高性能軟開關功率因數校正電路的設計

摘要：介紹了功率因數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。

關鍵詞：功率因數校正；電磁干擾；升壓變換；軟開關

0 引言

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更高效、更優質的綠色電源，以減小電能消耗，減輕電網負擔。這就必須對電源產品如UPS，高頻開關整流電源等的輸入電路進行有源功率因數校正，以最大限度減少諧波電流。實際測量計算機等整流性負載的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）規定，輸入總相對諧波含量≤10％，整流器產品國家行業標準規定輸入功率因數>0.9，所以，如何設計優秀的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年在國內率先開發出由分立元器件組成的控制電路，原理如圖1中虛線框內所示。

圖1 PFC控制電路

在實驗室和小批量做出的48V/50A整流器產品中，前級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，工藝復雜，調試過程很長，所以，一直未在大批量產品中運用。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IC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EMI的大小，是電路設計的關鍵技術。早期主電路如圖2所示。

圖2 PFC功率主電路

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，i_d為二極管電流波形，v_d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Q_rr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t_a～t_c的時間內，二極管D還是正壓降，也即開關管S的漏極電壓為V_o時，已有負反向恢復電流流過開關管S，在t_c～t_b的時間內二極管D的di/dt>0，則二極管D正端處會產生瞬間負電壓值，電路上會出現大的EMI，由于分布參數的存在，在開關過程中所產生的傳導和輻射干擾會嚴重影響整個系統的穩定性。

圖3 二極管的恢復特性

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的線性區和非線性區，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個數量級，主開關器件開關應力銳減，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 改進的PFC電路

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出如圖5所示電路。

圖5 具有無源無損緩沖PFC電路