高性能软开关功率因数校正电路的设计

这是一种无源的无损缓冲结构电路，其原理是：在S导通时,以L₁作为二极管的缓冲电感，把二极管反向恢复的能量存储到小电感L₁中，同时C₁放电，C₂充电，把C₁储能转移入C₂；在S关断时L₁的储能向C₁充电并通过二极管D₁，D₂，D₃把储能转移到C中，这时C₂也向C放电，通过调节L₁，C₁，C₂的参数并协调S的开关频率，由于电容（由主开关管的漏—源极分布电容C_DS或集电极—发射极分布电容C_CE和C₁组成）上的电压不能突变，当S关断瞬间V_C1约等于零，S可实现零电压关断。由于电感（由L₁和线路杂感组成）上的电流不能突变，当S导通时瞬间，i_L1约等于零，S可实现零电流导通。

此电路的PF为0.99左右，(AC/DC，V_DC=395V，P_o=2500W)，效率η=96％～97％，输入端几乎没有EMI，指标完全能达到并优于VDE A级标准。这种无源软开关升压电路性能优异，可靠性优于UC3855组成的有源软开关PFC电路，是智能高频化UPS和高频开关整流电源理想的输入级电路，具有很高的应用价值。

3 主要元器件的选择

3.1 Boost电感磁性材料的选择

早期，Boost电感磁性材料一般为铁氧体磁芯，如EE或EI等，通过加气隙δ来调节μ值，从而调节电感量,这种方法的成本相对较低，但L值的温度特性相对略差，而且气隙的漏磁会增加电磁干扰。现在，一般采用金属磁粉芯，如铁粉芯、铁镍粉芯、钼坡莫合金、铁硅铝合金、非晶合金等磁环。各种材料有各自的优缺点，如铁粉芯成本低而Q值、μ值的各种特性，如温度、线性等相对较差，铁镍粉芯次之，铁硅铝合金、钼坡莫合金相对较好但价格贵些，所以，PFC电感磁性材料采用铁硅铝合金磁环较好。

3.2 电感L值的计算

功率因数校正的前提条件是使输入电感中电流保持连续状态，即纹波电流ΔI要小于最小输入交流电流峰值的两倍。则取电感L≥临界电感L_min。而L_min（mH）为

L_min=（1）

ΔI=（2）

式中：V_min(p)为最小输入正弦波电压的峰值（V）；

V_o为输出直流电压（V）；

f为开关调制频率(Hz)；

P_o为输出直流功率(W)；

V_min为最小输入正弦波电压的有效值。

磁性元件磁环（材质为铁粉或铁硅铝合金）的选择通过式（3）计算。

L=4μN²(S/D)×10^－6（3）

式中：L为电感量（mH）；

μ为磁芯有效磁导率；

N为线圈匝数；

S为磁芯导磁截面积（cm²）；

D为磁芯平均磁环直径（cm）。

3.3 电容的选择

电容一般要采用低损耗，高纹波电流型的电解电容，容值C为

C=

式中：ω_o为市电角频率；

ΔV_o为允许输出直流纹波电压（V）。

3.4 二极管的选择

选t_rr小，正向压降小且软恢复（软度好）特性好的二极管。

3.5 开关器件的选择

选MOS或IGBT。由于IGBT关断存在一点拖尾现象，则当开关频率>20kHz时，要选MOS。对MOS主要关心的是导通损耗，应选导通电阻R_DS小的；对IGBT主要关心的是开关损耗，应选开关特性好的IGBT。当然，最理想的是把IGBT与MOS根据各自的频率特性直接并联而控制信号按各自的特性做相应时序调整。

4 结语

本文通过实践总结，设计出一种优异的软开关PFC电路，并采用UC3854芯片实现技术产品化。这种PFC电路是智能高频化UPS和高频开关整流电源输入级电路的理想解决方案。同时把元器件的特性做了仔细的分析，优化。