高性能软开关PFC电路的设计步骤

来源:网络整理 作者:佚名2018年02月02日 10:16
关键词:PFC电路

  什么是PFC电路

  计算机开关电源是一种电容输入型电路,其电流和电压之间的相位差会造成交换功率的损失,此时便需要PFC电路提高功率因数。目前的PFC有两种,一种为被动式PFC(也称无源PFC)和主动式PFC(也称有源式PFC)。

  被动式PFC

  被动式PFC一般分“电感补偿式”和“填谷电路式(Valley Fill Circuit)”

  “电感补偿式”是使交流输入的基波电流与电压之间相位差减小来提高功率因数,“电感补偿式”包括静音式和非静音式。“电感补偿式”的功率因数只能达到0.7~0.8,它一般在高压滤波电容附近。

  “填谷电路式”属于一种新型无源功率因数校正电路,其特点是利用整流桥后面的填谷电路来大幅度增加整流管的导通角,通过填平谷点,使输入电流从尖峰脉冲变为接近于正弦波的波形,将功率因数提高到0.9左右,显著降低总谐波失真。与传统的电感式无源功率因数校正电路相比,其优点是电路简单,功率因数补偿效果显著,并且在输入电路中不需要使用体积大重量沉的大电感器。

  主动式PFC

  而主动式PFC则由电感电容及电子元器件组成,体积小、通过专用IC去调整电流的波形,对电流电压间的相位差进行补偿。主动式PFC可以达到较高的功率因数──通常可达98%以上,但成本也相对较高。此外,主动式PFC还可用作辅助电源,因此在使用主动式PFC电路中,往往不需要待机变压器,而且主动式PFC输出直流电压的纹波很小,这种电源不必采用很大容量的滤波电容。

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  PFC控制电路解析

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  PFC电路的电流环路由整流后的输入电压和输出电压的误差信号通过乘法器来控制。通过调节电流控制信号的平均幅度来控制输出电压。通过输入电压的波形来调节输入电流的波形。

  在与输入电压信号相乘之前,电压误差信号先除以平均输入电压(前馈电压)的平方。

  作用:保证电压环的增益为常数。

  注:电压环带宽过宽会使控制电路尽可能的保持输出中压的稳定,而导致谐波失真加重。

  由于电压环的增益为常数,电压环的误差信号实际上就控制输出功率。

  理由:如Vin 2Vin Ⅰmo=Ve*( 2Vin )/ (2Va)2 Ⅰin 1 /2 Ⅰin,则2Vin*1/2Iin=Vin*Iin,功率不变,输出中压误差信号就可以控制了输出功率。

  作用:限制输出电压的误差信号就可以限制住PFC的输出功率。

  频率设定

  频率高:电感体积小,交叉失真小,损耗大,适用于中小功率。

  频率低:电感体积大,交叉失真大,损耗小,适用于大功率。

  电感设计

  a、输入的最大峰值电流在输入电压为低压且为最大值时出现,

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

  b、电感纹波电流一般选择为AC线最大峰值电流为20%。

  (不一定是最大的高频纹波电流。)

  c、占空比D=(V0-Vin)/V0(V0 为输出电压,Vin为峰值输入电压)

  L=Vin*D/f* △Ⅰ

  △Ⅰ=0.2Ⅰline(PK)=21/2*P/rin(min)&TImes;0.2

  d、电感的峰值电流为线峰值电流加上高频纹波电流的一半。

  Ⅰ(LPK)=Ⅰline(PK)+1/2△Ⅰ

  输出电容

  a、考虑因素:高频纹波电流、二次谐波纹波电流,输出直流电压、纹波电压、保持时间。

  b、承受的纹波电流主要由温升决定,包括高频电流的温升和低频纹波电流的温升。

  c、如需保持时间,则C0=2Pont△t/( V02- V0(min)2)

  续流二极管

  a、必须能承受电感的最大峰值电流

  b、至少能承受输出电压的反压

  c、速度尽量快(反向恢复时间尽量短),慢则开关损耗大。

  高性能软开关PFC电路的设计步骤

  随着计算机等一些通信设备的日益普及,用户对电源的需求也在不断增长,要求电源厂商能生产更高效、更优质的绿色电源,以减小电能消耗,减轻电网负担。这就必须对电源产品如UPS,高频开关整充电源等的输入电路进行有源功率因数校正,以最大限度减少谐波电流。实际测量计算机等整充性负载的PF=0 7时,输入电流的总谐波失真度近80%,即无功电流是有功电流的80%。不间断电源国标(GB7286--87 )规定,输入总相对谐波含量s10%,整流器产品国家行业标准规定输入功率因数》0 9,所以,如何设计优秀的PFC电路是很关键的技术,正确的PFC电路设计技术主要由以下几个部分组成:控制电路,功率主电路,元器件选择及其参数设计。

  1、控制电路

  上世纪90年代初,由于PFC的控制芯片还未上市,我们在相关理论的指导下,于1992年在国内率先开发出由分立元器件组成的控制电路,原理如图1中虚线框内所示。

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  在实验室和小批量做出的48V 50A整流器产品中,前级PFC电路的PF为0.98左右,n=93%(AC/DC,VDC=395V,Po=2000W)。以上控制电路原理和UC公司的PFC控制原理(1994年底推出的UC3854)是一致的,但由于电路是由分立元器件组成,抗干扰能力差,工艺复杂,调试过程很长,所以,一直未在大批量产品中运用。随着UC公司控制IC如UC3854,UC3854A,UC3855的推出,由分立元器件组成的控制电路便被专用控制C所取代。

  2、PFC功率主电路

  功率主电路的选用关系到整个PFC电路的变换效率以及EM的大小,是电路设计的关键技术。早期主电路如图2所示。

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  这是个典型的Boost电路,原理简单,但是个硬开关电路,由于未考虑开关器件的实际特性,高压整流二极管的反向恢复特性,主开关功率管的开关损耗特性,导致开关器件的dv/dt及di/dt很高,相应对器件应力要求加大。二极管特性如图3所示,id为二极管电流波形,vd为二极管电压波形,在开关管S导通时,二极管D的反向恢复电荷Qrr所形成的反向恢复电流几乎全部损耗在主开关管上,增大了开关管的开关损耗,在ta~tc的时间内,二极管D还是正压降,也即开关管S的漏极电压为VO时,已有负反向恢复电流充过开关管S,在tc~tb的时间内二极管D的di/dt》0,则二极管D正端处会产生瞬间负电压值,电路上会出现大的EMI,由于分布参数的存在,在开关过程中所产生的传导和辐射干扰会严重影响整个系统的稳定性。

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  为了克服上述的不足,便有了改进的PFC电路,如图4所示。增加了主开关二极管的附加电路,其原理则是充分利用了L1的线性区和非线性区,在主开关管导通时把整流二极管的反向恢复能量存储到电感L1中,不增加主开关管的开通损耗,在主开关管关断时把电感L1存储能量以热能的形式消耗在电阻上。由于饱和电感L1的存在,dv/dt及di/dt减少约近1个数量级,主开关器件开关应力锐减,EM大大减少了。这种电路的PF为0 99左右(AC/DC,VDC=395V,Po=2500W),效率n=94%左右。

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  为了进一步提高效率,把二极管的存储电荷形成的储能和电阻R上消耗的能量充分利用便开发出如图5所示电路。

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  这是一种无源的无损缓冲结构电路,其原理是: 在S导通时以L1作为二极管的缓冲电感,把二极管反向恢复的能量存储到小电感L1中,同时C1放电,C2充电,把C1储能转移入C2 ;在S关断时L1的储能向C1充电并通过二极管D1,D2,D3把储能转移到C中,这时C2也向C放电,通过调节L1C1,C2的参数并协调S的开关频率,由于电容(由主开关管的漏一源极分布电容CDS或集电极一发射极分布电容CCE和C1组成)上的电压不能突变,当S关断瞬间VC1约等于零,S可实现零电压关断。由于电感(由L1和线路杂感组成)上的电流不能突变,当S导通时瞬间,iL1约等于零,S可实现零电流导通。

  此电路的PF为0 99左右,(AC/DC,VDC=395V,Po=2500W),效率n=96%- 97%,输入端几乎没有EMI,指标完全能达到并优于VDE A级标准。这种无源软开关升压电路性能优异,可靠性优于UC3855组成的有源软开关PFC电路,是智能高频化UPS和高频开关整流电源理想的输入级电路,具有很高的应用价值。

  3、主要元器件的选择

  3.1、Boost电感磁性材料的选择

  早期,Boost电感磁性材料一般为铁氧体磁芯,如EE或EI等,通过加气隙来调节p值,从而调节电感量这种方法的成本相对较低,但L值的温度特性相对略差,而且气隙的漏磁会增加电磁干扰。现在,一般采用金属磁粉芯,如铁粉芯、铁镍粉芯、钼坡莫合金、铁硅铝合金、非晶合金等磁环。各种材料有各自的优缺点,如铁粉芯成本低而Q值、p值的各种特性,如温度、线性等相对较差,铁镍粉芯次之,铁硅铝合金、钼坡莫合金相对较好但价格贵些,所以,PFC电感磁性材料采用铁硅铝合金磁环较好。

  3.2、电感L值的计算

  功率因数校正的前提条件是使输入电感中电流保持连续状态,即纹波电流0要小于最小输入交流电流峰值的两倍。则取电感L》临界电感Lmin。而Lmin (mH) 为

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  式中: Vmin(p)为最小输入正弦波电压的峰值(V) ;

  VO为输出直流电压(V) ;

  f为开关调制频率(Hz) ;

  PO为输出直流功率(W) ;

  Vmin为最小输入正弦波电压的有效值。

  磁性元件磁环(材质为铁粉或铁硅铝合金)的选择通过式(3 )计算。

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  式中: L为电感量 (mH) ;

  p为磁芯有效磁导率;

  N为线国匝数;

  S为磁芯导磁截面积(cm2) ;

  D为磁芯平均磁环直径(cm )。

  3.3、电容的选择

  电容一般要采用低损耗,高纹波电流型的电解电容,容值C为

  高性能软开关PFC电路的设计步骤

  式中: WO为市电角频率;

  OVO为允许输出直流纹波电压(V )。

  3.4、二极管的选择

  选trr小,正向压降小且软恢复(软度好) 特性好的二极管。

  3.5、开关器件的选择

  选MOS或IGBT。由于IGBT关断存在一点拖尾现象,则当开关频率》20kHz时,要选MOS。对MOS主要关心的是导通损耗,应选导通电阻RDS小的; 对IGBT主要关心的是开关损耗,应选开关特性好的IGBT。当然,最理想的是把IGBT与MOS根据各自的频率特性直接并联而控制信号按各自的特性做相应时序调整。

  4、结语

  本文通过实践总结,设计出一种优异的软开关PFC电路,并采用UC3854芯片实现技术产品化。这种PFC电路是智能高频化UPS和高频开关整流电源输入级电路的理想解决方案。同时把元器件的特性做了仔细的分析,优化。

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