寬電壓范圍輸入PFC電路的研究

張雨心 宋連慶 張瑞國

摘要：該文針對如何實現90V～400V的交流電壓向600V直流電壓轉換的問題，研究了一種適用于寬電壓范圍輸入的功率因數校正電路。文中介紹了第三代半導體器件——氮化鎵器件，并對PFC電路的拓撲結構——boost電路的工作原理進行了闡述和分析。然后對電路中的關鍵器件的參數進行了設計。最終通過實驗驗證了電路的可行性，表明該電路適用于寬電壓范圍輸入的功率因數校正電路。

關鍵詞：功率因數校正；寬電壓范圍輸入；boost電路

中圖分類號：TM46 文獻標識碼：A 文章編號：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

隨著我國現代化事業發展的腳步，各行各業的自動化水平都在不斷地提高，用電設備的數量飛速增長帶來用電量的大幅上升，使得電源的轉換效率成為新時代下衡量開關電源質量的重要指標。另外，在偏遠不發達地區，由于電網電壓不穩定，電壓范圍會在90V～400V之間變動，并且電路中的諧波含量很高，這都會對用電設備的安全帶來威脅。為了研制出一種具有普遍適用性和高效穩定的開關電源，我們設計了一種寬電壓輸入的功率因數校正電路。這不僅解決了給用電設備提供穩定電壓的問題，也減小了電網與用電設備之間的互相干擾，對提高我國電網電能的質量具有重要意義。

1 功率因數校正電路與功率開關管的選擇

1.1功率因數校正電路的選擇

功率因數校正即Power Factor Correction，縮寫為PFC。PFC電路的作用為：可用于對輸入電流有效校正， 降低系統中電流諧波分量，有效校正輸入端PF；可用于對電壓進行一級調整， 為 DC/DC 變換電路設計和調節提供更大便利。功率因數校正電路分為無源功率因數校正和有源功率因數校正。填谷式PFC電路是一種典型的無源功率因數校正電路，具有結構簡單、性能可靠、電磁兼容性良好、價格低等優點。但它同時又具有體積重量大、功率因數不高、輸出電壓低等明顯缺陷。為解決無源功率因數校正電路的這些缺點，學界提出了利用有源電力電子器件的有源功率因數校正電路。有源功率因數校正電路根據不同的拓撲結構可分為Boost PFC電路、Buck PFC電路、Buck-Boost PFC電路、Cuk PFC電路等[1]。這些電路拓撲的功率密度和功率因數相比無源功率因數電路都得到了大大提高。

本文設計的PFC電路需要將90～400V交流電壓轉換成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比較適合設計要求。經過這么多年的發展，boost PFC電路已經得到全面的優化，成為業界最受歡迎的PFC拓撲電路。

Boost PFC電路的優點如下：（1）輸入電感的存在降低了系統內部的電磁干擾，還減少了系統與電網的相互影響；（2）電路結構簡單，控制電路相對簡單，易于實現成本低；（3）功率開關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，對頻率的要求不高。因此，本設計選用boost PFC電路作為基本拓撲電路。

1.2功率開關管的選擇

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過近60年的長足發展，性能已經趨近其理論極限，通過器件原理的創新、結構的改善及制造工藝的進步已經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進一步發展的瓶頸之一。基于新型寬禁帶半導體材料的電力電子器件具有更優越的性能，成為功率器件的研究熱點。

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