高性能软开关功率因数校正电路的设计

摘要：介绍了功率因数校正控制电路和功率主变换电路的原理及如何选择元器件及其参数。

关键词：功率因数校正；电磁干扰；升压变换；软开关

0    引言

    随着计算机等一些通信设备的日益普及，用户对电源的需求也在不断增长，要求电源厂商能生产更高效、更优质的绿色电源，以减小电能消耗，减轻电网负担。这就必须对电源产品如UPS，高频开关整流电源等的输入电路进行有源功率因数校正，以最大限度减少谐波电流。实际测量计算机等整流性负载的PF=0.7时，输入电流的总谐波失真度近80％，即无功电流是有功电流的80％。不间断电源国标（GB7286—87）规定，输入总相对谐波含量≤10％，整流器产品国家行业标准规定输入功率因数>0.9，所以，如何设计优秀的PFC电路是很关键的技术，正确的PFC电路设计技术主要由以下几个部分组成：控制电路，功率主电路，元器件选择及其参数设计。

1    控制电路

    上世纪90年代初，由于PFC的控制芯片还未上市，我们在相关理论的指导下，于1992年在国内率先开发出由分立元器件组成的控制电路，原理如图1中虚线框内所示。

图1    PFC控制电路

    在实验室和小批量做出的48V/50A整流器产品中，前级PFC电路的PF为0.98左右，η=93％(AC/DC，V_DC=395V，P_o=2000W)。以上控制电路原理和UC公司的PFC控制原理(1994年底推出的UC3854)是一致的，但由于电路是由分立元器件组成，抗干扰能力差，工艺复杂，调试过程很长，所以，一直未在大批量产品中运用。随着UC公司控制IC如UC3854，UC3854A，UC3855的推出，由分立元器件组成的控制电路便被专用控制IC所取代。

2    PFC功率主电路

    功率主电路的选用关系到整个PFC电路的变换效率以及EMI的大小，是电路设计的关键技术。早期主电路如图2所示。

图2    PFC功率主电路

    这是个典型的Boost电路，原理简单，但是个硬开关电路，由于未考虑开关器件的实际特性，高压整流二极管的反向恢复特性，主开关功率管的开关损耗特性，导致开关器件的dv/dt及di/dt很高，相应对器件应力要求加大。二极管特性如图3所示，i_d为二极管电流波形，v_d为二极管电压波形，在开关管S导通时，二极管D的反向恢复电荷Q_rr所形成的反向恢复电流几乎全部损耗在主开关管上，增大了开关管的开关损耗，在t_a～t_c的时间内，二极管D还是正压降，也即开关管S的漏极电压为V_o时，已有负反向恢复电流流过开关管S，在t_c～t_b的时间内二极管D的di/dt>0，则二极管D正端处会产生瞬间负电压值，电路上会出现大的EMI，由于分布参数的存在，在开关过程中所产生的传导和辐射干扰会严重影响整个系统的稳定性。

图3    二极管的恢复特性

    为了克服上述的不足，便有了改进的PFC电路，如图4所示。增加了主开关二极管的附加电路，其原理则是充分利用了L₁的线性区和非线性区，在主开关管导通时把整流二极管的反向恢复能量存储到电感L₁中，不增加主开关管的开通损耗，在主开关管关断时把电感L₁存储能量以热能的形式消耗在电阻上。由于饱和电感L₁的存在，dv/dt及di/dt减少约近1个数量级，主开关器件开关应力锐减，EMI大大减少了。这种电路的PF为0.99左右(AC/DC，V_DC=395V，P_o=2500W)，效率η=94％左右。

图4    改进的PFC电路

    为了进一步提高效率，把二极管的存储电荷形成的储能和电阻R上消耗的能量充分利用便开发出如图5所示电路。

图5    具有无源无损缓冲PFC电路

    这是一种无源的无损缓冲结构电路，其原理是：在S导通时,以L₁作为二极管的缓冲电感，把二极管反向恢复的能量存储到小电感L₁中，同时C₁放电，C₂充电，把C₁储能转移入C₂；在S关断时L₁的储能向C₁充电并通过二极管D₁，D₂，D₃把储能转移到C中，这时C₂也向C放电，通过调节L₁，C₁，C₂的参数并协调S的开关频率，由于电容（由主开关管的漏—源极分布电容C_DS或集电极—发射极分布电容C_CE和C₁组成）上的电压不能突变，当S关断瞬间V_C1约等于零，S可实现零电压关断。由于电感（由L₁和线路杂感组成）上的电流不能突变，当S导通时瞬间，i_L1约等于零，S可实现零电流导通。

    此电路的PF为0.99左右，(AC/DC，V_DC=395V，P_o=2500W)，效率η=96％～97％，输入端几乎没有EMI，指标完全能达到并优于VDE A级标准。这种无源软开关升压电路性能优异，可靠性优于UC3855组成的有源软开关PFC电路，是智能高频化UPS和高频开关整流电源理想的输入级电路，具有很高的应用价值。

3    主要元器件的选择

3.1    Boost电感磁性材料的选择

    早期，Boost电感磁性材料一般为铁氧体磁芯，如EE或EI等，通过加气隙δ来调节μ值，从而调节电感量,这种方法的成本相对较低，但L值的温度特性相对略差，而且气隙的漏磁会增加电磁干扰。现在，一般采用金属磁粉芯，如铁粉芯、铁镍粉芯、钼坡莫合金、铁硅铝合金、非晶合金等磁环。各种材料有各自的优缺点，如铁粉芯成本低而Q值、μ值的各种特性，如温度、线性等相对较差，铁镍粉芯次之，铁硅铝合金、钼坡莫合金相对较好但价格贵些，所以，PFC电感磁性材料采用铁硅铝合金磁环较好。

3.2    电感L值的计算

    功率因数校正的前提条件是使输入电感中电流保持连续状态，即纹波电流ΔI要小于最小输入交流电流峰值的两倍。则取电感L≥临界电感L_min。而L_min（mH）为

    L_min=（1）

        ΔI=（2）

式中：V_min(p)为最小输入正弦波电压的峰值（V）；

      V_o为输出直流电压（V）；

      f为开关调制频率(Hz)；

      P_o为输出直流功率(W)；

      V_min为最小输入正弦波电压的有效值。

    磁性元件磁环（材质为铁粉或铁硅铝合金）的选择通过式（3）计算。

    L=4μN²(S/D)×10^－6（3）

式中：L为电感量（mH）；

            μ为磁芯有效磁导率；

      N为线圈匝数；

      S为磁芯导磁截面积（cm²）；

      D为磁芯平均磁环直径（cm）。

3.3    电容的选择

    电容一般要采用低损耗，高纹波电流型的电解电容，容值C为

    C=

式中：ω_o为市电角频率；

            ΔV_o为允许输出直流纹波电压（V）。

3.4    二极管的选择

    选t_rr小，正向压降小且软恢复（软度好）特性好的二极管。

3.5    开关器件的选择

    选MOS或IGBT。由于IGBT关断存在一点拖尾现象，则当开关频率>20kHz时，要选MOS。对MOS主要关心的是导通损耗，应选导通电阻R_DS小的；对IGBT主要关心的是开关损耗，应选开关特性好的IGBT。当然，最理想的是把IGBT与MOS根据各自的频率特性直接并联而控制信号按各自的特性做相应时序调整。

4    结语

    本文通过实践总结，设计出一种优异的软开关PFC电路，并采用UC3854芯片实现技术产品化。这种PFC电路是智能高频化UPS和高频开关整流电源输入级电路的理想解决方案。同时把元器件的特性做了仔细的分析，优化。