高功率因數直流開關電源設計

周旺

摘 要 本文利用兩級PFC電路進行功率因數校正，其中前級PFC電路部分采用UC3854A/B芯片進行控制，后級零電壓開關移相全橋控制電路采用UC3825芯片進行控制。同時對主電路電路結構進行了優化設計。仿真結果表明，本文設計的直流開關電源具有輸出電壓穩定精度高、輸出電流大、功率因數高等特點。

【關鍵詞】功率因數 校正 全橋變換器

隨著開關電源的廣泛應用，人們對其需求量日益增長，并且對電源許多方面提出了更高的要求。開關電源因具有效率高、重量輕、體積小等顯著特點，其應用十分廣泛，尤其在高功率方向上已成為當下諸多研究領域的研究熱門。

1 功率因數PF和電流總畸變率THD

功率因數的定義，如下式：

由此可以得出：要想提高電源的功率因數，需要最大限度地抑制輸入電流的波形畸變，與此同時還必須盡可能地使電流基波與電壓基波之間的相位差趨于零。PF與輸入電流總畸變率THD有關，它表征了設備輸入電流諧波成分的大小，THD越大容易對電網造成污染。

2 改善功率因數的主要方法

2.1 多脈沖整流法

利用變壓器對各次諧波電流進行移相，使奇次諧波在變壓器次級相互疊加而抵消。

2.2 無源濾波器

在電路的整流器與電容間串聯一個濾波電感，或在交流側接入諧振濾波器，通過增大電流的導通角來提高功率因數。

2.3 有源濾波器

在整流器和負載之間接入一個DC/DC轉換器，應用電流反饋技術，使輸入端電流的波形跟蹤交流輸入正弦電壓波形，可以使接近正弦波且與交流輸入電壓同相位，從而使輸入端的總諧波畸變THD小于5%。

2.3.1 單級功率因數校正技術

單級功率因數校正技術的基本思想是把PFC級和DC/DC級組合在一起實現輸入電流的整形和輸出電壓的快速調節。

2.3.2 兩級功率因數校正技術

兩級式功率因數校正是由PFC變換器和DC/DC變換器級聯而成，PFC級通常采用升壓型變換器實現輸入電流的整形，其輸出電壓為儲能電容Cb的電壓Vb（中間母線電壓），一般穩定在400V左右，Vb通過后級DC/DC變換實現降壓，得到所需要的直流輸出電壓。DC/DC變換器實現了對輸出電壓的快速穩定調節。PFC控制器能檢測線電壓波形，使線電流跟蹤線電壓以獲得單位功率因數。兩級PFC使輸入電流總諧波畸變THD一般小于5%，功率因數可達到0.99或更高。

由于這一校正技術的每級電路可單獨分析、設計和控制，所以具有良好的性能，因此這種電路特別適合做分布式電源系統的前置級。

3 各部分電路設計

3.1 輸入整流與濾波電路

輸入整流電路選擇Fairchild Semiconductor公司的整流橋GBPC35-06（600V，35A）。輸入濾波電路選擇EMI濾波器電路。

3.2 前級PFC電路

前級PFC采用Boost型。主電路由串聯在回路中的儲能電感L1，開關管VT1及整流二極管VD1、濾波電容C1。

3.3 DC/DC變換器的設計

DC/DC變換器采用全橋變換電路，它由兩組雙管正激式變換器電路組合而成的。

3.4 前級PFC控制電路設計

前級PFC控制電路選用芯片UC3854A/B，其外圍電路主要包括振蕩頻率的選取、峰值電流限制電路設計、電流調節器和電壓調節器的設計等。

3.5 DC/DC變換器控制電路設計

DC/DC變換器控制電路的脈寬調制控制芯片采用UC3875。通過對兩個半橋開關電路的相位進行移相控制，實現半橋功率級的恒頻PWM控制，借助開關器件的輸出電容充放電，在輸出電容放電結束的狀態下完成零電壓開通。其四個輸出端分別驅動的A/B、C/D兩個橋臂，都能單獨進行導通延時（即死區時間）的調節控制，在該死區時間里確保下一個導通管的輸出電容放電完畢，為即將導通的開關管提供零電壓開通條件。

4 仿真結果

4.1 PFC電路的仿真

按照如圖1所示仿真電路采用Matlab軟件進行仿真。

4.2 DC-DC變換器仿真

DC-DC變換器仿真電路如圖2所示。仿真參數設置為：輸入電壓：385V，輸出電壓：30V，變壓器匝數比：45：6。

仿真結果表明，本文設計的直流開關電源開關管兩端的電壓具有輸出電壓穩定精度高、上下脈動的成分大大減小了、功率因數得到了提高，達到了預期設計的要求。

參考文獻

[1]沙占友，王彥明，葛家恰.開關電源的新技術及其應用[J].電力電子技術，2003.

[2]王星云，王平，陳蓮華.軟開關技術發展現狀的研究[D].廣州：華南理工大學，材料科學與工程學院，2008.

[3]功率因數校正（PFC）手冊[Z].安森美半導體，2004.

[4]周智敏，周紀海，紀愛華.開關電源功率因數校正電路設計與應用[M].北京：人民郵電出版社，2004.

[5]路秋生.功率因數校正技術與應用[M].北京：機械工業出版社，2006.

[6]趙同賀.開關電源設計技術與應用實例[M].北京：人民郵電出版社，2007.

[7]趙同賀.新型開關電源典型電路設計與應用[M].北京：機械工業出版社，2010.

作者單位

湘潭大學信息工程學院電子信息科學與技術1401班 湖南省湘潭市 411000