基于PFC和軟開關的大功率開關電源探討

辛兆陽

摘 要：隨著電子技術的發展，人們對大功率、高性能的開關電源的需求也越來越多。而利用功率因素校正（PFC）技術和軟開關技術進行大功率開關電源的設計，則可以滿足開關電源的發展需要。因此，基于這種認識，文章對基于PFC和軟開關的大功率開關電源系統進行了闡述。并在此基礎上，對PFC電路、軟件開關變換器和輔助電路的設計問題進行了研究，以便完成對大功率開關電源的設計問題的探討。

關鍵詞：PFC；軟開關；大功率開關電源

引言

在進行電力電子裝置的設計時，通過使系統具有較高的功率因素，可以使電網的諧波污染得到有效減少。而PFC技術和軟開關技術的運用，則可以使系統開關損耗得以減少，以便進行系統的整體輸出效率的提升。因此，有必要對基于PFC和軟開關的大功率開關電源進行研究，以便更好的進行PFC技術和軟開關技術的應用。

1 基于PFC和軟開關的大功率開關電源的系統概述

從系統構成上來看，基于PFC和軟開關的大功率開關電源應該由三個部分組成，即電源主電路、電源控制電路和機箱。其中，機箱既可以起到固定電源的作用，同時也可以起到一定的屏蔽作用。而電源主電路的設計，則主要需要負責進行電源功率的轉換。而進行主電路的控制，則可以將市電轉化成需要的電壓或電流。此外，系統的控制電路需要為主電路提供控制脈沖，并為主電路提供保護功能。所以，系統的各個部分既具有相輔相成的關系，同時也是一個統一的整體。

在進行電源主電路設計時，電路包含電網濾波、整流橋和PFC電路等多個部分。在交流電流流入到主電路后，整流模塊將使交流電變成直流電，并利用PFC電路將脈動的直流電變成平滑直流電。同時，PFC電路需要使網側電流成為正弦波。在功率開關橋通過濾波將直流電轉變成高頻方波電壓后，該電壓將通過高頻變壓器傳至變壓器副邊[1]。最后，高頻方波電壓整流濾波將通過整流濾波電路轉變成直流電壓或電流。

控制電路的設計，需要完成為主電路提供驅動脈沖的任務。作為整個電源系統的核心，控制電路需要進行系統裝置的控制，并進行相應保護功能的實現。所以，控制電路應具有驅動電路、保護電路和輔助電源電路等多個電路。此外，在電源有特殊要求的情況下，還要進行特定功能電路的加裝。

2 大功率開關電源的系統設計

2.1 PFC電路設計

在進行系統設計時，系統的二極管整流電路輸入電流中含有大量諧波，無法滿足電路的功率因素要求。所以，需要進行PFC電路的設計，以便進行功率因素校正技術的應用。而UC3854是一種有源功率因素校正專用控制電路，具有升壓變換器校正功率因素需要的一系列控制功能。所以，在進行PFC電路設計時，可以采用UC3854作為電路的主要控制芯片。從電路組成上來看，PFC電路主要由兩部分構成，即以UC3854為核心的控制電路和升壓變換器主電路。其中，升壓變換器電路由整流橋、升壓電感、隔離二極管和濾波電容等結構組成。在電流持續狀態下，輸入與輸出電壓比將對脈沖占空比起到決定性的影響，以便使電路噪聲降低至最小。

在進行主電路設計時，需要較好的完成對各個元器件的選擇。一方面，升壓電感對于電力特性、效率和作用有著重要的影響，所以需要恰當的進行電感器的選擇。具體來講，就是根據電網電壓最低負載進行電感電流最大峰值的確定，并利用AP法進行電感材料的選擇[2]。另一方面，在進行輸出電容器選擇時，需要考慮輸出電壓大小、電容允許通過電流值和串聯電阻大小等多種因素。同時，還需要根據穩壓電源要求進行電容容量的確定，以便確保電容具有足夠的放電維持時間。

2.2 軟開關變換器設計

在進行軟開關變換器設計時，需要完成對主電路拓撲的選擇，并進行變壓器、開關元件、輸出濾波電路和諧振電感等多方面內容的設計。首先，在進行主電路拓撲結構選擇時，需要考慮變壓器原邊電路拓撲結構，并考慮其應用范圍。根據設計要求，可以將DC/DC變換器的輸出功率設定為3.8kw，并按照功率范圍選擇正激、半橋等電路。而由于DC/DC變換器的輸入電壓為PFC電路所提供，所以相對較為穩定，不需要考慮偏磁問題[3]。其次，在進行高頻變壓器設計時，需要考慮能量轉換、電壓變換等問題。作為變換器的核心元件，變壓器的好壞直接影響著開關電源的可靠性。就目前來看，變壓器的設計可以按照一定的步驟來進行。具體來講，就是依次完成對變壓器匝比、磁芯、繞組匝數、繞組導體截面面積和變壓器分布參數的計算或分析。此外，在進行開關元件的選擇時，需要考慮到開關速度和電路簡潔性問題。

2.3 輔助電路設計

為了確保系統的正常運行，還要進行輔助電路的設計。而從結構上來看，輔助電路主要包含兩部分，即輔助電源和保護電路。一方面，在進行輔助電源設計時，需要為PFC控制電路、移相全橋變換器控制電路等多個電路配備電源。而采用開關電源技術進行輔助電源的設計，則可以使輔助電源適應系統的電壓變化和負載變化，以便為系統各電路提供直流穩壓電源。此外，在進行輔助電源電路設計時，則可以采用外接元件較少的PWM集成控制器進行電路的控制，以便使電路得到一定程度的簡化。另一方面，在進行保護電路的設計時，需要進行輸入過壓、輸入欠壓、輸出過壓保護和超溫保護電路的設計，以便為系統電路提供更多的保護。而保護電路的設計與實現電路相類似，但是需要完成對電路故障的檢測。在出現故障時，保護電路的檢測信號電壓將大于給定電壓[4]。而保護電路將進行低電平的輸出，并進行保護信號的輸出，以便為系統電路提供保護。

3 結束語

總而言之，基于PFC和軟開關的大功率開關電源應該由電源主電路、電源控制電路和機箱這三個部分組成。而為了使開關穩壓電源具有較高的性能和較大的功率，則需要進行高功率因素的變換器電路和軟開關變換電路的設計。此外，為了給電源提供一定的保護，還要進行輔助電路的設計。

參考文獻

[1]文立群，肖強暉.基于UC3846的有源嵌位單級PFC開關電源[J].湖南工業大學學報，2014，2（28）：52-55.

[2]黃沖沖.基于軟開關技術直流開關電源的研究[D].西安科技大學，2012.

[3]師洪濤，王金梅，趙秀芬.基于三相雙開關PFC電路的高功率因數軟開關電源[J].電測與儀表，2011，1（48）：59-63.

[4]余莉娜.基于PFC的LED驅動電源研究與實現[D].電子科技大學，2013.