高性能软开关功率因数校正电路的设计

　　0 引言

　　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，高频开关整流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流性负载的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≤10%，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。

图1 PFC控制电路

　　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，η=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IC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EMI的大小，是电路设计的关键技术。早期主电路如图2所示。

图2 PFC功率主电路

　　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流过开关管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。

图3 二极管的恢复特性