一種軟開關(guān)高功率因數(shù)直流電源的設(shè)計

楊興龍

（濟(jì)南鋼鐵股份有限公司，濟(jì)南 250101）

高功率因數(shù)開關(guān)電源具有功率因數(shù)高，對電網(wǎng)的諧波污染小的優(yōu)點，獲得了廣泛應(yīng)用[1-2]。但由于在常規(guī)硬開關(guān)方式下，存在開關(guān)損耗高，電磁兼容性低的問題，限制了其性能的進(jìn)一步提高。高功率因數(shù)開關(guān)電源的主電路一般由兩級構(gòu)成，即功率因數(shù)校正（PFC）電路與DC-DC變換器。對兩級功率變換電路分別進(jìn)行控制，造成控制電路設(shè)計復(fù)雜化。

為改進(jìn)上述問題，論文設(shè)計了一臺軟開關(guān)高功率因數(shù)開關(guān)電源。采用有源箝位技術(shù)，改進(jìn)功率級電路，使DC-DC變換器實現(xiàn)軟開關(guān)，提高裝置的效率[3,4]；基于PFC/PWM復(fù)合控制芯片，設(shè)計控制電路，簡化控制系統(tǒng)。本文介紹了電路的工作原理，并研制了一臺實驗樣機(jī)，獲得了滿意的效果。

1 電路的工作原理

本文所設(shè)計的電路如圖1所示。 PFC級電路采用常規(guī)的BOOST電路，DC-DC變換器采用有源箝位正激變換器。

1.1 有源箝位實現(xiàn)軟開關(guān)

在一個周期內(nèi)，DC-DC變換器的工作過程可分為4個模態(tài)。

模態(tài)1：主開關(guān)管QA處于導(dǎo)通狀態(tài)，整流二極管 DO1導(dǎo)通，DO2截止，變壓器原邊電流 ip升高，能量由原邊傳遞到負(fù)載。

模態(tài)2：QA關(guān)斷，原邊電流給 CA充電，CC放電。在 CA兩端電壓上升到 VB后，DO1截止，DO2導(dǎo)通，變壓器被短路，原副邊不再傳遞能量。 CA電壓繼續(xù)上升，達(dá)到VB與VC之和后，DC導(dǎo)通，ip給箝位電容 CC充電。 DC導(dǎo)通期間，箝位開關(guān)管QC可實現(xiàn)零電壓開通。

模態(tài)3：QC零電壓開通后，箝位電容CC與變壓器勵磁電感構(gòu)成諧振回路，ip減小到零并反向增大，使變壓器磁心復(fù)位，且箝位電容儲能向副邊傳遞。

模態(tài)4：QC關(guān)斷，原邊電流給 CC充電，CA放電。在CC兩端電壓上升到VB與VC之和后，DA導(dǎo)通，為主開關(guān)管QA創(chuàng)造了零電壓開通條件。

因此，采用有源箝位技術(shù)，使DC-DC變換器的兩開關(guān)管均實現(xiàn)了零電壓開通，降低了開關(guān)損耗與電磁干擾，而且有效限制了開關(guān)管的電壓應(yīng)力，提高了裝置的可靠性。

1.2 雙閉環(huán)控制系統(tǒng)

TI公司的UCC38510芯片，集成了PFC與PWM控制功能，且兩級驅(qū)動信號開關(guān)頻率之比可選為1：1或1：2。兩級變換電路均采用電壓、電流雙閉環(huán)控制。

圖1 電路原理圖

PFC級控制電路的電流內(nèi)環(huán)，基于平均電流控制。整流后的正弦半波電壓信號、前饋信號、與電壓環(huán)輸出信號相乘，經(jīng)前饋校正，成為電流給定信號，對輸入電流的平均值進(jìn)行控制，使之追蹤輸入電壓波形，實現(xiàn)功率因數(shù)校正的目的。

PWM 級的控制電路的電流內(nèi)環(huán)，采用峰值電流控制模式。電壓誤差放大器輸出信號，即電流參考信號，對輸出電流進(jìn)行逐脈沖控制，并快速調(diào)節(jié)輸出電壓。

2 電路設(shè)計

我們設(shè)計了一臺240W的軟開關(guān)高功率因數(shù)開關(guān)電源實驗裝置，下面對理論分析結(jié)果加以驗證。

2.1 主電路

PFC級采用常規(guī)的Boost電路，電路參數(shù)：輸入電壓為180～270V，輸出電壓為400V，功率因數(shù)為0.99。DC-DC級采用有源箝位正激變換器，額定輸出24V/10A DC。

兩級電路的開關(guān)頻率均取60kHz。

升壓電感：根據(jù)輸入電流紋波、開關(guān)頻率和最低輸入電壓，計算電感值，取0.8mH。

功率開關(guān)器件：根據(jù)最大峰值電流并成本考慮，PFC電路的開關(guān)管采用 IR公司的 MOSEFT管IRFP460（500V/20A）；PWM 級電路開關(guān)管選取IXYS公司的 IXFH12N80，采用光耦器件 TLP250進(jìn)行隔離驅(qū)動。

高頻變壓器:：由于采用了有源箝位技術(shù)，所以磁心可工作在較高磁通密度。采用EE-55磁心繞制。

箝位電容：兼顧穩(wěn)態(tài)時的紋波電壓與動態(tài)響應(yīng)時間，折中選擇，取0.2nF。

電流檢測：采用霍爾傳感器，在PFC電路中，檢測升壓電感的平均電流，形成平均電流負(fù)反饋；DC-DC電路中，檢測變壓器原邊電流，所得到的交流信號轉(zhuǎn)化為直流信號并通過 RC濾波器消除噪聲尖峰后，形成峰值電流負(fù)反饋。

2.2 控制電路

PFC級與 DC-DC級的控制回路獨立設(shè)計，基于UCC38510芯片實現(xiàn)。兩控制回路均采用于雙閉環(huán)控制，電流內(nèi)環(huán)分別為平均電流控制模式與峰值電流模式。

對于電壓外環(huán)，電流內(nèi)環(huán)可看作比例環(huán)節(jié)，電壓環(huán)控制對象是壓控電流源對輸出電容充電，為一階系統(tǒng)。確定了控制對象，即可根據(jù)性能指標(biāo)，進(jìn)行調(diào)節(jié)器的設(shè)計。電壓環(huán)調(diào)節(jié)器可采用常規(guī)零、極點補(bǔ)償（PI調(diào)節(jié)器加極點）的方法進(jìn)行設(shè)計。合理配置零、極點，提高低頻增益并抑制高頻干擾，以取得良好的動、穩(wěn)態(tài)性能。

在PFC控制電路中，電流內(nèi)環(huán)的控制對象，是僅包含電感電流的一階系統(tǒng)，所以電流調(diào)節(jié)器同樣可采用PI調(diào)節(jié)器實現(xiàn)。電壓外環(huán)的截止頻率設(shè)定為20Hz，遠(yuǎn)小于正弦半波頻率100Hz。電流內(nèi)環(huán)截止頻率設(shè)計為2kHz，遠(yuǎn)小于60kHz的開關(guān)頻率。

PWM級控制回路：電壓外環(huán)的截止頻率為1kHz，遠(yuǎn)小于電流內(nèi)環(huán)的60kHz。芯片內(nèi)部未提供電壓外環(huán)所需的放大器，需在芯片外部配置相應(yīng)的器件。由于芯片只輸出主開關(guān)管驅(qū)動信號，所以應(yīng)用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器配置外圍電路，產(chǎn)生輔助開關(guān)管的驅(qū)動信號。

需要注意的是，芯片的信號地直接與強(qiáng)電地相連。電壓調(diào)節(jié)器的輸出信號，經(jīng)過隔離后，才能作為PWM級電流比較器的給定信號。

3 試驗結(jié)果

所設(shè)計的軟開關(guān)高功率因數(shù)電源，交流輸入側(cè)電流波形如圖 2所示。PWM級電路主開關(guān)管的驅(qū)動、漏源電壓波形如圖3所示。根據(jù)圖2所示波形，裝置輸入電流為近似完美正弦波形，達(dá)到提高功率因數(shù)目的。根據(jù)圖3所示波形，在開關(guān)管導(dǎo)通過程中，在驅(qū)動信號發(fā)出之前，開關(guān)管漏源電壓已降至零，實現(xiàn)了開關(guān)管的零電壓開通。

圖2 輸入電流波形

圖3 主開關(guān)管的驅(qū)動、漏源電壓波形

4 結(jié)論

基于UCC38510芯片，應(yīng)用有源箝位技術(shù)，設(shè)計軟開關(guān)高功率因數(shù)直流電源，可有效提高電源的效率與電磁兼容性能力，降低諧波污染與開關(guān)損耗，并簡化控制回路的設(shè)計，有良好的應(yīng)用前景。

[1]Milan M. Jovanovic, Yungtaek Jang. State-of-the-Art,Single-Phase, Active Power-Factor-Correction Techniques for High-Power Applications—An Overview. IEEE Trans.on Power Electronics, 2005, 52(3):701-708

[2]Lon-Kou Chang, Hsing-Fu Liu. A Novel Forward AC/DC Converter With Input Current Shaping and Fast Output Voltage Regulation Via Reset Winding. IEEE Trans. on Power Electronics, 2005, 52(1):125-131

[3]Claudio Manoel C. Duarte, Ivo Barbi. A Family of ZVS-PWM Active-Clamping DC-to-DC Converters:Synthesis, Analysis, Design, and Experimentation, IEEE Trans. on Circuits and Systems –?˙Ⅰ: Fundamental Theory and Applications, 1997, 44(8): 698-704

[4]Chang-Ming Liaw, Thin-Huo Chen. A Soft-Switching Mode Rectifier with Power Factor Correction and High Frequency Transformer Link . IEEE Trans. on Power Electronics, 2000, 15(4):644 - 654 .