高性能軟開關功率因數校正電路的設計

摘要：介紹了功率因數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。

關鍵詞：功率因數校正；電磁干擾；升壓變換；軟開關

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更高效、更優(yōu)質的綠色電源，以減小電能消耗，減輕電網負擔。這就必須對電源產品如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％，整流器產品國家行業(yè)標準規(guī)定輸入功率因數>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，工藝復雜，調試過程很長，所以，一直未在大批量產品中運用。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，i_d為二極管電流波形，v_d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Q_rr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t_a～t_c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V_o時，已有負反向恢復電流流過開關管S，在t_c～t_b的時間內二極管D的di/dt>0，則二極管D正端處會產生瞬間負電壓值，電路上會出現(xiàn)大的EMI，由于分布參數的存在，在開關過程中所產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，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

??? 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S關斷瞬間V_C1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，i_L1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，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。現(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為開關調制頻率(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為磁芯有效磁導率；

????? N為線圈匝數；

????? 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

??? 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（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R_DS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。