一種實際6 kW開關(guān)電源PFC電路的分析與設(shè)計

0 引言

在各種單相PFC電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，Boost電路具有結(jié)構(gòu)簡單、變換效率高、易于控制等優(yōu)點而得到廣泛應(yīng)用。高頻化方法可以有效地減小有源功率因數(shù)電路的體積、重量，從而提高電路的功率密度。但是，高頻化也帶來了諸多問題，其中最為引人關(guān)注的是開關(guān)損耗的急劇增大。有源功率因數(shù)校正電路的軟開關(guān)技術(shù)能夠有效地解決這一問題，本文將要介紹的電路就是這一類電路。

軟PWM 技術(shù)是指具有軟開關(guān)環(huán)境的PWM 技術(shù)。這種技術(shù)的特點是：在開關(guān)周期中，電路具有軟開關(guān)環(huán)境，而在非開關(guān)周期中，仍然保持原來硬開關(guān)PWM電路的各種優(yōu)點[1]。軟開關(guān)技術(shù)理論上可使開關(guān)損耗降為零;實際上，可使目前的各種電源模塊的變換效率由80豫提高到90豫以上，達到高頻率、高效率的功率變換[1]。

此電路是在傳統(tǒng)PFC 電路的基礎(chǔ)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上，加入了有源緩沖電路結(jié)構(gòu)。緩沖電路的引入改善了電路的開關(guān)環(huán)境、增加了電路效率。對大部分自關(guān)斷器件組成的電路，由于開關(guān)頻率高，緩沖電路著重于改善開關(guān)器件的開關(guān)軌跡，控制EMI，減小電流、電壓應(yīng)力，從而降低開關(guān)損耗，為器件提供安全的開關(guān)環(huán)境，最大限度地利用器件特性，充分發(fā)揮器件的效能[2]。

傳統(tǒng)的有源緩沖電路單元，大多是既復(fù)雜、高功耗又難于控制，且輸入電壓范圍較小、帶負(fù)載能力較弱。

本文所研究的電路具有結(jié)構(gòu)簡單，帶負(fù)載能力強，允許輸入電壓范圍寬，以及很方便地實現(xiàn)PWM控制等優(yōu)點。并且，通過實際的運行與測試，效果理想。

1 工作原理

在實際6 kW的PFC 電路中，由于電流較大，主開關(guān)管由4只大功率IGBT 管并聯(lián)運行，輔助開關(guān)管由兩只大功率IGBT管并聯(lián)運行，主二極管也是多管并聯(lián)運行。在圖1所示的原理圖中，由Lr，Cr2，Dr，D1，D2及T2共同組成了緩沖器單元。

為方便電路分析，在不改變電路運行條件的基礎(chǔ)上，進行了以下假設(shè)：

1)輸入電壓為恒定值;

2)輸出電容C0充分大;

3)輸入電感L 充分大;

4)諧振電路為理想諧振;

5)主電感L 遠(yuǎn)大于諧振電感Lr;

6)各器件的寄生電容忽略不計;

7)除主二極管D 以外，其它二極管的反向恢復(fù)時間忽略不計。

工作過程分8 個階段，各階段等效電路如圖2所示，波形圖如圖3所示。

1)[t0，t1] 在t0時刻之前，主開關(guān)管T1與輔助開關(guān)管T2均處于截止?fàn)顟B(tài)，主二極管D 處于導(dǎo)通狀態(tài)。在t0時刻(iD=Ii ，vCr2=0)，輔助開關(guān)管T2導(dǎo)通。此時，Dr和T2為零電流情況下導(dǎo)通(ZCT)，Lr 限制通過Dr和T2的電流上升率。此時段中，通過主二極管D的電流線性下降，同時，通過T2的電流線性上升。

2)[t1，t2] 在t=t1時刻，由于二極管的反向?qū)?，D 上電流繼續(xù)下降，而流過Dr 和T2的電流繼續(xù)上升。直到t=t2時刻，二極管反向恢復(fù)電流達到負(fù)的最大值。

2 電路的設(shè)計

2.1 主電感的選擇[3]

依據(jù)電感元件的伏秒平衡原理，在主開關(guān)T1導(dǎo)通期間，儲能電感L 上的電流增加量應(yīng)與主開關(guān)T1截止期間的電流下降量相等，方向是相反的。即

在實際設(shè)計中，儲能電感L 上的峰峰值電流Ii+駐IL 不應(yīng)大于最大平均電流的20豫，這可以避免儲能電感的磁飽和，也能達到限制主開關(guān)的峰值電流、峰值電壓和功率損耗的目的。這里我們選擇駐IL=1.4Ii，代入式(21)中得到儲能電感的電感量為

2.2 輸出電容的選擇[1]

輸出電容C0 中將流過i0的交流分量，在C0兩端，電壓將產(chǎn)生脈動，該脈動量與C0的數(shù)值有關(guān)。因此，在設(shè)計中，要求選擇輸出電容C0 使輸出電壓u0的紋波啄V 低于規(guī)定值，一般電壓紋波啄V 臆2%，即輸出電壓脈動量為駐u0。

2.3 諧振電感的選擇

諧振電感的選擇依據(jù)是，在3 倍的主二極管反向恢復(fù)時間內(nèi)，使其上流過電流不超過輸入的最大電流，即

2.4 諧振電容Cr1的選擇

諧振電容Cr1的選擇依據(jù)是，在與諧振電感Lr諧振的半個周期內(nèi)，其上能量全部傳遞給諧振電感Lr，即

2.5 諧振電容Cr2的選擇

諧振電容Cr2 的選擇依據(jù)是，在與諧振電感Lr諧振的半個周期內(nèi)，其上能量全部傳遞給諧振電感Lr，即

式中：Irrmax是主二極管D反向恢復(fù)最大電流。

3 電路的仿真與試驗結(jié)果及分析

3.1 仿真結(jié)果

仿真所得的波形如圖4-圖8所示。

3.2 試驗結(jié)果

試驗所得波形如圖9、圖10所示。

4 結(jié)果分析

從仿真、試驗波形中可以看到：主開關(guān)管T1是在零電壓情況下導(dǎo)通(ZVT)，并且是在近似零電壓情況下關(guān)斷的(ZVT);輔助開關(guān)管T2是在零電流情況下導(dǎo)通(ZCT)，在近似零電壓情況下關(guān)斷(ZVT);主二極管D是在零電壓情況下導(dǎo)通與關(guān)斷的;緩沖電路中D1、D2的也是工作在軟開關(guān)狀態(tài)下。

5 結(jié)語

此電路是在傳統(tǒng)PFC 電路的基礎(chǔ)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上，加入了有源緩沖電路結(jié)構(gòu)。緩沖電路的引入改善了電路的開關(guān)環(huán)境、增加了電路效率，通過試驗測定：該電路(含整流橋)在滿負(fù)載情況下，效率~96%。

作者簡介：

張衛(wèi)平(1957-)，男，博士，教授，主要研究領(lǐng)域：高強度

氣體放電燈用電子鎮(zhèn)流器、壓電陶瓷變壓器功率變換器、功率電磁兼容和有源功率因數(shù)校正技術(shù)及應(yīng)用等

參考文獻：

[1] 丁道宏. 通訊電源的發(fā)展趨勢[J]. 通訊世界，2000，7.

[2] 林渭勛. 現(xiàn)代電力電子電路[M]. 杭州：浙江大學(xué)出版

社，2004 .

[3] 王水平，史俊杰，田慶安.開關(guān)穩(wěn)壓電源[M].西安：西安

電子科技大學(xué)出版社，2005.