基于交錯(cuò)并聯(lián)Boost PFC電路的開關(guān)電源設(shè)計(jì)

李炳榮，林春景，龍諾春

（廣東白云學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，廣東 廣州 510450）

0 引 言

開關(guān)電源在效率和節(jié)能方面相比于線性穩(wěn)壓電源有著顯著優(yōu)勢(shì)，但仍存在對(duì)電網(wǎng)造成污染、噪聲大以及結(jié)構(gòu)復(fù)雜等缺點(diǎn)。電子設(shè)備對(duì)供電電源的要求越來(lái)越高，直接推動(dòng)了開關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展。它的發(fā)展趨勢(shì)主要包括低噪聲、高效率、高可靠性、小型化、輕型化、薄型化以及高頻化等[1]?；诮诲e(cuò)并聯(lián)Boost功率因數(shù)校正（Power Factor Correction，PFC）和半橋諧振變換器的開關(guān)電源能夠很好地解決傳統(tǒng)電源存在的問(wèn)題，滿足當(dāng)前對(duì)電源性能要求較高的電子設(shè)備的需求，使電子設(shè)備更加安全可靠的工作，且具有綠色、節(jié)能以及高效等優(yōu)點(diǎn)，可為大功率長(zhǎng)時(shí)間工作的云計(jì)算設(shè)備高效供電，保障大功率民用或工業(yè)用電設(shè)備的穩(wěn)定可靠運(yùn)轉(zhuǎn)[2]。

1 電源設(shè)計(jì)方案

1.1 設(shè)計(jì)參數(shù)和要求

電子產(chǎn)品、工業(yè)設(shè)備及家用電器基本均采用開關(guān)電源供電。尤其是在計(jì)算機(jī)、服務(wù)器以及通信領(lǐng)域，開關(guān)電源有著廣泛應(yīng)用，且對(duì)電源性能有著較高要求。下面以云計(jì)算設(shè)備為例，提出開關(guān)電源的性能指標(biāo)，并探討滿足要求的設(shè)計(jì)方案和實(shí)現(xiàn)方法。開關(guān)電源的主要設(shè)計(jì)指標(biāo)如表1所示。

表1 開關(guān)電源主要設(shè)計(jì)指標(biāo)

1.2 電源設(shè)計(jì)總體方案

根據(jù)開關(guān)電源的參數(shù)指標(biāo)要求，電路擬由5部分實(shí)現(xiàn)，即電磁干擾（Electromagnetic Interference，EMI）整流濾波電路、交錯(cuò)并聯(lián)Boost PFC電路、半橋諧振變換器、次級(jí)控制電路以及直流輸出電路[3]。第1部分是EMI整流濾波電路，作用是防雷擊、濾除共模信號(hào)以及差模信號(hào)，防止浪涌電流過(guò)大，經(jīng)過(guò)整流橋和大電容將交流電轉(zhuǎn)換成直流電。第2部分是PFC電路，采用交錯(cuò)并聯(lián)Boost PFC電路。在低負(fù)載時(shí)，功率因數(shù)比單級(jí)的PFC電路高，能夠滿足大功率電源的需求。第3部分是DC/DC變換器電路，采用半橋諧振變換器進(jìn)行能量的轉(zhuǎn)換。第4部分是次級(jí)控制電路，主要是脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）波的產(chǎn)生、調(diào)節(jié)以及環(huán)路反饋。PWM控制電路產(chǎn)生PWM波驅(qū)動(dòng)開關(guān)管的開通和關(guān)閉。環(huán)路反饋電路采樣輸出電流和電壓，通過(guò)與控制集成芯片（Integrated Circuit，IC）內(nèi)部設(shè)定的參考值進(jìn)行比較調(diào)節(jié)PWM波的占空比，從而調(diào)節(jié)電壓的穩(wěn)定輸出。第5部分是DC輸出電路，主要是同步整流、Oring電路以及濾波電路，最終得到穩(wěn)定的直流電壓輸出。開關(guān)電源的設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 開關(guān)電源設(shè)計(jì)框圖

1.3 電源電路設(shè)計(jì)

1.3.1 EMI濾波整流電路設(shè)計(jì)

EMI電路在電源中的主要功能是過(guò)濾電磁波，阻止電子產(chǎn)品工作產(chǎn)生的電磁波向外界發(fā)射，而給其他裝置及設(shè)施造成影響。如圖2所示，EMI電路由保險(xiǎn)絲、壓敏電阻、X電容器、共模電感、Y電容以及熱敏電阻等構(gòu)成。保險(xiǎn)絲T4AL的主要功能是保證電氣設(shè)備不受到大電流或溫度過(guò)熱等影響。壓敏電阻VX1主要用于集成電路的瞬態(tài)電流保護(hù)，相當(dāng)于一種開關(guān)。當(dāng)電流超過(guò)閾值時(shí)，由于壓敏電阻VX1的阻值無(wú)窮小，會(huì)增加通過(guò)的電流，而對(duì)其他電路影響不大，從而降低過(guò)電流對(duì)后續(xù)敏感電路的危害。X電容CX1與CX2的主要功能是過(guò)濾差模干擾。共模電感LX1與LX2的主要功能是過(guò)濾共模的電磁干擾信號(hào)。Y電容CY1與CY2的主要作用是濾除共模干擾[4]。熱敏電阻NT1用于抑制浪涌電流，整流橋BD1將交流電轉(zhuǎn)化成直流電。

圖2 EMI濾波整流電路

1.3.2 PFC電路設(shè)計(jì)

PFC電路的主要任務(wù)是改善開關(guān)電源有功功率與視在功率的比值，是開關(guān)電源中應(yīng)用較多的電路之一。不帶PFC的開關(guān)電源輸入端的功率因數(shù)只有0.4～0.6，而帶PFC的開關(guān)電源特別是主動(dòng)式功率因數(shù)校正，輸入端的功率因數(shù)在0.9以上，能夠減少諧波電流對(duì)電網(wǎng)的危害。目前，常見的功率因數(shù)校正又分為被動(dòng)式和主動(dòng)式兩種。被動(dòng)式只含有無(wú)源元件的濾波器，雖然可以節(jié)省成本，但是其校正效果遜于主動(dòng)式功率因數(shù)校正。主動(dòng)式功率因數(shù)校正稱為有源功率因數(shù)校正，能夠調(diào)節(jié)負(fù)載的輸入電壓與電流的相位，功率因數(shù)可以達(dá)到0.9以上。

PFC電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)常采用Boost電路，電路基本工作原理如圖3所示。首先開關(guān)管Q2導(dǎo)通，輸入電流通過(guò)開關(guān)管給電感L充電，負(fù)載R的能量由電容C提供。當(dāng)開關(guān)管Q2關(guān)斷時(shí)，電感L釋放能量，通過(guò)二極管D給電容充電，同時(shí)給輸出負(fù)載R提供能量。

圖3 Boost PFC電路工作原理

Boost進(jìn)行功率因數(shù)校正是與控制芯片的負(fù)反饋相聯(lián)系的。控制芯片通過(guò)分壓電阻檢測(cè)輸入時(shí)的電網(wǎng)電流和采樣電阻電流，通過(guò)比較兩個(gè)電流的差值控制開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間。功率因數(shù)校正電路通過(guò)控制輸入電流跟蹤輸入電壓的變化，不斷調(diào)節(jié)輸入電流波形，使其逼近輸入電壓正弦波，以達(dá)到接近1的功率因數(shù)。

交錯(cuò)并聯(lián)Boost PFC電路采用兩路單級(jí)Boost PFC電路并聯(lián)構(gòu)成的功率因數(shù)校正電路。工作時(shí)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)占空比大小一樣，交錯(cuò)導(dǎo)通，減小了開關(guān)管的電壓應(yīng)力。兩個(gè)開關(guān)管柵極的驅(qū)動(dòng)信號(hào)交錯(cuò)180°，有效減小了輸入電流紋波，使得EMI較小，降低了對(duì)輸入濾波器的要求[5]。

1.3.3 半橋LLC串聯(lián)諧振變換器電路設(shè)計(jì)

半橋邏輯鏈路控制（Logical Link Control，LLC）串聯(lián)諧振變換器可以實(shí)現(xiàn)功率器件軟開關(guān)，減少開關(guān)損耗，具有效率高、頻率高以及體積小等優(yōu)點(diǎn)[6]。半橋諧振變換器的主拓?fù)潆娐方Y(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 半橋諧振變換器結(jié)構(gòu)圖

開關(guān)管Q1和Q2輪流導(dǎo)通，PWM波留有一定的死區(qū)時(shí)間，防止兩個(gè)開關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通導(dǎo)致電路短路，占空比各占約50%。電容CQ1和CQ2分別是Q1和Q2的寄生電容，二極管DQ1和DQ2分別是Q1和Q2的體內(nèi)二極管。由Lr、Lm以及C1或C2構(gòu)成諧振網(wǎng)絡(luò)。C1和C2是分體諧振電容，電容容量相等，流過(guò)的電壓是輸入電壓的一半。Lr是諧振電感，Lm是變壓器的勵(lì)磁電感。次級(jí)采用全波整流濾波電路，負(fù)載為電阻R。

1.3.4 次級(jí)同步整流電路

次級(jí)同步整流電路以MOS管代替二極管來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此需要驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制MOS管導(dǎo)通和關(guān)閉，從而降低損耗。采樣同步整流管Q9、Q10、Q11以及Q12的內(nèi)阻Rds（on）兩端的電壓產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)，其中Q9和Q10并聯(lián)，Q11和Q12并聯(lián)。使用兩個(gè)MOS管并聯(lián)，以減小MOS管的內(nèi)阻Rds（on），從而減小MOS的導(dǎo)通損耗，提升效率。同步整流電路原理如圖5所示。

圖5 同步整流電路

1.3.5 反饋環(huán)路和驅(qū)動(dòng)電路

次級(jí)采用數(shù)字控制電路模式。反饋環(huán)路采樣電流和電壓值，通過(guò)邏輯代碼調(diào)節(jié)輸出電壓的穩(wěn)定性。將PWM信號(hào)進(jìn)行濾波和放大處理后，通過(guò)隔離變壓器傳遞到半橋諧振變換器驅(qū)動(dòng)MOS功率管。次級(jí)與初級(jí)一般采用變壓器進(jìn)行隔離，驅(qū)動(dòng)電路為初級(jí)的功率管提供驅(qū)動(dòng)功率。

2 開關(guān)電源電路關(guān)鍵技術(shù)分析

根據(jù)設(shè)計(jì)的開關(guān)電源電路，可以達(dá)到穩(wěn)定直流電壓輸出的功能。采用的交錯(cuò)并聯(lián)Boost PFC電路和半橋諧振變換器2個(gè)部分電路至關(guān)重要，下面對(duì)這2個(gè)部分的原理和流程進(jìn)行分析。

2.1 交錯(cuò)并聯(lián)Boost PFC電路的分析

圖6為交錯(cuò)并聯(lián)Boost PFC電路結(jié)構(gòu)，圖7為電感電流和MOS管的驅(qū)動(dòng)電壓波形。

圖6 交錯(cuò)并聯(lián)Boost PFC電路結(jié)構(gòu)圖

圖7 電流和驅(qū)動(dòng)電壓波形

將PFC設(shè)計(jì)為電感電流連續(xù)模式，MOS管Q1和Q2占空比相同，PWM波相位相差180°，交錯(cuò)導(dǎo)通[7]。

當(dāng)占空比大于0.5時(shí)，t0～t1期間，t=t0時(shí)，兩個(gè)MOS管均處于導(dǎo)通狀態(tài)，二極管均處于截止?fàn)顟B(tài)，電感L1和電感L2電流線性上升，負(fù)載由電容C供電；t1～t2期間，t=t1時(shí)，MOS管Q1持續(xù)導(dǎo)通，二極管D1仍然截止，Q2開始關(guān)斷，D2導(dǎo)通，由Vin和L2通過(guò)D2給電容C充電、向負(fù)載R供電；t2～t3期間，t=t2時(shí)，MOS管Q1保持導(dǎo)通，二極管D1保持截止，Q2由關(guān)斷到導(dǎo)通，D2開始截止，這時(shí)L1和L2電流線性上升，負(fù)載由電容C供電；t3～t4期間，t=t3時(shí)，MOS管Q2保持導(dǎo)通，二極管D2保持截止，Q1開始關(guān)斷，D1開始導(dǎo)通，由Vin和L1通過(guò)D1給電容C充電且向負(fù)載R供電，直到t=t4時(shí)刻，開始下個(gè)循環(huán)。

當(dāng)占空比小于0.5時(shí)，t0～t1期間，t=t0時(shí)，MOS管Q1導(dǎo)通，電感L1電流線性上升，二極管D1截止。Q2關(guān)斷，D2導(dǎo)通，由L2和Vin通過(guò)D2為電容C充電且向負(fù)載R供電；t1～t2期間，t=t1時(shí)，MOS管都處于關(guān)斷狀態(tài)，二極管都處于導(dǎo)通狀態(tài)，電感L1和電感L2通過(guò)D1、D2為電容C充電、向負(fù)載R供電；t2～t3期間，t=t2時(shí)，MOS管Q2導(dǎo)通，電感L2電流線性上升，二極管D2截止，Q1關(guān)斷，D1導(dǎo)通，由L1和Vin通過(guò)D1為電容C充電、向負(fù)載R供電；t3～t4期間，t=t3時(shí)，工作狀態(tài)和[t1-t2]期間一樣，直到t=t4時(shí)刻，開始下個(gè)循環(huán)。

2.2 半橋諧振變換器的分析與設(shè)計(jì)

根據(jù)半橋諧振變換器的諧振頻率，半橋諧振變換器可設(shè)計(jì)工作在f=fs、f＞fs以及fm＜f＜fs這3種工作模式下[8]。這3種模式中，變換器的控制原理基本相同，下面以fm＜f＜fs模式為例分析其工作原理。

當(dāng)諧振頻率fm＜f＜fs時(shí)，半橋諧振變換器分為6個(gè)工作階段，工作時(shí)電流、電壓波形如圖8所示。

圖8 電流、電壓波形

工作階段1：在t0～t1階段，t=t0時(shí)，S1和S2均處于關(guān)斷狀態(tài)，諧振電感電流給S1的寄生電容放電且體內(nèi)二極管導(dǎo)通，Vgs之間的電壓降至零。D1導(dǎo)通，將勵(lì)磁電感的電壓箝位，這時(shí)只有諧振電感LS和諧振電容CS參與諧振。

工作階段2：在t1～t2階段，t=t1時(shí)，S1在零電壓條件下導(dǎo)通，諧振電容充電，諧振電感電流和勵(lì)磁電感電流線性上升。在t=t2前，諧振電感電流開始下降，下降到諧振電感電流和勵(lì)磁電感電流相等時(shí)，初級(jí)停止向次級(jí)傳輸能量，D1截止。

工作階段3：在t2～t3階段，t=t2時(shí)，S1仍處于導(dǎo)通狀態(tài)，D1截止，勵(lì)磁電感的電壓被釋放，這時(shí)勵(lì)磁電感Lm參與到諧振中，由勵(lì)磁電感、諧振電感以及諧振電容組成諧振腔，直到S1關(guān)斷。

工作階段4：在t3～t4階段，t=t3時(shí)，S1和S2均關(guān)斷進(jìn)入死區(qū)時(shí)間，諧振電感電流給S2的寄生電容放電且體內(nèi)二極管導(dǎo)通，D2導(dǎo)通，將勵(lì)磁電感的電壓鉗位，這時(shí)諧振腔諧振電感LS和諧振電容CS參與諧振。

工作階段5：在t4～t5階段，t=t4時(shí)，S2在零電壓條件下導(dǎo)通，D2導(dǎo)通接到負(fù)載。勵(lì)磁電感電流由正變負(fù)，諧振電容放電。

工作階段6：在t5～t6階段，t=t5時(shí)，S2尚未關(guān)斷，D2電流為零，這時(shí)勵(lì)磁電感參與到諧振中，直到t=t6，S2關(guān)斷，下個(gè)循環(huán)開始。

根據(jù)Lm的工作狀態(tài)，計(jì)算半橋諧振變換器的工作頻率。

當(dāng)Lm不參與諧振時(shí)，諧振頻率只與諧振電感和諧振電容Cr有關(guān)，即

當(dāng)Lm參與諧振時(shí)，諧振頻率和諧振電感、諧振電容以及勵(lì)磁電感三者均有關(guān)系，即

3 整機(jī)測(cè)試

直流電源的輸出電壓和輸出電流中會(huì)存在紋波，且容易在用電設(shè)備上產(chǎn)生諧波，導(dǎo)致電源效率降低。較大的紋波會(huì)產(chǎn)生浪涌電流與電壓，燒毀電子設(shè)備。對(duì)于采用數(shù)字電路的電子設(shè)備，紋波將會(huì)影響其邏輯關(guān)系，產(chǎn)生噪聲干擾。因此，可以通過(guò)紋波和效率兩個(gè)主要性能指標(biāo)的測(cè)試，評(píng)價(jià)開關(guān)電源的功能和性能。

3.1 紋波測(cè)試

紋波的大小是1個(gè)判斷直流電源質(zhì)量好壞的標(biāo)準(zhǔn)。在直流電壓上含有交流電壓成分，稱之為電壓紋波。一般在次級(jí)電路上加濾波器，選擇等效串聯(lián)電阻（Equivalent Series Resistance，ESR）低的電容減小紋波。因?yàn)檩敵黾y波電壓只能減小不能完全濾除，所以紋波的存在不可避免。本設(shè)計(jì)對(duì)紋波的指標(biāo)要求是在輸入電壓為90 V/60 Hz、264 V/50 Hz以及不同負(fù)載下紋波小于120 mV，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 紋波測(cè)試結(jié)果

從測(cè)試結(jié)果可以看出，在低壓輸入和高壓輸入的情況下，紋波均隨著負(fù)載的增大而增大。

3.2 效率測(cè)試

效率測(cè)試主要是針對(duì)功率電路回路的測(cè)試。測(cè)試整機(jī)效率時(shí)，需要考慮通過(guò)交錯(cuò)并聯(lián)Boost PFC輸出供電的所有負(fù)荷情況。本設(shè)計(jì)對(duì)效率的指標(biāo)要求是在輸入交流電壓的范圍內(nèi)整機(jī)的效率大于85%。整機(jī)測(cè)試效率的結(jié)果如表3所示。

表3 整機(jī)測(cè)試效率結(jié)果

從測(cè)試結(jié)果可以看出，整機(jī)在輸入交流電壓的范圍內(nèi)，不同負(fù)載下，效率均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。無(wú)論低壓輸入還是高壓輸入，效率最高的點(diǎn)都是在半載情況下出現(xiàn)的。

3.3 輸出波形分析

輸出波形的測(cè)試結(jié)果如圖9所示。在寬電壓輸入條件下，性能指標(biāo)在規(guī)定范圍之內(nèi)。

圖9 輸出電壓紋波

4 結(jié) 論

從通信電源產(chǎn)品應(yīng)用的角度出發(fā)，以云計(jì)算設(shè)備要求的直流電源為例，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了1種高性能開關(guān)電源。對(duì)100～240 V范圍內(nèi)的交流電，采用Boost PFC電路轉(zhuǎn)變?yōu)?94 V直流電，同時(shí)采用串聯(lián)諧振的DC/DC變換器電路得到直流電壓輸出。該電源能夠解決普通直流電源在低電壓和大電流輸出時(shí)存在的缺點(diǎn)，提高了電源效率和功率因數(shù)。對(duì)開關(guān)電源基本的指標(biāo)測(cè)試表明，基于并聯(lián)交錯(cuò)Boost PFC和半橋諧振變換器的開關(guān)電源設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)的直流電源在PF值、紋波、效率以及負(fù)載調(diào)整率等主要性能方面均符合當(dāng)前多種用電設(shè)備的指標(biāo)要求。