寬電壓范圍輸入PFC電路的研究

張雨心 宋連慶 張瑞國(guó)

摘要：該文針對(duì)如何實(shí)現(xiàn)90V～400V的交流電壓向600V直流電壓轉(zhuǎn)換的問題，研究了一種適用于寬電壓范圍輸入的功率因數(shù)校正電路。文中介紹了第三代半導(dǎo)體器件——氮化鎵器件，并對(duì)PFC電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)——boost電路的工作原理進(jìn)行了闡述和分析。然后對(duì)電路中的關(guān)鍵器件的參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。最終通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了電路的可行性，表明該電路適用于寬電壓范圍輸入的功率因數(shù)校正電路。

關(guān)鍵詞：功率因數(shù)校正；寬電壓范圍輸入；boost電路

中圖分類號(hào)：TM46 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2019）06-0234-03

Wide Voltage Range Input PFC Circuit Research

ZHANG Yu-xin， SONG Lian-qing， ZHANG Rui-guo

（School of Electronic Information， Xian Polytechnic University， Xian 710048， China）

Abstract： In this paper， a power factor correction （PFC） circuit suitable for wide voltage range input is studied to realize the conversion from 90V～400V AC voltage to 600V DC voltage.This paper introduces the 3rd generation semiconductor devices—GaN devices， and describes and analyzes the working principle of boost circuit， which is the topological structure of PFC circuit.Then the parameters of the key components in the circuit are designed.Finally， the feasibility of the circuit is verified by experiments， indicating that the circuit is suitable for power factor correction circuit with wide range voltage input.

Key words： PFC； wide range voltage； boost circuit

隨著我國(guó)現(xiàn)代化事業(yè)發(fā)展的腳步，各行各業(yè)的自動(dòng)化水平都在不斷地提高，用電設(shè)備的數(shù)量飛速增長(zhǎng)帶來用電量的大幅上升，使得電源的轉(zhuǎn)換效率成為新時(shí)代下衡量開關(guān)電源質(zhì)量的重要指標(biāo)。另外，在偏遠(yuǎn)不發(fā)達(dá)地區(qū)，由于電網(wǎng)電壓不穩(wěn)定，電壓范圍會(huì)在90V～400V之間變動(dòng)，并且電路中的諧波含量很高，這都會(huì)對(duì)用電設(shè)備的安全帶來威脅。為了研制出一種具有普遍適用性和高效穩(wěn)定的開關(guān)電源，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種寬電壓輸入的功率因數(shù)校正電路。這不僅解決了給用電設(shè)備提供穩(wěn)定電壓的問題，也減小了電網(wǎng)與用電設(shè)備之間的互相干擾，對(duì)提高我國(guó)電網(wǎng)電能的質(zhì)量具有重要意義。

1 功率因數(shù)校正電路與功率開關(guān)管的選擇

1.1功率因數(shù)校正電路的選擇

功率因數(shù)校正即Power Factor Correction，縮寫為PFC。PFC電路的作用為：可用于對(duì)輸入電流有效校正， 降低系統(tǒng)中電流諧波分量，有效校正輸入端PF；可用于對(duì)電壓進(jìn)行一級(jí)調(diào)整， 為 DC/DC 變換電路設(shè)計(jì)和調(diào)節(jié)提供更大便利。功率因數(shù)校正電路分為無源功率因數(shù)校正和有源功率因數(shù)校正。填谷式PFC電路是一種典型的無源功率因數(shù)校正電路，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠、電磁兼容性良好、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。但它同時(shí)又具有體積重量大、功率因數(shù)不高、輸出電壓低等明顯缺陷。為解決無源功率因數(shù)校正電路的這些缺點(diǎn)，學(xué)界提出了利用有源電力電子器件的有源功率因數(shù)校正電路。有源功率因數(shù)校正電路根據(jù)不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可分為Boost PFC電路、Buck PFC電路、Buck-Boost PFC電路、Cuk PFC電路等[1]。這些電路拓?fù)涞墓β拭芏群凸β室驍?shù)相比無源功率因數(shù)電路都得到了大大提高。

本文設(shè)計(jì)的PFC電路需要將90～400V交流電壓轉(zhuǎn)換成600V的直流電壓，由于boost PFC電路可以使輸出電壓高于輸入電壓，所以boost PFC比較適合設(shè)計(jì)要求。經(jīng)過這么多年的發(fā)展，boost PFC電路已經(jīng)得到全面的優(yōu)化，成為業(yè)界最受歡迎的PFC拓?fù)潆娐贰?/p>

Boost PFC電路的優(yōu)點(diǎn)如下：（1）輸入電感的存在降低了系統(tǒng)內(nèi)部的電磁干擾，還減少了系統(tǒng)與電網(wǎng)的相互影響；（2）電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制電路相對(duì)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)成本低；（3）功率開關(guān)器件的端電壓最大值不高于輸出電壓；（4）輸入電壓可在較大范圍上下波動(dòng)，對(duì)頻率的要求不高。因此，本設(shè)計(jì)選用boost PFC電路作為基本拓?fù)潆娐贰?/p>

1.2功率開關(guān)管的選擇

目前，電力電子變換器中普遍采用Si基功率器件，然而硅電力電子器件經(jīng)過近60年的長(zhǎng)足發(fā)展，性能已經(jīng)趨近其理論極限，通過器件原理的創(chuàng)新、結(jié)構(gòu)的改善及制造工藝的進(jìn)步已經(jīng)難以大幅度提升其總體性能，不能滿足下一代電力電子變換器高溫、高壓、高頻、高效和高功率密度的要求，逐漸成為制約未來電力電子技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸之一?；谛滦蛯捊麕О雽?dǎo)體材料的電力電子器件具有更優(yōu)越的性能，成為功率器件的研究熱點(diǎn)。

通常我們將半導(dǎo)體材料分為三代。第一代半導(dǎo)體材料是以硅、鍺為代表的基礎(chǔ)性傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料；第二代半導(dǎo)體材料是以砷化鎵、磷化銦為代表的化合型半導(dǎo)體材料；第三代半導(dǎo)體材料是以氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）為代表的一些寬禁帶半導(dǎo)體材料。其中第三代半導(dǎo)體材料具有以下特點(diǎn)：臨界擊穿電場(chǎng)高、飽和電子速度高、電子密度高、電子遷移率高級(jí)熱導(dǎo)率高，因此成為一種適用于高頻、高壓、高溫、大功率的半導(dǎo)體材料。