1 引言
随着现代电力电子技术的发展以及节能环保意识的提高。电力电子装置输入端常采用传统的不控整流电路，使输入电流脉冲化，由此引起电网谐波污染，严重影响了电网的运行。一系列谐波标准的出台催生了有源功率因数校正技术，并得到迅速发展。文献[1]提出CRM模式APFC在中小功率应用场合具有一定的优势。有源功率因数校正装置一般工作于宽输入电压范围，而由于CRM模式存在APFC的电感电流是输入电流2倍的特性，在低输入电压时引起很大的导通损耗和关断损耗。[2,3]
降低损耗，提高效率是开关电源优于线性电源的主要特点。降低关断损耗，软开关是一种不错的选择，目前主要有：有源软开关技术和无源软开关技术两种。由于无源软开关技术不需要辅助开关管及其控制电路，因此具有可靠性高以及高性价比等特点。限频CRM模式APFC中无源无损软开关通过降低du/dt来获得零电压关断，并对减小EMI也有所帮助，但无法消除开关管容性开通损耗。[4,5]
2 无源无损软开关的理论分析
2.1 无源无损软开关拓扑选用
限频CRM模式APFC的功率Mosfet零电流开通，不存在功率二极管反向恢复及开关管开通损耗。因此，不需要在Mosfet、二极管和Boost电感组成的割集插入小的谐振电感。对于关断损耗，只需采用零电压关断电路，最简单的方式就是在Mosfet的D-S端外并谐振电容Cr以降低du/dt。此外，还需另加一些无源元件，实现导通时Cr上能量的回馈。图1为采用的无源无损软开关电路拓扑。[4]
2.2 无源无损软开关过程分析
为分析方便，以开关管导通过程行将结束时作为软开关初始状态 （如图2所示，粗线表示实际工作电路，下同）进行分析。[6,7]
阶段1(t0-t1)阶段1(t0-t1)软关断：电感电流iL通过Dsl把谐振电容Cr两端电压从0充到μCr(t1)+μCs(0-)=Uo的过程（图3所示）。
初态：，UCr(0-)=0，iLr(0-)=0，，其中ω为电网频率，Uin-rms为电网电压有效值，Po=300W为输出功率，η=0.9为预测变换效率，t'为与工频电网周期相关的时间，只决定阶段1时iL的初始状态，与开关周期t无关。
图3(b)为阶段1等效电路，软开关工作过程如下：
(1)
(2)
其中，，。
终态：令，则
t1=[arc--θ]/ω01
μCr(t1)=Uo-μCs(t0-)
记iCr(t1)=iCr-t1。
阶段2(t1-t2)：电感电流同时对Cr、Cs充电，把两者分别充电到Uo和0的阶段。初态为上一阶段的终态。
图4(b)所示为阶段2等效电路，软开关工作过程如下：
(3)
(4)
(5)
(6)
其中，
，
。
终态：t2-t1=/ω02，
μCs(t2-)=0，μCr(t2-)=Uo，iL(t2-)=0。
阶段3(t2-t3)：正常关断状态，软开关脱离主电路，软开关各元件维持原状态。
阶段4(t3-t4)谐振电容Cr恢复：Cr上的能量通过Ds2，Cs，开关管T与电感Lr谐振，到Cr电压为0结束。初态为阶段2终态。
图6(b)所示为阶段4等效电路，软开关工作过程如下：
(7)
(8)
(9)
其中，，
终态：
(10)
，
阶段5(t4-t5)电感Lr恢复：Lr上的能量通过Ds2、Ds1与Cs谐振，到Lr电流为0结束。初态为上一阶段终态。
图7(b)所示为阶段5等效电路，软开关工作过程如下：
(11)
(12)
其中，，
终态：
(13)
阶段6(t5-t6)：正常导通阶段，软开关电路完全脱离主电路，谐振电路各元件维持原状态。
当电感电流过小时，上述阶段1与2会进入非正常状态。在正常工作状态下，上述软开关各工作阶段之间主要电压电流波形可以用图8表示。[page]
2.3 软开关主要参数选择
(1)电容Cr、Cs选择
谐振电容Cr的选择是一个折中的过程，对于损耗而言，电容越大，du/dt值越小，此时电压电流的交叠就越小，损耗也就越小。但由于限频CRM模式APFC变换器输入电流为正弦波很好地跟踪输入电压，为正弦波。功率Mosfet关断瞬间Boost电感电流也为正弦，且为输入电流瞬时值的两倍。因此，软开关的时间t0-t2是不同的，在电流过零处附近，电流值较小，需要的时间相比于峰值处长得多，甚至远远超过此时开关管关断时间toff(t')，引起软开关的失效，谐振电容Cr越大，失效越严重；同时还会延长关断时间，改变调制的占空比，最后影响到变换器的PF和THD。
根据300W负载、85Vrms输入的电感峰值电流值，参考Mosfet的关断时间toff=td+tf，（IRFP460为50ns+65ns），综合考虑，这里选用了Cr=1.0nF，相应地选择Cs=10Cr=10nF，两者均采用630V的CBB电容
(2)电感Lr选择
对于采用的软开关电路，另一重要参数就是电感Lr。前面分析，Cr在开通过程通过与Lr谐振实现状态恢复，使软开关具有可重复性。
式(8)、式(10)以及式(13)可知，Lr决定了谐振电流峰值以及谐振周期。一般取谐振电流小于开关管的电流耐量；谐振周期为导通时间的1/10左右。综合上述因素，最后选择了Lr=5.1uH。采用加气隙的铁氧体绕制。
(3)二极管选择
根据式(8)，代入选择的电容Cr、Cs以及电感Lr值，可知谐振电流峰值为5.6A。因此最终选用了MUR860（IF=8.0A；VF=1.00V，150℃；VF=1.30V，20℃）。
3 实验结果
图9所示为软开关电路工作时Vg与VDS的对照图，与图8所示的阶段1和2的波形相似，证实软开关处于工作状态。
通过实验，获得如10所示的效率曲线。可以看出，无源无损软开关对低输入电压，尤其是85Vrms时效率有约0.5个百分点的提高，但在高输入电压（220Vrms以上）的效率反而有所降低，而在中间区段相差不大。如果在输入电压全域都要求具有较高的效率，采用的软开关值得考虑。
前一节的分析可知，软开关使输入电压过零处的占空比发生变化，也影响到了变换器的PF，实验获得如图11、图12所示的PF和THD比较曲线。
可以看出：在低输入电压段，无源无损软开关对PF和THD影响几乎可以忽略；但在中间段(150Vrms～230Vrms)THD增大，而在高输入电压段则有所改善。由于软关断减缓了Boost电感电流的下降速率，增加了关断时间，减小将限未限处开关周期平均值，电流越小这种作用越明显；而对于开关频率被限处，通过增加导通时间，增加了这时的电流平均值，对由限频引起的电流畸变是一种补偿。因此软开关对PF的影响是上述两种作用的结果，高输入电压情况下后一种作用占优。
图13、图14所示分别为有无软开关限频CRM模式APFC的差模、共模EMI。可以看出，软开关只在低频段对EMI有所抑制，但总体影响不大。
4 结语
本文通过对无源无损软开关拓扑的选择以及电路工作状态的分析以及主要元器件参数选择，给出了实验的效率、PF、THD以及实验的传导EMI，并作了一些理论的解释。软开关对低输入电压下的效率有所改善，但在高输入电压时反而有所降低，且对EMI没有十分明显的改善。
参考文献
[1] 郦强．控制策略和功率器件对有源功率因数校正器功率性能的研究[D]．杭州：浙江大学，2006．
[2] 董晓伟．单相单级PFC变换器拓扑及控制方法的研究[D]．西安：交通大学，2004．
[3] 张卫平等．绿色电源——现代电能变换技术及其应用：第一版[M]．北京：科学出版社，2001．
[4] K．Mark Smith，Jr．Keyue Ma Smedley．Properties and Synthesis of Passive Lossless Soft-Switching PWM Converters．IEEE Transactions on Power Electronics，Vol．14，No．5，Sept．1999：890—899．
