一种软开关高功率因数直流电源的设计

杨兴龙

（济南钢铁股份有限公司，济南 250101）

高功率因数开关电源具有功率因数高，对电网的谐波污染小的优点，获得了广泛应用[1-2]。但由于在常规硬开关方式下，存在开关损耗高，电磁兼容性低的问题，限制了其性能的进一步提高。高功率因数开关电源的主电路一般由两级构成，即功率因数校正（PFC）电路与DC-DC变换器。对两级功率变换电路分别进行控制，造成控制电路设计复杂化。

为改进上述问题，论文设计了一台软开关高功率因数开关电源。采用有源箝位技术，改进功率级电路，使DC-DC变换器实现软开关，提高装置的效率[3,4]；基于PFC/PWM复合控制芯片，设计控制电路，简化控制系统。本文介绍了电路的工作原理，并研制了一台实验样机，获得了满意的效果。

1 电路的工作原理

本文所设计的电路如图1所示。 PFC级电路采用常规的BOOST电路，DC-DC变换器采用有源箝位正激变换器。

1.1 有源箝位实现软开关

在一个周期内，DC-DC变换器的工作过程可分为4个模态。

模态1：主开关管QA处于导通状态，整流二极管 DO1导通，DO2截止，变压器原边电流 ip升高，能量由原边传递到负载。

模态2：QA关断，原边电流给 CA充电，CC放电。在 CA两端电压上升到 VB后，DO1截止，DO2导通，变压器被短路，原副边不再传递能量。 CA电压继续上升，达到VB与VC之和后，DC导通，ip给箝位电容 CC充电。 DC导通期间，箝位开关管QC可实现零电压开通。

模态3：QC零电压开通后，箝位电容CC与变压器励磁电感构成谐振回路，ip减小到零并反向增大，使变压器磁心复位，且箝位电容储能向副边传递。

模态4：QC关断，原边电流给 CC充电，CA放电。在CC两端电压上升到VB与VC之和后，DA导通，为主开关管QA创造了零电压开通条件。

因此，采用有源箝位技术，使DC-DC变换器的两开关管均实现了零电压开通，降低了开关损耗与电磁干扰，而且有效限制了开关管的电压应力，提高了装置的可靠性。

1.2 双闭环控制系统

TI公司的UCC38510芯片，集成了PFC与PWM控制功能，且两级驱动信号开关频率之比可选为1：1或1：2。两级变换电路均采用电压、电流双闭环控制。

图1 电路原理图

PFC级控制电路的电流内环，基于平均电流控制。整流后的正弦半波电压信号、前馈信号、与电压环输出信号相乘，经前馈校正，成为电流给定信号，对输入电流的平均值进行控制，使之追踪输入电压波形，实现功率因数校正的目的。

PWM 级的控制电路的电流内环，采用峰值电流控制模式。电压误差放大器输出信号，即电流参考信号，对输出电流进行逐脉冲控制，并快速调节输出电压。

2 电路设计

我们设计了一台240W的软开关高功率因数开关电源实验装置，下面对理论分析结果加以验证。

2.1 主电路

PFC级采用常规的Boost电路，电路参数：输入电压为180～270V，输出电压为400V，功率因数为0.99。DC-DC级采用有源箝位正激变换器，额定输出24V/10A DC。

两级电路的开关频率均取60kHz。

升压电感：根据输入电流纹波、开关频率和最低输入电压，计算电感值，取0.8mH。

功率开关器件：根据最大峰值电流并成本考虑，PFC电路的开关管采用 IR公司的 MOSEFT管IRFP460（500V/20A）；PWM 级电路开关管选取IXYS公司的 IXFH12N80，采用光耦器件 TLP250进行隔离驱动。

高频变压器:：由于采用了有源箝位技术，所以磁心可工作在较高磁通密度。采用EE-55磁心绕制。

箝位电容：兼顾稳态时的纹波电压与动态响应时间，折中选择，取0.2nF。

电流检测：采用霍尔传感器，在PFC电路中，检测升压电感的平均电流，形成平均电流负反馈；DC-DC电路中，检测变压器原边电流，所得到的交流信号转化为直流信号并通过 RC滤波器消除噪声尖峰后，形成峰值电流负反馈。

2.2 控制电路

PFC级与 DC-DC级的控制回路独立设计，基于UCC38510芯片实现。两控制回路均采用于双闭环控制，电流内环分别为平均电流控制模式与峰值电流模式。

对于电压外环，电流内环可看作比例环节，电压环控制对象是压控电流源对输出电容充电，为一阶系统。确定了控制对象，即可根据性能指标，进行调节器的设计。电压环调节器可采用常规零、极点补偿（PI调节器加极点）的方法进行设计。合理配置零、极点，提高低频增益并抑制高频干扰，以取得良好的动、稳态性能。

在PFC控制电路中，电流内环的控制对象，是仅包含电感电流的一阶系统，所以电流调节器同样可采用PI调节器实现。电压外环的截止频率设定为20Hz，远小于正弦半波频率100Hz。电流内环截止频率设计为2kHz，远小于60kHz的开关频率。

PWM级控制回路：电压外环的截止频率为1kHz，远小于电流内环的60kHz。芯片内部未提供电压外环所需的放大器，需在芯片外部配置相应的器件。由于芯片只输出主开关管驱动信号，所以应用单稳态触发器配置外围电路，产生辅助开关管的驱动信号。

需要注意的是，芯片的信号地直接与强电地相连。电压调节器的输出信号，经过隔离后，才能作为PWM级电流比较器的给定信号。

3 试验结果

所设计的软开关高功率因数电源，交流输入侧电流波形如图 2所示。PWM级电路主开关管的驱动、漏源电压波形如图3所示。根据图2所示波形，装置输入电流为近似完美正弦波形，达到提高功率因数目的。根据图3所示波形，在开关管导通过程中，在驱动信号发出之前，开关管漏源电压已降至零，实现了开关管的零电压开通。

图2 输入电流波形

图3 主开关管的驱动、漏源电压波形

4 结论

基于UCC38510芯片，应用有源箝位技术，设计软开关高功率因数直流电源，可有效提高电源的效率与电磁兼容性能力，降低谐波污染与开关损耗，并简化控制回路的设计，有良好的应用前景。

[1]Milan M. Jovanovic, Yungtaek Jang. State-of-the-Art,Single-Phase, Active Power-Factor-Correction Techniques for High-Power Applications—An Overview. IEEE Trans.on Power Electronics, 2005, 52(3):701-708

[2]Lon-Kou Chang, Hsing-Fu Liu. A Novel Forward AC/DC Converter With Input Current Shaping and Fast Output Voltage Regulation Via Reset Winding. IEEE Trans. on Power Electronics, 2005, 52(1):125-131

[3]Claudio Manoel C. Duarte, Ivo Barbi. A Family of ZVS-PWM Active-Clamping DC-to-DC Converters:Synthesis, Analysis, Design, and Experimentation, IEEE Trans. on Circuits and Systems –◌˙Ⅰ: Fundamental Theory and Applications, 1997, 44(8): 698-704

[4]Chang-Ming Liaw, Thin-Huo Chen. A Soft-Switching Mode Rectifier with Power Factor Correction and High Frequency Transformer Link . IEEE Trans. on Power Electronics, 2000, 15(4):644 - 654 .