無源無損軟開關功率因數(shù)校正電路的研制

摘要：采用無源無損軟開關功率因數(shù)校正電路技術及UC3854BN控制器件，完成了一臺1 kW樣機的設計。實驗結果驗證了設計的正確性和可行性，各項性能指標均達到設計要求。
關鍵詞：軟開關；功率因數(shù)校正(PFC)；變換器；控制

1 引言
    在開關電源中引入功率因數(shù)校正PFC(Power FactorCorrection)技術，一方面使電源輸入電流與輸入電壓波形同相，即使功率因數(shù)趨于1；另一方面使輸入電流為正弦波，即使總諧波畸變值盡量小。目前工程應用中，傳統(tǒng)有源功率因數(shù)校正電路主要有硬開關Boost校正、有源軟開關校正、無源無損軟開關校正以及新型無橋模式校正。其中，無源無損軟開關功率因數(shù)校正電路所用元器件數(shù)量少，電路結構簡單，電路工作穩(wěn)定性好，開關管的電流應力小，效率較高，控制電路簡單，成本較低。所以本設計采用無源無損軟開關功率因數(shù)校正電路，圖1為其電路原理圖。

2 基于無源無損軟開關PFC功率級電路設計
    功率級電路采用無源無損軟開關功率因數(shù)校正電路，工作頻率設定為60 kHz。設計的主要技術指標：輸入170～270 V的交流電壓、50 Hz；輸出400 V的直流電壓，電壓紋波小于10 V：輸出功率1 kW；功率因數(shù)不小于0．98；效率不低于95％。
2．1 主電路升壓電感的設計
    在PFC電路中，磁性元件對電路性能的影響較大，而其設計涉及很多因素。下面主要介紹主電路升壓電感的設計。
    目前適合在高頻條件下工作的APFC電感的磁心材料且價格適中的是鐵硅鋁磁粉心，其優(yōu)點是：飽和磁通密度極高，在強磁場條件下，即工作在大電流時，磁心不易飽和；制作APFC電感，不用開氣隙，不會對電路產(chǎn)生電磁干擾(EMI)；由于其直流偏磁動態(tài)線性好，通過計算可精確控制在額定電流時的電感值，恰當?shù)倪x擇磁心尺寸和線圈匝數(shù)，可降低磁芯損耗。根據(jù)樣機設計的技術指標，選用鐵硅鋁磁心。磁心的規(guī)格主要由功率、工作頻率、輸出電壓電流等參數(shù)決定。要確定磁心的規(guī)格，先要計算電感量等參數(shù)。有多種方法可計算PFC電路的Boost升壓電感，這里采用兩種方法綜合分析確定電感量的值，常用方法和按紋波比例要求計算電感，最后計算出電感量為1．5 mH。采用AP法確定磁心的規(guī)格，電感器可儲能量：

式中，BW為工作磁感應強度，取BW=0.4 T；K0為窗口面積使用系數(shù)，一般取O．4；J為電流密度，取500 A/cm2。
    代入以上數(shù)據(jù)計算得：AP=12．75 cm4，選用Arnold公司型號為MS-184060-2的兩個磁環(huán)疊用。此時,AP=17 cm4>12．75 cm4。電感線徑計算如下：
    計算裸線面積：

   
    考慮繞線的難易，選線徑為1．0 mm的導線3股并繞。每根截面積為0．007 9 cm2，則3股截面積為0．024 cm2，大于所需面積0．023 cm2。
    電感匝數(shù)計算：

   
式中，L0為靜態(tài)電感量，1．5 mH；μ為磁心的磁導率,μ=60；N為匝數(shù)，計算得N=77,Ae為磁心截面積，3．98 cm2；le為磁心磁路
長度，10．74 cm。
    通過對電感量、鐵損和銅損的校驗，各電感參數(shù)均滿足設計要求。
2．2 主電路其他部件的設計
    選擇功率開關管要考慮功率器件的開關速度和驅動電路的簡潔及性價比。根據(jù)其電流、電壓應力的大小選擇型號。在該電路中，主功率開關管所承受的電壓應力為輸出電壓400V，電流應力為諧振電感電流峰值11．55 A，取1倍裕量，因此選擇500 V／30 A的MOSFET即可滿足要求。該設計功率開關管選用SPW47N60C3。輸出二極管主要從開關速度、電壓應力、電流應力等參數(shù)來選取。該設計選用IXYS的DSEI60-06(600 V／60 A)?？紤]到電流電壓裕量，輸入整流橋選D35XB60(35A／600 V)。

3 PFC控制級電路設計
    以PFC專用控制器件UC3854BN為控制核心，PFC控制及電路如圖2所示。

3．1 PWM頻率設定
    在該電路中，設定振蕩器的工作頻率為60 kHz。該頻率由電容CT和電阻RSET(R36)決定，已有RSET=16 kΩ，CT可取300 pF／63 V(C57)與1 000 pF／63 V(C42)并聯(lián)，此時工作頻率略高于60 kHz。
3．2 電流誤差放大器和電壓誤差放大器設計
    為使平均電流控制型電路穩(wěn)定工作，必須使PWM比較器的兩個輸入信號的斜率滿足：電感電流在取樣電阻所產(chǎn)生壓降的斜率不能超過鋸齒波的上升斜率，否則PWM比較器將不能正常工作，此要求限定了電流放大器在開關頻率處增益的上限。對于電壓誤差放大器，其設計應確定輸出電容上的紋波電壓，要合理分配諧波源的比例。
3．3 驅動電路設計
    根據(jù)實際驅動電路的設計值，開關管工作在60 kHz時，其所需要的驅動脈沖上升時間約為110 ns，所選MOSFET輸入電容Ciss=6 800 pF。由于UC3854BN柵極連續(xù)驅動電流為0．5 A，在50％占空比時柵極驅動電流為1．5 A，因此在大功率的PFC應用中，UC3854BN自身的驅動能力不足，開關管導通時di／dt比較小，增大了開關管的導通損耗，故在開關管前增加一片功率MOSFET驅動器TC4424。考慮驅動電流較大，采用TC4424的兩個通道并聯(lián)，可提供3 A的驅動能力，如圖3所示。

    此外，系統(tǒng)的保護電路包括輸入過壓、欠壓保護，輸出過壓、欠壓保護、過流和短路保護、過熱保護、啟動保護等。

4 結論
    綜上所述，完成一臺1 kW樣機。圖4為輸入電壓、電流波形。負載為全載時，加載、減載時輸出電壓變化曲線分別如圖5、圖6所示。

    測試結果表明，該功率因數(shù)校正裝置輸入功率因數(shù)達98％，效率達97％，各項設計指標都得到了較好的實現(xiàn)。