高性能軟開關(guān)功率因數(shù)校正電路的設(shè)計(jì)

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(jì)算機(jī)等一些通信設(shè)備的日益普及，用戶對(duì)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(duì)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(duì)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(jí)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(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(duì)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(shí)，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(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V_o時(shí)，已有負(fù)反向恢復(fù)電流流過開關(guān)管S，在t_c～t_b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(jí)，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(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