高性能軟開關(guān)PFC電路的設(shè)計(jì)步驟

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)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(fù)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(jìn)行有源功率因數(shù)校正，以最大限度減少諧波電流。實(shí)際測量計(jì)算機(jī)等整流性負(fù)載的PF=0.7時(shí)，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(biāo)（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(biāo)準(zhǔn)規(guī)定輸入功率因數(shù)>0.9，所以，如何設(shè)計(jì)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(jì)技術(shù)主要由以下幾個(gè)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(jì)。

1 控制電路

上世紀(jì)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(shí)驗(yàn)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(fù)雜，調(diào)試過程很長，所以，一直未在大批量產(chǎn)品中運(yùn)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(gè)PFC電路的變換效率以及EMI的大小，是電路設(shè)計(jì)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(gè)典型的Boost電路，原理簡單，但是個(gè)硬開關(guān)電路，由于未考慮開關(guān)器件的實(shí)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，id為二極管電流波形，vd為二極管電壓波形，在開關(guān)管S導(dǎo)通時(shí)，二極管D的反向恢復(fù)電荷Qrr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ta～tc的時(shí)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Vo時(shí)，已有負(fù)反向恢復(fù)電流流過開關(guān)管S，在tc～tb的時(shí)間內(nèi)二極管D的di/dt>0，則二極管D正端處會(huì)產(chǎn)生瞬間負(fù)電壓值，電路上會(huì)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(huì)嚴(yán)重影響整個(gè)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(jìn)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(shí)把整流二極管的反向恢復(fù)能量存儲(chǔ)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(shí)把電感L1存儲(chǔ)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(gè)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，VDC=395V，Po=2500W)，效率η=94％左右。

圖4 改進(jìn)的PFC電路

為了進(jìn)一步提高效率，把二極管的存儲(chǔ)電荷形成的儲(chǔ)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(jié)構(gòu)電路，其原理是：在S導(dǎo)通時(shí),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(chǔ)到小電感L1中，同時(shí)C1放電，C2充電，把C1儲(chǔ)能轉(zhuǎn)移入C2；在S關(guān)斷時(shí)L1的儲(chǔ)能向C1充電并通過二極管D1，D2，D3把儲(chǔ)能轉(zhuǎn)移到C中，這時(shí)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(dāng)S關(guān)斷瞬間VC1約等于零，S可實(shí)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(shí)瞬間，iL1約等于零，S可實(shí)現(xiàn)零電流導(dǎo)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(biāo)完全能達(dá)到并優(yōu)于VDE A級標(biāo)準(zhǔn)。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(jià)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(huì)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(diǎn)，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(jià)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(jì)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(guān)調(diào)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(zhì)為鐵粉或鐵硅鋁合金）的選擇通過式（3）計(jì)算。

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

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(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(diǎn)拖尾現(xiàn)象，則當(dāng)開關(guān)頻率>20kHz時(shí)，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RDS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(shí)序調(diào)整。

4 結(jié)語

本文通過實(shí)踐總結(jié)，設(shè)計(jì)出一種優(yōu)異的軟開關(guān)PFC電路，并采用UC3854芯片實(shí)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(shí)把元器件的特性做了仔細(xì)的分析，優(yōu)化。