軟開關pfc電路設計

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，

軟開關簡介

通過在開關過程前后引入諧振，使開關開通前電壓先降到零，關斷前電流先降到零，就可以

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

使開關開通前其兩端電壓為零，則開關開通時就不會產生耗損和噪聲，這種開通方式稱為零電壓開通。是開關關斷前其電流為零，則開關關斷時也不會產生耗損和噪聲，這種關斷方式稱為零電流關斷。與開關并聯的電容能使開關關斷后電壓上升延緩，降低關斷損耗，稱為零電壓關斷；與開關串聯的電感能使開關開通后電流上升延緩，降低開通損耗，稱為零電流開通，但是利用并聯電容實現零電壓關斷和利用串聯電感實現零電流開通一般會造成總損耗增加、關斷過電壓增大等負面影響，因而沒有實際應用價值［1］。因此通常情況下零電壓開關是指零電壓開通，零電流開關是指零電流關斷。

軟開關電路分成準振諧電路、零開關PWM電路和零轉換PWM電路。

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。

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，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。

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，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流過開關管S，在tc～tb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。

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，VDC=395V，Po=2500W），效率η=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把儲能轉移到C中，這時C2也向C放電，通過調節L1，C1，C2的參數并協調S的開關頻率，由于電容（由主開關管的漏—源極分布電容CDS或集電極—發射極分布電容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可實現零電流導通。

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，指標完全能達到并優于VDE A級標準。這種無源軟開關升壓電路性能優異，可靠性優于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。