基于PFC和軟開關(guān)的大功率開關(guān)電源探討

辛兆陽

摘 要：隨著電子技術(shù)的發(fā)展，人們對大功率、高性能的開關(guān)電源的需求也越來越多。而利用功率因素校正（PFC）技術(shù)和軟開關(guān)技術(shù)進(jìn)行大功率開關(guān)電源的設(shè)計(jì)，則可以滿足開關(guān)電源的發(fā)展需要。因此，基于這種認(rèn)識，文章對基于PFC和軟開關(guān)的大功率開關(guān)電源系統(tǒng)進(jìn)行了闡述。并在此基礎(chǔ)上，對PFC電路、軟件開關(guān)變換器和輔助電路的設(shè)計(jì)問題進(jìn)行了研究，以便完成對大功率開關(guān)電源的設(shè)計(jì)問題的探討。

關(guān)鍵詞：PFC；軟開關(guān)；大功率開關(guān)電源

引言

在進(jìn)行電力電子裝置的設(shè)計(jì)時(shí)，通過使系統(tǒng)具有較高的功率因素，可以使電網(wǎng)的諧波污染得到有效減少。而PFC技術(shù)和軟開關(guān)技術(shù)的運(yùn)用，則可以使系統(tǒng)開關(guān)損耗得以減少，以便進(jìn)行系統(tǒng)的整體輸出效率的提升。因此，有必要對基于PFC和軟開關(guān)的大功率開關(guān)電源進(jìn)行研究，以便更好的進(jìn)行PFC技術(shù)和軟開關(guān)技術(shù)的應(yīng)用。

1 基于PFC和軟開關(guān)的大功率開關(guān)電源的系統(tǒng)概述

從系統(tǒng)構(gòu)成上來看，基于PFC和軟開關(guān)的大功率開關(guān)電源應(yīng)該由三個(gè)部分組成，即電源主電路、電源控制電路和機(jī)箱。其中，機(jī)箱既可以起到固定電源的作用，同時(shí)也可以起到一定的屏蔽作用。而電源主電路的設(shè)計(jì)，則主要需要負(fù)責(zé)進(jìn)行電源功率的轉(zhuǎn)換。而進(jìn)行主電路的控制，則可以將市電轉(zhuǎn)化成需要的電壓或電流。此外，系統(tǒng)的控制電路需要為主電路提供控制脈沖，并為主電路提供保護(hù)功能。所以，系統(tǒng)的各個(gè)部分既具有相輔相成的關(guān)系，同時(shí)也是一個(gè)統(tǒng)一的整體。

在進(jìn)行電源主電路設(shè)計(jì)時(shí)，電路包含電網(wǎng)濾波、整流橋和PFC電路等多個(gè)部分。在交流電流流入到主電路后，整流模塊將使交流電變成直流電，并利用PFC電路將脈動的直流電變成平滑直流電。同時(shí)，PFC電路需要使網(wǎng)側(cè)電流成為正弦波。在功率開關(guān)橋通過濾波將直流電轉(zhuǎn)變成高頻方波電壓后，該電壓將通過高頻變壓器傳至變壓器副邊[1]。最后，高頻方波電壓整流濾波將通過整流濾波電路轉(zhuǎn)變成直流電壓或電流。

控制電路的設(shè)計(jì)，需要完成為主電路提供驅(qū)動脈沖的任務(wù)。作為整個(gè)電源系統(tǒng)的核心，控制電路需要進(jìn)行系統(tǒng)裝置的控制，并進(jìn)行相應(yīng)保護(hù)功能的實(shí)現(xiàn)。所以，控制電路應(yīng)具有驅(qū)動電路、保護(hù)電路和輔助電源電路等多個(gè)電路。此外，在電源有特殊要求的情況下，還要進(jìn)行特定功能電路的加裝。

2 大功率開關(guān)電源的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 PFC電路設(shè)計(jì)

在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，系統(tǒng)的二極管整流電路輸入電流中含有大量諧波，無法滿足電路的功率因素要求。所以，需要進(jìn)行PFC電路的設(shè)計(jì)，以便進(jìn)行功率因素校正技術(shù)的應(yīng)用。而UC3854是一種有源功率因素校正專用控制電路，具有升壓變換器校正功率因素需要的一系列控制功能。所以，在進(jìn)行PFC電路設(shè)計(jì)時(shí)，可以采用UC3854作為電路的主要控制芯片。從電路組成上來看，PFC電路主要由兩部分構(gòu)成，即以UC3854為核心的控制電路和升壓變換器主電路。其中，升壓變換器電路由整流橋、升壓電感、隔離二極管和濾波電容等結(jié)構(gòu)組成。在電流持續(xù)狀態(tài)下，輸入與輸出電壓比將對脈沖占空比起到?jīng)Q定性的影響，以便使電路噪聲降低至最小。

在進(jìn)行主電路設(shè)計(jì)時(shí)，需要較好的完成對各個(gè)元器件的選擇。一方面，升壓電感對于電力特性、效率和作用有著重要的影響，所以需要恰當(dāng)?shù)倪M(jìn)行電感器的選擇。具體來講，就是根據(jù)電網(wǎng)電壓最低負(fù)載進(jìn)行電感電流最大峰值的確定，并利用AP法進(jìn)行電感材料的選擇[2]。另一方面，在進(jìn)行輸出電容器選擇時(shí)，需要考慮輸出電壓大小、電容允許通過電流值和串聯(lián)電阻大小等多種因素。同時(shí)，還需要根據(jù)穩(wěn)壓電源要求進(jìn)行電容容量的確定，以便確保電容具有足夠的放電維持時(shí)間。

2.2 軟開關(guān)變換器設(shè)計(jì)

在進(jìn)行軟開關(guān)變換器設(shè)計(jì)時(shí)，需要完成對主電路拓?fù)涞倪x擇，并進(jìn)行變壓器、開關(guān)元件、輸出濾波電路和諧振電感等多方面內(nèi)容的設(shè)計(jì)。首先，在進(jìn)行主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇時(shí)，需要考慮變壓器原邊電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并考慮其應(yīng)用范圍。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，可以將DC/DC變換器的輸出功率設(shè)定為3.8kw，并按照功率范圍選擇正激、半橋等電路。而由于DC/DC變換器的輸入電壓為PFC電路所提供，所以相對較為穩(wěn)定，不需要考慮偏磁問題[3]。其次，在進(jìn)行高頻變壓器設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮能量轉(zhuǎn)換、電壓變換等問題。作為變換器的核心元件，變壓器的好壞直接影響著開關(guān)電源的可靠性。就目前來看，變壓器的設(shè)計(jì)可以按照一定的步驟來進(jìn)行。具體來講，就是依次完成對變壓器匝比、磁芯、繞組匝數(shù)、繞組導(dǎo)體截面面積和變壓器分布參數(shù)的計(jì)算或分析。此外，在進(jìn)行開關(guān)元件的選擇時(shí)，需要考慮到開關(guān)速度和電路簡潔性問題。

2.3 輔助電路設(shè)計(jì)

為了確保系統(tǒng)的正常運(yùn)行，還要進(jìn)行輔助電路的設(shè)計(jì)。而從結(jié)構(gòu)上來看，輔助電路主要包含兩部分，即輔助電源和保護(hù)電路。一方面，在進(jìn)行輔助電源設(shè)計(jì)時(shí)，需要為PFC控制電路、移相全橋變換器控制電路等多個(gè)電路配備電源。而采用開關(guān)電源技術(shù)進(jìn)行輔助電源的設(shè)計(jì)，則可以使輔助電源適應(yīng)系統(tǒng)的電壓變化和負(fù)載變化，以便為系統(tǒng)各電路提供直流穩(wěn)壓電源。此外，在進(jìn)行輔助電源電路設(shè)計(jì)時(shí)，則可以采用外接元件較少的PWM集成控制器進(jìn)行電路的控制，以便使電路得到一定程度的簡化。另一方面，在進(jìn)行保護(hù)電路的設(shè)計(jì)時(shí)，需要進(jìn)行輸入過壓、輸入欠壓、輸出過壓保護(hù)和超溫保護(hù)電路的設(shè)計(jì)，以便為系統(tǒng)電路提供更多的保護(hù)。而保護(hù)電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)電路相類似，但是需要完成對電路故障的檢測。在出現(xiàn)故障時(shí)，保護(hù)電路的檢測信號電壓將大于給定電壓[4]。而保護(hù)電路將進(jìn)行低電平的輸出，并進(jìn)行保護(hù)信號的輸出，以便為系統(tǒng)電路提供保護(hù)。

3 結(jié)束語

總而言之，基于PFC和軟開關(guān)的大功率開關(guān)電源應(yīng)該由電源主電路、電源控制電路和機(jī)箱這三個(gè)部分組成。而為了使開關(guān)穩(wěn)壓電源具有較高的性能和較大的功率，則需要進(jìn)行高功率因素的變換器電路和軟開關(guān)變換電路的設(shè)計(jì)。此外，為了給電源提供一定的保護(hù)，還要進(jìn)行輔助電路的設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)

[1]文立群，肖強(qiáng)暉.基于UC3846的有源嵌位單級PFC開關(guān)電源[J].湖南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，2（28）：52-55.

[2]黃沖沖.基于軟開關(guān)技術(shù)直流開關(guān)電源的研究[D].西安科技大學(xué)，2012.

[3]師洪濤，王金梅，趙秀芬.基于三相雙開關(guān)PFC電路的高功率因數(shù)軟開關(guān)電源[J].電測與儀表，2011，1（48）：59-63.

[4]余莉娜.基于PFC的LED驅(qū)動電源研究與實(shí)現(xiàn)[D].電子科技大學(xué)，2013.