高性能軟開關(guān)功率因數(shù)校正電路的設(shè)計

摘要：介紹了功率因數(shù)校正控制電路和功率主變換電路的原理及如何選擇元器件及其參數(shù)。

關(guān)鍵詞：功率因數(shù)校正；電磁干擾；升壓變換；軟開關(guān)

0    引言

    隨著計算機等一些通信設(shè)備的日益普及，用戶對電源的需求也在不斷增長，要求電源廠商能生產(chǎn)更高效、更優(yōu)質(zhì)的綠色電源，以減小電能消耗，減輕電網(wǎng)負擔(dān)。這就必須對電源產(chǎn)品如UPS，高頻開關(guān)整流電源等的輸入電路進行有源功率因數(shù)校正，以最大限度減少諧波電流。實際測量計算機等整流性負載的PF=0.7時，輸入電流的總諧波失真度近80％，即無功電流是有功電流的80％。不間斷電源國標（GB7286—87）規(guī)定，輸入總相對諧波含量≤10％，整流器產(chǎn)品國家行業(yè)標準規(guī)定輸入功率因數(shù)>0.9，所以，如何設(shè)計優(yōu)秀的PFC電路是很關(guān)鍵的技術(shù)，正確的PFC電路設(shè)計技術(shù)主要由以下幾個部分組成：控制電路，功率主電路，元器件選擇及其參數(shù)設(shè)計。

1    控制電路

    上世紀90年代初，由于PFC的控制芯片還未上市，我們在相關(guān)理論的指導(dǎo)下，于1992年在國內(nèi)率先開發(fā)出由分立元器件組成的控制電路，原理如圖1中虛線框內(nèi)所示。

圖1    PFC控制電路

    在實驗室和小批量做出的48V/50A整流器產(chǎn)品中，前級PFC電路的PF為0.98左右，η=93％(AC/DC，V_DC=395V，P_o=2000W)。以上控制電路原理和UC公司的PFC控制原理(1994年底推出的UC3854)是一致的，但由于電路是由分立元器件組成，抗干擾能力差，工藝復(fù)雜，調(diào)試過程很長，所以，一直未在大批量產(chǎn)品中運用。隨著UC公司控制IC如UC3854，UC3854A，UC3855的推出，由分立元器件組成的控制電路便被專用控制IC所取代。

2    PFC功率主電路

    功率主電路的選用關(guān)系到整個PFC電路的變換效率以及EMI的大小，是電路設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)。早期主電路如圖2所示。

圖2    PFC功率主電路

    這是個典型的Boost電路，原理簡單，但是個硬開關(guān)電路，由于未考慮開關(guān)器件的實際特性，高壓整流二極管的反向恢復(fù)特性，主開關(guān)功率管的開關(guān)損耗特性，導(dǎo)致開關(guān)器件的dv/dt及di/dt很高，相應(yīng)對器件應(yīng)力要求加大。二極管特性如圖3所示，i_d為二極管電流波形，v_d為二極管電壓波形，在開關(guān)管S導(dǎo)通時，二極管D的反向恢復(fù)電荷Q_rr所形成的反向恢復(fù)電流幾乎全部損耗在主開關(guān)管上，增大了開關(guān)管的開關(guān)損耗，在t_a～t_c的時間內(nèi)，二極管D還是正壓降，也即開關(guān)管S的漏極電壓為V_o時，已有負反向恢復(fù)電流流過開關(guān)管S，在t_c～t_b的時間內(nèi)二極管D的di/dt>0，則二極管D正端處會產(chǎn)生瞬間負電壓值，電路上會出現(xiàn)大的EMI，由于分布參數(shù)的存在，在開關(guān)過程中所產(chǎn)生的傳導(dǎo)和輻射干擾會嚴重影響整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖3    二極管的恢復(fù)特性

    為了克服上述的不足，便有了改進的PFC電路，如圖4所示。增加了主開關(guān)二極管的附加電路，其原理則是充分利用了L₁的線性區(qū)和非線性區(qū)，在主開關(guān)管導(dǎo)通時把整流二極管的反向恢復(fù)能量存儲到電感L₁中，不增加主開關(guān)管的開通損耗，在主開關(guān)管關(guān)斷時把電感L₁存儲能量以熱能的形式消耗在電阻上。由于飽和電感L₁的存在，dv/dt及di/dt減少約近1個數(shù)量級，主開關(guān)器件開關(guān)應(yīng)力銳減，EMI大大減少了。這種電路的PF為0.99左右(AC/DC，V_DC=395V，P_o=2500W)，效率η=94％左右。

圖4    改進的PFC電路

    為了進一步提高效率，把二極管的存儲電荷形成的儲能和電阻R上消耗的能量充分利用便開發(fā)出如圖5所示電路。

圖5    具有無源無損緩沖PFC電路  [!--empirenews.page--]

    這是一種無源的無損緩沖結(jié)構(gòu)電路，其原理是：在S導(dǎo)通時,以L₁作為二極管的緩沖電感，把二極管反向恢復(fù)的能量存儲到小電感L₁中，同時C₁放電，C₂充電，把C₁儲能轉(zhuǎn)移入C₂；在S關(guān)斷時L₁的儲能向C₁充電并通過二極管D₁，D₂，D₃把儲能轉(zhuǎn)移到C中，這時C₂也向C放電，通過調(diào)節(jié)L₁，C₁，C₂的參數(shù)并協(xié)調(diào)S的開關(guān)頻率，由于電容（由主開關(guān)管的漏—源極分布電容C_DS或集電極—發(fā)射極分布電容C_CE和C₁組成）上的電壓不能突變，當(dāng)S關(guān)斷瞬間V_C1約等于零，S可實現(xiàn)零電壓關(guān)斷。由于電感（由L₁和線路雜感組成）上的電流不能突變，當(dāng)S導(dǎo)通時瞬間，i_L1約等于零，S可實現(xiàn)零電流導(dǎo)通。

    此電路的PF為0.99左右，(AC/DC，V_DC=395V，P_o=2500W)，效率η=96％～97％，輸入端幾乎沒有EMI，指標完全能達到并優(yōu)于VDE A級標準。這種無源軟開關(guān)升壓電路性能優(yōu)異，可靠性優(yōu)于UC3855組成的有源軟開關(guān)PFC電路，是智能高頻化UPS和高頻開關(guān)整流電源理想的輸入級電路，具有很高的應(yīng)用價值。

3    主要元器件的選擇

3.1    Boost電感磁性材料的選擇

    早期，Boost電感磁性材料一般為鐵氧體磁芯，如EE或EI等，通過加氣隙δ來調(diào)節(jié)μ值，從而調(diào)節(jié)電感量,這種方法的成本相對較低，但L值的溫度特性相對略差，而且氣隙的漏磁會增加電磁干擾?，F(xiàn)在，一般采用金屬磁粉芯，如鐵粉芯、鐵鎳粉芯、鉬坡莫合金、鐵硅鋁合金、非晶合金等磁環(huán)。各種材料有各自的優(yōu)缺點，如鐵粉芯成本低而Q值、μ值的各種特性，如溫度、線性等相對較差，鐵鎳粉芯次之，鐵硅鋁合金、鉬坡莫合金相對較好但價格貴些，所以，PFC電感磁性材料采用鐵硅鋁合金磁環(huán)較好。

3.2    電感L值的計算

    功率因數(shù)校正的前提條件是使輸入電感中電流保持連續(xù)狀態(tài)，即紋波電流ΔI要小于最小輸入交流電流峰值的兩倍。則取電感L≥臨界電感L_min。而L_min（mH）為

    L_min=（1）

        ΔI=（2）

式中：V_min(p)為最小輸入正弦波電壓的峰值（V）；

      V_o為輸出直流電壓（V）；

      f為開關(guān)調(diào)制頻率(Hz)；

      P_o為輸出直流功率(W)；

      V_min為最小輸入正弦波電壓的有效值。

    磁性元件磁環(huán)（材質(zhì)為鐵粉或鐵硅鋁合金）的選擇通過式（3）計算。

    L=4μN²(S/D)×10^－6（3）

式中：L為電感量（mH）；

            μ為磁芯有效磁導(dǎo)率；

      N為線圈匝數(shù)；

      S為磁芯導(dǎo)磁截面積（cm²）；

      D為磁芯平均磁環(huán)直徑（cm）。

3.3    電容的選擇

    電容一般要采用低損耗，高紋波電流型的電解電容，容值C為

    C=

式中：ω_o為市電角頻率；

            ΔV_o為允許輸出直流紋波電壓（V）。

3.4    二極管的選擇

    選t_rr小，正向壓降小且軟恢復(fù)（軟度好）特性好的二極管。

3.5    開關(guān)器件的選擇

    選MOS或IGBT。由于IGBT關(guān)斷存在一點拖尾現(xiàn)象，則當(dāng)開關(guān)頻率>20kHz時，要選MOS。對MOS主要關(guān)心的是導(dǎo)通損耗，應(yīng)選導(dǎo)通電阻R_DS小的；對IGBT主要關(guān)心的是開關(guān)損耗，應(yīng)選開關(guān)特性好的IGBT。當(dāng)然，最理想的是把IGBT與MOS根據(jù)各自的頻率特性直接并聯(lián)而控制信號按各自的特性做相應(yīng)時序調(diào)整。

4    結(jié)語

    本文通過實踐總結(jié)，設(shè)計出一種優(yōu)異的軟開關(guān)PFC電路，并采用UC3854芯片實現(xiàn)技術(shù)產(chǎn)品化。這種PFC電路是智能高頻化UPS和高頻開關(guān)整流電源輸入級電路的理想解決方案。同時把元器件的特性做了仔細的分析，優(yōu)化。