高性能軟開關PFC電路的設計步驟

0 引言

隨著計算機等一些通信設備的日益普及，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)質的綠色電源，以減小電能消耗，減輕電網(wǎng)負擔。這就必須對電源產(chǎn)品如UPS，高頻開關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，如何設計優(yōu)秀的PFC電路是很關鍵的技術，正確的PFC電路設計技術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，我們在相關理論的指導下，于1992年在國內率先開發(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，VDC=395V，Po=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，工藝復雜，調試過程很長，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系到整個PFC電路的變換效率以及EMI的大小，是電路設計的關鍵技術。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，但是個硬開關電路，由于未考慮開關器件的實際特性，高壓整流二極管的反向恢復特性，主開關功率管的開關損耗特性，導致開關器件的dv/dt及di/dt很高，相應對器件應力要求加大。二極管特性如圖3所示，id為二極管電流波形，vd為二極管電壓波形，在開關管S導通時，二極管D的反向恢復電荷Qrr所形成的反向恢復電流幾乎全部損耗在主開關管上，增大了開關管的開關損耗，在ta～tc的時間內，二極管D還是正壓降，也即開關管S的漏極電壓為Vo時，已有負反向恢復電流流過開關管S，在tc～tb的時間內二極管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，在開關過程中所產(chǎn)生的傳導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)，在主開關管導通時把整流二極管的反向恢復能量存儲到電感L1中，不增加主開關管的開通損耗，在主開關管關斷時把電感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，主開關器件開關應力銳減，EMI大大減少了。這種電路的PF為0.99左右(AC/DC，VDC=395V，Po=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

這是一種無源的無損緩沖結構電路，其原理是：在S導通時,以L1作為二極管的緩沖電感，把二極管反向恢復的能量存儲到小電感L1中，同時C1放電，C2充電，把C1儲能轉移入C2；在S關斷時L1的儲能向C1充電并通過二極管D1，D2，D3把儲能轉移到C中，這時C2也向C放電，通過調節(jié)L1，C1，C2的參數(shù)并協(xié)調S的開關頻率，由于電容（由主開關管的漏—源極分布電容CDS或集電極—發(fā)射極分布電容CCE和C1組成）上的電壓不能突變，當S關斷瞬間VC1約等于零，S可實現(xiàn)零電壓關斷。由于電感（由L1和線路雜感組成）上的電流不能突變，當S導通時瞬間，iL1約等于零，S可實現(xiàn)零電流導通。

此電路的PF為0.99左右，(AC/DC，VDC=395V，Po=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。這種無源軟開關升壓電路性能優(yōu)異，可靠性優(yōu)于UC3855組成的有源軟開關PFC電路，是智能高頻化UPS和高頻開關整流電源理想的輸入級電路，具有很高的應用價值。

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來調節(jié)μ值，從而調節(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Lmin。而Lmin（mH）為

式中：Vmin(p)為最小輸入正弦波電壓的峰值（V）；

Vo為輸出直流電壓（V）；

f為開關調制頻率(Hz)；

Po為輸出直流功率(W)；

Vmin為最小輸入正弦波電壓的有效值。

磁性元件磁環(huán)（材質為鐵粉或鐵硅鋁合金）的選擇通過式（3）計算。

式中：L為電感量（mH）；

μ為磁芯有效磁導率；

N為線圈匝數(shù)；

S為磁芯導磁截面積（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

式中：ωo為市電角頻率；

ΔVo為允許輸出直流紋波電壓（V）。

3.4 二極管的選擇

選trr小，正向壓降小且軟恢復（軟度好）特性好的二極管。

3.5 開關器件的選擇

選MOS或IGBT。由于IGBT關斷存在一點拖尾現(xiàn)象，則當開關頻率>20kHz時，要選MOS。對MOS主要關心的是導通損耗，應選導通電阻RDS小的；對IGBT主要關心的是開關損耗，應選開關特性好的IGBT。當然，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時序調整。

4 結語

本文通過實踐總結，設計出一種優(yōu)異的軟開關PFC電路，并采用UC3854芯片實現(xiàn)技術產(chǎn)品化。這種PFC電路是智能高頻化UPS和高頻開關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。