高效能軟開關功率因數校正電路的設計論文
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引數。
關鍵詞：功率因數校正；電磁干擾；升壓變換；軟開關
引言
隨著計算機等一些通訊裝置的日益普及，使用者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）規定，輸入總相對諧波含量≤10％，整流器產品國家行業標準規定輸入功率因數>0.9，所以，如何設計優秀的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，元器件選擇及其引數設計。
1 控制電路
上世紀90年代初，由於PFC的控制晶片還未上市，我們在相關理論的指導下，於1992年在國內率先開發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。
在實驗室和小批次做出的48V/50A整流器產品中，前級PFC電路的PF為0.98左右，η=93％(AC/DC，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，但由於電路是由分立元器件組成，抗干擾能力差，工藝複雜，除錯過程很長，所以，一直未在大批次產品中運用。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係到整個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。
這是個典型的Boost電路，原理簡單，但是個硬開關電路，由於未考慮開關器件的實際特性，高壓整流二極體的反向恢復特性，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。二極體特性如圖3所示，id為二極體電流波形，vd為二極體電壓波形，在開關管S導通時，二極體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，二極體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的時間內二極體D的di/dt>0，則二極體D正端處會產生瞬間負電壓值，電路上會出現大的EMI，由於分佈引數的存在，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的穩定性。
為了克服上述的不足，便有了改進的PFC電路，如圖4所示。增加了主開關二極體的附加電路，其原理則是充分利用了L1的線性區和非線性區，在主開關管導通時把整流二極體的反向恢復能量儲存到電感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儲存能量以熱能的形式消耗在電阻上。由於飽和電感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，VDC=395V，Po=2500W)，效率η=94％左右。
為了進一步提高效率，把二極體的儲存電荷形成的儲能和電阻R上消耗的能量充分利用便開發出如圖5所示電路。
這是一種無源的無損緩衝結構電路，其原理是：在S導通時,以L1作為二極體的緩衝電感，把二極體反向恢復的能量儲存到小電感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充電並透過二極體D1，D2，D3把儲能轉移到C中，這時C2也向C放電，透過調節L1，C1，C2的引數並協調S的開關頻率，由於電容（由主開關管的漏—源極分佈電容CDS或集電極—發射極分佈電容CCE和C1組成）上的電壓不能突變，當S關斷瞬間VC1約等於零，S可實現零電壓關斷。由於電感（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約等於零，S可實現零電流導通。
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，指標完全能達到並優於VDEA級標準。這種無源軟開關升壓電路效能優異，可靠性優於UC3855組成的有源軟開關PFC電路，是智慧高頻化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，透過加氣隙δ來調節μ值，從而調節電感量,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。現在，一般採用金屬磁粉芯，如鐵粉芯、鐵鎳粉芯、鉬坡莫合金、鐵矽鋁合金、非晶合金等磁環。各種材料有各自的優缺點，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，鐵矽鋁合金、鉬坡莫合金相對較好但價格貴些，所以，PFC電感磁性材料採用鐵矽鋁合金磁環較好。
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狀態，即紋波電流ΔI要小於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為開關調製頻率(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（材質為鐵粉或鐵矽鋁合金）的選擇透過式（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為磁芯平均磁環直徑（cm）。
3.3 電容的選擇
電容一般要採用低損耗，高紋波電流型的電解電容，容值C為
C=Po/(2ωo×Vo×ΔVo)
式中：ωo為市電角頻率；
ΔVo為允許輸出直流紋波電壓（V）。
3.4 二極體的選擇
選trr小，正向壓降小且軟恢復（軟度好）特性好的二極體。
3.5 開關器件的選擇
選MOS或IGBT。由於IGBT關斷存在一點拖尾現象，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根據各自的頻率特性直接並聯而控制訊號按各自的特性做相應時序調整。
4 結語
本文透過實踐總結，設計出一種優異的軟開關PFC電路，並採用UC3854晶片實現技術產品化。這種PFC電路是智慧高頻化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，最佳化。
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