漏极并联连接的输出电容C1充电；

当输出电容C2放电使得主开关管Q2的漏极和源极之间的电压Vds2降为零时，谐振电感Lr的谐振电流最大，此时断开开关管Q4和开关管Q6，保持开关管Q5导通，第二驱动电路提供触发信号开通主开关管Q2，此时主开关管Q2实现零电压开通且主开关管Q1的寄生体二极管实现零电流关断，同时谐振电感Lr中的能量通过开关管Q5、开关管Q3和开关管Q6的寄生体二极管输出，谐振电感Lr两端电压为反向的输出电容C0的电压，谐振电感Lr的谐振电流线性下降，当谐振电感Lr的谐振电流为零时关闭开关管Q5。

5.根据权利要求4所述的无桥PFC变换器的控制方法，其特征在于，所述对主开关管Q1的控制方法中：

在交流电压源V_in的负半周期且在主开关管Q1开通前，功率电感L将通过主开关管Q2的寄生体二极管续流，第三驱动电路、第五驱动电路和第六驱动电路分别提供触发信号开通开关管Q3、开关管Q5和开关管Q6，谐振电感Lr、开关管Q3、开关管Q5、开关管Q6、主开关管Q2的寄生体二极管和输出电容C0形成电流回路，谐振电感Lr两端电压等于输出电容C0两端的电压，谐振电感Lr的谐振电流线性增加，主开关管Q2的寄生体二极管的续流电流线性减小，当功率电感L的电流与谐振电感Lr的谐振电流相等时，主开关管Q2的寄生体二极管的续流电流为零，实现主开关管Q2的寄生体二极管的零电流关断；

当谐振电感Lr的谐振电流继续增大到大于功率电感L的电流时，与主开关管Q1的漏极和源极并联连接的输出电容C1放电使得主开关管Q1的漏极和源极之间的电压Vds1降低，同时输出电容C1还与谐振电感Lr发生串联谐振使得谐振电感Lr两端的电压不断下降，与主开关管Q2的源极和漏极并联连接的输出电容C2充电；

当输出电容C1放电使得主开关管Q1的漏极和源极之间的电压Vds1降为零时，谐振电感Lr的谐振电流最大，此时断开开关管Q3和开关管Q5，保持开关管Q6导通，第一驱动电路提供触发信号开通主开关管Q1，此时主开关管Q1实现零电压开通且主开关管Q2的寄生体二极管实现零电流关断，同时谐振电感Lr中的能量通过开关管Q6、开关管Q4和开关管Q5的寄生体二极管输出，谐振电感Lr两端电压为反向的输出电容C0的电压，谐振电感Lr的谐振电流线性下降，当谐振电感Lr的谐振电流为零时关闭开关管Q6。

6.根据权利要求4所述的无桥PFC变换器的控制方法，其特征在于，所述对主开关管Q2的控制方法中：当谐振电感Lr的谐振电流为零后再延时设定的时间后关闭开关管Q5。

7.根据权利要求5所述的无桥PFC变换器的控制方法，其特征在于，所述对主开关管Q1的控制方法中：当谐振电感Lr的谐振电流为零后再延时设定的时间后关闭开关管Q6。

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