軟開關(guān)pfc電路設(shè)計(jì)

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，

軟開關(guān)簡介

通過在開關(guān)過程前后引入諧振，使開關(guān)開通前電壓先降到零，關(guān)斷前電流先降到零，就可以

消除開關(guān)過程中電壓、電流的重疊，降低它們的變化率，從而減小甚至消除開關(guān)損耗。同時(shí)諧振過程限制了開關(guān)過程中電壓和電流的變化率，使得開關(guān)噪聲也顯著減小，這樣的電路被稱為軟開關(guān)電路，開關(guān)過程被稱為軟開關(guān)。其工作過程如圖1所示，顯然，由于電壓電流沒有重疊過程，因而不會(huì)消耗功率。

使開關(guān)開通前其兩端電壓為零，則開關(guān)開通時(shí)就不會(huì)產(chǎn)生耗損和噪聲，這種開通方式稱為零電壓開通。是開關(guān)關(guān)斷前其電流為零，則開關(guān)關(guān)斷時(shí)也不會(huì)產(chǎn)生耗損和噪聲，這種關(guān)斷方式稱為零電流關(guān)斷。與開關(guān)并聯(lián)的電容能使開關(guān)關(guān)斷后電壓上升延緩，降低關(guān)斷損耗，稱為零電壓關(guān)斷；與開關(guān)串聯(lián)的電感能使開關(guān)開通后電流上升延緩，降低開通損耗，稱為零電流開通，但是利用并聯(lián)電容實(shí)現(xiàn)零電壓關(guān)斷和利用串聯(lián)電感實(shí)現(xiàn)零電流開通一般會(huì)造成總損耗增加、關(guān)斷過電壓增大等負(fù)面影響，因而沒有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值［1］。因此通常情況下零電壓開關(guān)是指零電壓開通，零電流開關(guān)是指零電流關(guān)斷。

軟開關(guān)電路分成準(zhǔn)振諧電路、零開關(guān)PWM電路和零轉(zhuǎn)換PWM電路。

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。

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，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。

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。

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，VDC=395V，Po=2500W），效率η=94％左右。

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。

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(jí)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(jí)電路，具有很高的應(yīng)用價(jià)值。