高性能軟開關(guān)功率因數(shù)校正電路的設(shè)計

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,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C₁放電，C₂充電，把C₁儲能轉(zhuǎn)移入C₂；在S關(guān)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)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C_DS或集電極—發(fā)射極分布電容C_CE和C₁組成）上的電壓不能突變，當(dāng)S關(guān)斷瞬間V_C1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)通時瞬間，i_L1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，V_DC=395V，P_o=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。現(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L_min。而L_min（mH）為

L_min=（1）

ΔI=（2）

式中：V_min(p)為最小輸入正弦波電壓的峰值（V）；

V_o為輸出直流電壓（V）；

f為開關(guān)調(diào)制頻率(Hz)；

P_o為輸出直流功率(W)；

V_min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。

L=4μN²(S/D)×10^－6（3）

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

C=

式中：ω_o為市電角頻率；

ΔV_o為允許輸出直流紋波電壓（V）。

3.4 二極管的選擇

選t_rr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，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R_DS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)時序調(diào)整。

4 結(jié)語

本文通過實(shí)踐總結(jié)，設(shè)計出一種優(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。同時把元器件的特性做了仔細(xì)的分析，優(yōu)化。