無橋Boost PFC軟開關電路的研究

黃忠威

(廣西大學電氣工程學院，廣西南寧530004)

無橋Boost PFC軟開關電路的研究

黃忠威

(廣西大學電氣工程學院，廣西南寧530004)

常規(guī)Boost PFC電路隨著輸出功率的增加，整流橋上的損耗嚴重制約了電路效率的提高。針對這種情況，研究了一種無整流橋的軟開關Boost PFC電路，用于提高電路的整體效率?；谄骄娏骺刂颇Ｊ?，通過電壓與電流的雙閉環(huán)控制，實現(xiàn)高功率因數(shù)以及恒壓輸出。并在無橋Boost PFC電路中，采用無源無損吸收技術，抑制開關管關斷過程中的，增強電路的抗干擾能力。設計并制作了一臺800 W的實驗樣機，并做了相關的測試。實驗結果表明：電路實現(xiàn)了高功率因數(shù)，開關管關斷過程中明顯降低，電路的整體效率得到提高。

功率因數(shù)；無橋Boost PFC電路；軟開關；無源無損吸收技術

大量電力電子設備的廣泛應用，造成公用電網(wǎng)的諧波污染，嚴重影響了電網(wǎng)的電能利用率，因此，發(fā)展綠色、高效率電力電子設備符合社會發(fā)展的需求。目前，功率因數(shù)校正技術(PFC)是解決電網(wǎng)諧波污染最行之有效的方法，可分為無源PFC技術和有源PFC技術。無源PFC技術采用電感、電容等無源器件對電路進行補償，提高電路的功率因數(shù)，但是，電路的體積大、質(zhì)量重，功率因數(shù)提高的效果不顯著。有源PFC技術通過控制有源開關器件的工作，可以實現(xiàn)單位功率因數(shù)，而且具有體積小、質(zhì)量輕及效率高等優(yōu)點，因此，被廣泛應用于通信、計算機以及照明等領域的電源管理模塊中，有效提高電源裝置的功率因數(shù)。

在高功率場合，常規(guī)有橋式PFC電路的整流橋損耗占電路損耗的比重大，隨著電路輸出功率的增加，整流橋損耗增大，電路效率降低。相比于常規(guī)Boost PFC電路，無橋Boost PFC電路[1-3]無需輸入整流橋堆，不存在整流橋的通態(tài)損耗，電路的整體效率高。但是，無橋Boost PFC電路的開關管仍為硬開關工作狀態(tài)，開關管的電壓變化率大。因此，在無橋Boost PFC電路中，引入無源無損吸收電路[4-5]，通過無源器件電感與電容的諧振作用降低開關管電壓的變化率，提高電路的效率。

本文基于無橋Boost PFC電路，采用平均電流控制模式實現(xiàn)電壓與電流雙閉環(huán)控制，獲得高功率因數(shù)，同時提高了電路的整體效率，電路的控制核心是平均電流模式控制芯片UC3854BN。最后，設計并制作了一臺400 V/800 W的實驗樣機，并對樣機進行了調(diào)試，給出了相應的實驗結果。

1 電路工作原理與設計

圖1為無橋Boost PFC軟開關電路的主電路結構，其中，為開關管，兩個開關管驅(qū)動信號一致。為電感，為二極管，為輸出電容，為負載，與為高頻濾波電容，虛線框中的電路結構為開關管與的無源無損吸收網(wǎng)絡。

圖1 無橋Boost PFC軟開關電路拓撲

1.1主電路的工作原理

在一個工頻電壓周期內(nèi)，將無橋Boost PFC電路分為正半周和負半周工作狀態(tài)，電路的具體工作過程為：

(1)輸入電壓為正電壓時，電路處于正半周狀態(tài)，此時，開關管2、二極管以及電感不工作，當開關管開通時，二極管關斷，輸入電流從電源正端經(jīng)、以及流回電源負端，電感起儲存能量的作用；

(3)輸入電壓為負電壓時，電路處于負半周狀態(tài)，此時，開關管、二極管以及電感不工作，當開關管開通時，二極管關斷，輸入電流從電源負端經(jīng)電感、以及二極管流回電源正端，電感起儲存能量的作用；

1.2 無源無損吸收網(wǎng)絡的工作過程

利用電容電壓不能突變的原理，在開關管的兩端并上吸收電容，降低開關管關斷時電壓的變化速率。然后，通過電感與電容的諧振作用，將存儲在電容上的能量轉(zhuǎn)移到輸出負載上，整個過程不消耗能量。在一個開關周期內(nèi)，將開關管的無損吸收網(wǎng)絡分為5個不同的工作模態(tài)，如圖2所示。無源網(wǎng)絡的具體工作過程為：

圖2 無源吸收網(wǎng)絡的工作模態(tài)

1.3 控制環(huán)路的設計

無橋Boost PFC軟開關電路為電壓與電流的雙閉環(huán)控制，控制核心為平均電流控制芯片UC3854BN。在進行電路設計時，應使電流內(nèi)環(huán)的截止頻率遠慢于電路的開關頻率。此時，電路控制結構可以等效為一個受控電流源對輸出電容充電，如圖3所示。

圖3 電路的等效控制結構

1.4 電路實現(xiàn)

本文設計并制作了一臺輸出功率為800 W的無橋Boost PFC軟開關電源裝置，裝置的性能指標為：輸入電壓范圍為150～250 V/AC，輸出電壓為400 V/DC，輸出功率為800 W，功率因數(shù)>0.98，開關頻率為100 kHz。電路參數(shù)的選型為：

(4)無損吸收網(wǎng)絡電感與電容的諧振頻率應遠快于開關頻率，本文設置為500 kHz，則電容、的容值為4 700 pF；電容、的容值為7 500 pF；電感、的電感量為14 μH，二極管～選取反向恢復時間短的MUR460快恢復二極管，最大反向恢復時間為50 ns，遠遠快于電路的諧振周期；

(5)在進行環(huán)路設計時，按先內(nèi)環(huán)再外環(huán)的設計方法，電流內(nèi)環(huán)的截止頻率取10 kHz，為開關頻率的十分之一，電壓外環(huán)截止頻率取15 Hz，遠慢于電流環(huán)截止頻率。

2 實驗結果

圖4為無橋Boost PFC軟開關電路校正前的輸入電壓與電流波形，在校正前，輸入電流的波形為窄小的高幅值電流尖峰，電流畸變率高，并且輸入電壓與電流的相位不同。因此，校正前裝置的功率因數(shù)較低。

圖4 校正前的輸入電壓與電流波形

圖5為無橋Boost PFC軟開關電路校正后的輸入電壓與電流波形，校正后，輸入電流波形為50 Hz標準的正弦波，并與電壓相位相同，電流畸變率小。因此，校正后裝置的功率因數(shù)高，實驗室測試達到0.98以上。

圖6為負載發(fā)生變化時輸入電壓與電流的波形，當電路的負載發(fā)生跳變時，電路的輸入電流可以很好地跟隨輸入電壓。

3 結論

本文基于平均電流控制模式方法及無源無損吸收技術，設計并制作了一臺800 W的無橋Boost PFC軟開關電源裝置，實現(xiàn)了高功率因數(shù)，提高了電路的整體效率，并且有效抑制了開關管關斷時的速率，降低了開關管損耗，增強了電路的抗干擾能力。目前，無橋Boost PFC軟開關電路可廣泛應用于通信、計算機與照明領域，具有很大的發(fā)展及應用前景。

圖5 校正后的輸入電壓與電流波形

圖6 負載變化時的輸入電壓與電流波形

圖7 開關管的驅(qū)動電壓與漏源極電壓波形

[1]王慧貞，張軍達.一種新型無橋Boost PFC電路[J].電工技術學報，2010，25(5)：109-115.

[2]JANG Y，JOVANOVIM M.Bridgeless high power factor buck converter[J].IEEE Trans Power Electron，2011，26(2):602-611.

[3]李鎮(zhèn)福，林維明.一種改進的無橋Boost功率因數(shù)校正電路[J].電力電子技術，2012，46(2)：96-98.

[4]戴志平，賴向東，譚秀云，等.具有最小電壓應力的無源無損軟開關的設計方法[J].電力電子技術，2000(5)：26-39.

[5]杜忠，陳治明，嚴百平.一種基于Boost的無源無損吸收方法[J].電工技術學報，2003，18(4)：35-40.

Research of bridgeless Boost PFC soft-switching circuit

A soft-switching bridgeless Boost PFC circuit was proposed to improve the circuit efficiency.Based on the average current control method， high power factor and constant voltage output were implemented by the double closed loop control of output voltage and current.The passive lossless snubber technology was employed to reduce the switching stress，and the anti-interference ability of the circuit was enhanced.An 800 W experiment prototype was designed and developed， and the relevant experimental results reveal that the high power factor was implemented，the switching stress was decreased，and the circuit efficiency was improved significantly.

power factor;bridgeless Boost PFC circuit;soft-switching;passive lossless snubber technology

TM 13

A

1002-087 X(2016)04-0903-03

2015-09-12

黃忠威(1987—)，男，廣西壯族自治區(qū)人，碩士，主要研究方向為電力電子技術。