高性能軟開關PFC電路的設計步驟

　　什么是PFC電路

　　計算機開關電源是一種電容輸入型電路，其電流和電壓之間的相位差會造成交換功率的損失，此時便需要PFC電路提高功率因數(shù)。目前的PFC有兩種，一種為被動式PFC（也稱無源PFC）和主動式PFC（也稱有源式PFC）。

　　被動式PFC

　　被動式PFC一般分“電感補償式”和“填谷電路式（Valley Fill Circuit）”

　　“電感補償式”是使交流輸入的基波電流與電壓之間相位差減小來提高功率因數(shù)，“電感補償式”包括靜音式和非靜音式?！半姼醒a償式”的功率因數(shù)只能達到0.7～0.8，它一般在高壓濾波電容附近。

　　“填谷電路式”屬于一種新型無源功率因數(shù)校正電路，其特點是利用整流橋后面的填谷電路來大幅度增加整流管的導通角，通過填平谷點，使輸入電流從尖峰脈沖變?yōu)榻咏谡也ǖ牟ㄐ?，將功率因?shù)提高到0.9左右，顯著降低總諧波失真。與傳統(tǒng)的電感式無源功率因數(shù)校正電路相比，其優(yōu)點是電路簡單，功率因數(shù)補償效果顯著，并且在輸入電路中不需要使用體積大重量沉的大電感器。

　　主動式PFC

　　而主動式PFC則由電感電容及電子元器件組成，體積小、通過專用IC去調(diào)整電流的波形，對電流電壓間的相位差進行補償。主動式PFC可以達到較高的功率因數(shù)──通常可達98%以上，但成本也相對較高。此外，主動式PFC還可用作輔助電源，因此在使用主動式PFC電路中，往往不需要待機變壓器，而且主動式PFC輸出直流電壓的紋波很小，這種電源不必采用很大容量的濾波電容。

　　PFC控制電路解析

　　PFC電路的電流環(huán)路由整流后的輸入電壓和輸出電壓的誤差信號通過乘法器來控制。通過調(diào)節(jié)電流控制信號的平均幅度來控制輸出電壓。通過輸入電壓的波形來調(diào)節(jié)輸入電流的波形。

　　在與輸入電壓信號相乘之前，電壓誤差信號先除以平均輸入電壓（前饋電壓）的平方。

　　作用：保證電壓環(huán)的增益為常數(shù)。

　　注：電壓環(huán)帶寬過寬會使控制電路盡可能的保持輸出中壓的穩(wěn)定，而導致諧波失真加重。

　　由于電壓環(huán)的增益為常數(shù)，電壓環(huán)的誤差信號實際上就控制輸出功率。

　　理由：如Vin 2Vin Ⅰmo=Ve*（ 2Vin ）/ （2Va）2 Ⅰin 1 /2 Ⅰin，則2Vin*1/2Iin=Vin*Iin，功率不變，輸出中壓誤差信號就可以控制了輸出功率。

　　作用：限制輸出電壓的誤差信號就可以限制住PFC的輸出功率。

　　頻率設定

　　頻率高：電感體積小，交叉失真小，損耗大，適用于中小功率。

　　頻率低：電感體積大，交叉失真大，損耗小，適用于大功率。

　　電感設計

　　a、輸入的最大峰值電流在輸入電壓為低壓且為最大值時出現(xiàn)，

　　Iline（PK）=21/2*P/Vin（min）（ Vin（min）為有效值。）

　　b、電感紋波電流一般選擇為AC線最大峰值電流為20%。

　?。ú灰欢ㄊ亲畲蟮母哳l紋波電流。）

　　c、占空比D=（V0-Vin）/V0（V0 為輸出電壓，Vin為峰值輸入電壓）

　　L=Vin*D/f* △Ⅰ

　　△Ⅰ=0.2Ⅰline（PK）=21/2*P/rin（min）×0.2

　　d、電感的峰值電流為線峰值電流加上高頻紋波電流的一半。

　?、瘢↙PK）=Ⅰline（PK）+1/2△Ⅰ

　　輸出電容

　　a、考慮因素：高頻紋波電流、二次諧波紋波電流，輸出直流電壓、紋波電壓、保持時間。

　　b、承受的紋波電流主要由溫升決定，包括高頻電流的溫升和低頻紋波電流的溫升。

　　c、如需保持時間，則C0=2Pont△t/（ V02- V0（min）2）

　　續(xù)流二極管

　　a、必須能承受電感的最大峰值電流

　　b、至少能承受輸出電壓的反壓

　　c、速度盡量快（反向恢復時間盡量短），慢則開關損耗大。

　　高性能軟開關PFC電路的設計步驟

　　隨著計算機等一些通信設備的日益普及，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)負擔。這就必須對電源產(chǎn)品如UPS，高頻開關整充電源等的輸入電路進行有源功率因數(shù)校正，以最大限度減少諧波電流。實際測量計算機等整充性負載的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(guī)定，輸入總相對諧波含量s10%，整流器產(chǎn)品國家行業(yè)標準規(guī)定輸入功率因數(shù)》0 9，所以，如何設計優(yōu)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，元器件選擇及其參數(shù)設計。

　　1、控制電路

　　上世紀90年代初，由于PFC的控制芯片還未上市，我們在相關理論的指導下，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。

　　在實驗室和小批量做出的48V 50A整流器產(chǎn)品中，前級PFC電路的PF為0.98左右，n=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，工藝復雜，調(diào)試過程很長，所以，一直未在大批量產(chǎn)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C所取代。

　　2、PFC功率主電路

　　功率主電路的選用關系到整個PFC電路的變換效率以及EM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，由于未考慮開關器件的實際特性，高壓整流二極管的反向恢復特性，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，在開關管S導通時，二極管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(nèi)，二極管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充過開關管S，在tc~tb的時間內(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，在開關過程中所產(chǎn)生的傳導和輻射干擾會嚴重影響整個系統(tǒng)的穩(wěn)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)，在主開關管導通時把整流二極管的反向恢復能量存儲到電感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個數(shù)量級，主開關器件開關應力銳減，EM大大減少了。這種電路的PF為0 99左右（AC/DC，VDC=395V，Po=2500W），效率n=94%左右。

　　為了進一步提高效率，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。

　　這是一種無源的無損緩沖結構電路，其原理是： 在S導通時以L1作為二極管的緩沖電感，把二極管反向恢復的能量存儲到小電感L1中，同時C1放電，C2充電，把C1儲能轉(zhuǎn)移入C2 ;在S關斷時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C2也向C放電，通過調(diào)節(jié)L1C1，C2的參數(shù)并協(xié)調(diào)S的開關頻率，由于電容（由主開關管的漏一源極分布電容CDS或集電極一發(fā)射極分布電容CCE和C1組成）上的電壓不能突變，當S關斷瞬間VC1約等于零，S可實現(xiàn)零電壓關斷。由于電感（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約等于零，S可實現(xiàn)零電流導通。

　　此電路的PF為0 99左右，（AC/DC，VDC=395V，Po=2500W），效率n=96%- 97%，輸入端幾乎沒有EMI，指標完全能達到并優(yōu)于VDE A級標準。這種無源軟開關升壓電路性能優(yōu)異，可靠性優(yōu)于UC3855組成的有源軟開關PFC電路，是智能高頻化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，通過加氣隙來調(diào)節(jié)p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，如鐵粉芯成本低而Q值、p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0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 ）計算。

　　式中： L為電感量 （mH） ;

　　p為磁芯有效磁導率;

　　N為線國匝數(shù);

　　S為磁芯導磁截面積（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： WO為市電角頻率;

　　OVO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（軟度好） 特性好的二極管。

　　3.5、開關器件的選擇

　　選MOS或IGBT。由于IGBT關斷存在一點拖尾現(xiàn)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(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時序調(diào)整。

　　4、結語

　　本文通過實踐總結，設計出一種優(yōu)異的軟開關PFC電路，并采用UC3854芯片實現(xiàn)技術產(chǎn)品化。這種PFC電路是智能高頻化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，優(yōu)化。