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正端處會產(chǎn)生瞬間負(fù)電壓值,，電路上會出現(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,，把二極管的存儲電荷形成的儲能和電阻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)的能量存儲到小電感L1中，同時(shí)C1放電,，C2充電,，把C1儲能轉(zhuǎn)移入C2；在S關(guān)斷時(shí)L1的儲能向C1充電并通過二極管D1,，D2,，D3把儲能轉(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。