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高性能軟開關(guān)功率因數(shù)校正電路的設(shè)計
摘要:介紹了功率因數(shù)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(shù)。關(guān)鍵詞:功率因數(shù)校正;電磁干擾;升壓變換;軟開關(guān)
引言
隨著計算機等一些通信設(shè)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(dān)。這就必須對電源產(chǎn)品如UPS,高頻開關(guān)整流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(biāo)(GB7286—87)規(guī)定,輸入總相對諧波含量≤10%,整流器產(chǎn)品國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定輸入功率因數(shù)>0.9,所以,如何設(shè)計優(yōu)秀的PFC電路是很關(guān)鍵的技術(shù),正確的PFC電路設(shè)計技術(shù)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(shè)計。
1控制電路
上世紀(jì)90年代初,由于PFC的控制芯片還未上市,我們在相關(guān)理論的指導(dǎo)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,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(fù)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IC所取代。
2PFC功率主電路
功率主電路的選用關(guān)系到整個PFC電路的變換效率以及EMI的大小,是電路設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)。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(guān)電路,由于未考慮開關(guān)器件的實際特性,高壓整流二極管的反向恢復(fù)特性,主開關(guān)功率管的開關(guān)損耗特性,導(dǎo)致開關(guān)器件的dv/dt及di/dt很高,相應(yīng)對器件應(yīng)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(guān)管S導(dǎo)通時,二極管D的反向恢復(fù)電荷Qrr所形成的反向恢復(fù)電流幾乎全部損耗在主開關(guān)管上,增大了開關(guān)管的開關(guān)損耗,在ta~tc的時間內(nèi),二極管D還是正壓降,也即開關(guān)管S的漏極電壓為Vo時,已有負反向恢復(fù)電流流過開關(guān)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(guān)過程中所產(chǎn)生的傳導(dǎo)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(guān)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(guān)管導(dǎo)通時把整流二極管的反向恢復(fù)能量存儲到電感L1中,不增加主開關(guān)管的開通損耗,在主開關(guān)管關(guān)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(guān)器件開關(guān)應(yīng)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(fā)出如圖5所示電路。
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CDS或集電極—發(fā)射極分布電容CCE和C1組成)上的電壓不能突變,當(dāng)S關(guān)斷瞬間VC1約等于零,S可實現(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,iL1約等于零,S可實現(xiàn)零電流導(dǎo)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(biāo)完全能達到并優(yōu)于VDEA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
3.1Boost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,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、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(guān)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。
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=Po/(2ωo×Vo×ΔVo)
式中:ωo為市電角頻率;
ΔVo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(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RDS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的分析,優(yōu)化。
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