脈沖激光系統充電電源功率因數校正技術研究

徐 健，梁 勖，劉冬生，潘冰冰，方曉東,，羅 樂*

(1.合肥工業大學 電子科學與應用物理學院，合肥 230009； 2.中國科學院 安徽光學精密機械研究所，合肥 230031； 3.中國科學技術大學 科學島分院，合肥 230026)

引 言

在高峰值功率需求的脈沖應用中，通常采用的方式是先慢回路對儲能電容器充電，然后通過快速回路放電的方式來實現[1-3]。目前的方案是采用開關變換式電路結合升壓變壓器對高壓儲能電容進行充電，充電完成后儲能電容經快速開關對后端電路放電，實現高峰值功率脈沖輸出[3-8]。高壓充電電源的負載是電容器，因而充電初始電壓低、充電導通角大，但隨著充電電壓的逐步增大，充電的導通角變小。而脈沖應用中，后端電路不斷從前端儲能電容中獲取能量，造成儲能電容電壓波動，不斷重復充電過程，因而存在工作過程變化、功率因數低、電流諧波大的問題，有其特有的難點。

本文中介紹了一種工作在連續導通平均電流模式的單相升壓(boost)功率因數校正(power factor correction，PFC)主拓撲結構電路，具有拓撲簡單、適用于高壓輸入、大功率應用場合等特點[9]，同時具有更低的波形畸變、平均電流抗噪聲能力好、較低的電流紋波和噪聲、控制電路簡單等優點[10]。本文中分析了PFC電路的主拓撲結構及工作原理,同時對外圍電路重要元器件進行選型和參量的計算，最后將其應用于一臺放電抽運準分子激光器中，分析其在脈沖充電過程特性，測試了PFC電路對功率因數的提高，實驗結果表明，高頻高壓充電電源的電流諧波得到了明顯的改善，功率因數得到了提高，有效地改善了電源的品質，提高了電源的效率和激光等高壓充電電源的應用表現性能。

1 高頻高壓充電電源介紹

高頻高壓充電電源主拓撲結構通常由逆變回路、升壓變壓回路和高壓整流回路構成，其工作過程是交流220V電壓首先經濾波整流后變為直流電壓，直流電壓經逆變電路逆變為高壓交流電壓，然后經升壓變壓器升壓后進行高壓整流，經高壓濾波后輸出，實現對負載電容器的充電。高壓充電電源原理結構圖如圖1所示。

Fig.1 Structure diagram of high voltage charging power supply

由于橋式整流中的二極管的單向導電性，只有在輸入交流電壓信號的半個周期的峰值電壓附近二極管才會導通(導通角約為70°)，因此交流的輸入電流呈高幅值的尖峰脈沖電流信號[11-12]。這種嚴重的電流失真的波形含有大量的諧波成分，因而對電網注入了大量的諧波及無用功造成嚴重的電網“污染”，進而導致電源的功率因數嚴重下降，降低了電源的效率和品質[13]。而在脈沖輸出型應用中，由于輸出不連續，且通常占空比較低，導致這種尖峰型的電網負載尤為嚴重，成為限制應用的重要因素之一。

2 PFC電路設計

2.1 電路結構及工作原理

本文中設計電路采用boost PFC結構工作于連續導通模式(continuous conduction mode，CCM)，此時boost變換器的主要2個工作模態：功率開關管導通模式和功率開關管關斷模式[14]。

由圖2可知，當功率開關管Q導通時，直流電壓源向電感L充電，電感電流線性上升，同時電容C向負載供電，由于電容值C較大，可以保持輸出電壓Vo為恒值，此時有：

Fig.2 Working process when Q is turned on

(1)

式中,Vin為PFC輸入電壓，Vo為PFC輸出電壓值，R為負載電阻值，L為電感值，C為濾波電容值，iL為流過電感的電流值。

由圖3可知，當功率開關管Q關斷時，直流電壓源以及電感L共同向電容C充電并向負載供電。功率開關管Q關斷時，電感L起到了使輸出電壓泵升的作用，電容C起到維持輸出電壓穩定的作用，此時有：

(2)

Fig.3 Working process when Q is closed

2.2 主要功率元件參量的計算

本文中設計PFC變換器最大輸出功率600W，輸入電壓范圍為150V～270V；頻率為50Hz～60Hz；輸出電壓為380V;boost級效率η=0.9，開關頻率f=75kHz。針對以上參量，對PFC變換器進行相關參量進行計算。

2.2.1 升壓電感的計算 電感的設計需要明確電感電流的紋波系數?？紤]到電磁兼容性的要求，仍然選取電流紋波系數為20%，為了保證在CCM boost工作模式下，電感原則是越大越好，但是電感大的情況下繞制電感的磁芯體積也會越大，所以在選擇電感值時要在保證電流連續的條件下盡量的小，交流輸入電流達到峰值時，電感電流紋波將達到最大值[15]。

(3)

式中,Ton為開關管開通時間，T為開關周期，f為開關頻率，Vin為PFC電路輸入電壓，D為占空比，聯立兩式可得：

(4)

式中，ΔIL為電感紋波電流。電感平均電流的峰峰值為：

(5)

式中，Po為PFC的輸出功率，Vin,min為PFC電路輸入電壓的最小值，流過電感的紋波電流ΔIL，一般情況下為輸入電感平均電流峰峰值的20%，故可得電感紋波電流:

ΔIL=0.2×Ip,max≈1.2A

(6)

電感平均電流的峰值時所占的占空比D為:

(7)

式中，Vo為PFC輸出電壓值，電感值L的計算公式為：

(8)

計算得Lmin=667μH，為了得到更好得動態性能，故選擇取電感值L=700μH。

2.2.2 輸出濾波電容 輸出電容選取主要是的標準：(1)電容的電容值;(2)電容的耐壓值;(3)電容的通態電流能力。對于電容值需要滿足抑制輸出電壓紋波的要求，同時也要滿足輸出維持時間的要求[9]。在電源設計中為防止輸入交流電壓突變，要求輸入電壓斷電后輸出電壓仍然能夠在一段時間，這個時間就是維持時間。一般選取的維持時間是15ms～50ms，此次選取20ms。電容的耐壓值一般選擇電路正常工作實際輸出最高電壓的1.5倍或者2倍安全裕量。由于boost PFC電路的輸出電流含有二次諧波電流成分，則流過該電容的總電流是紋波電流和二次諧波電流之和，通常選取通態電流大的電解電容以減少輸出電壓的紋波電壓。

根據輸出電壓紋波的要求，濾波電容值C計算可得：

(9)

式中，ΔVmax為輸出電壓的最大紋波，一般其值通常為輸出電壓1%～5%，這里取2%，即可知ΔVmax=7.6V，整流后的電壓頻率fr=100Hz。

根據維持時間的要求，濾波電容值C計算可得：

(10)

式中,Δt為電容的維持時間，其典型值為15ms～45ms，這里取20ms，Vh按跌落到正常電壓的90%計算，即Vh=342V，Vo=380V。

輸出電容值一般按照以上計算值的最大值取值，除了考慮到工藝以及其它外在因素，選取電容時一般要考慮到足夠的裕量，為了提高耐壓值,本文中采用3個電解電容串聯的結構,選擇電容值330μF、耐壓值450V電解電容作為輸出電容。

3 實驗測試和結果分析

設計的PFC高壓充電電源系統應用于一臺放電抽運準分子激光器中，準分子激光器是一種特殊的紫外和深紫外波段輸出的激光器，在工業、科研、醫療領域有特殊的應用[16-17]。其主要的工作過程為：首先高頻高壓電源對激光器儲能電容進行充電，達到設定的電壓時電源將會停止充電，同時閘流管導通，儲能電容的電壓迅速向放電電容轉移，最后轉移到電極上。當電極二端的電壓升高到臨界值時，激光諧振腔中的工作氣體將會被電極放電擊穿，形成準分子激光[18]。

由于準分子激光器通常高壓充電時間在10ms量級，放電時間在100ns量級，整個激光器的工作重復頻率在幾赫茲到幾十赫茲，因此工作過程引起的雜波等一直是其電磁兼容(electromagnetic compatibility，EMC)方面的難點之一，尤其在醫療應用領域[19]。典型的準分子激光充放電回路如圖4所示,儲能電容C1，放電電容C2，閘流管S1，主回路電感L2和L3。

Fig.4 Energy transfer discharge circuit

3.1 實驗平臺的搭建

在前面分析計算的基礎上，設計制作了硬件電路板，搭建實驗平臺進行實驗調試，電路的參量均以前面計算為準，圖5和圖6分別是搭建的整個實驗平臺圖和PFC電路原理圖。

Fig.5 Physical map of the experimental platform

Fig.6 PFC schematic

3.2 實驗測試

針對高頻高壓充電電源有無PFC模塊與一臺重復頻率為200Hz準分子激光器聯機分別進行實驗：第1種情況是有PFC模塊后脈沖電源的工作的情況，第2種情況是沒有PFC模塊后脈沖電源的工作情況，實驗中測得兩種情況下輸入電流的波形圖如圖7～圖10所示。

圖7～圖10中，通道1：高壓電源輸出電壓；通道2：脈寬信號；通道4：輸入電流。圖9、圖10中，通道3：輸入電壓。

Fig.7 Input current without PFC module

Fig.8 Input current expansion without PFC module

Fig.9 With PFC module input current

Fig.10 Input current expansion with PFC module

在脈寬信號處于高電平期間電源工作，在脈寬信號處于低電平期間電源停止工作。在電源工作期間PFC輸出電壓會有一定的跌落，當電壓值跌落到一定值之后，PFC模塊開始工作使輸出電壓恢復到初始電壓，始終保證PFC直流輸出電壓穩定在一定范圍內，進一步提高了電源輸出穩定性、準分子激光器輸出能量的穩定性。

3.2.1 無PFC模塊實驗 由圖7和圖8可以看出,未加PFC的輸入電流尖峰脈沖形狀，電流波形發生明顯畸變，導致電源系統功率因數低下。對圖8中輸入電流用MATLAB進行頻譜分析，分析結果如圖11所示。x軸為頻率、y軸為電流最大值、基波頻率為100Hz，可以從電流頻譜分析圖中明顯看出電流高次諧波的含量較高。

Fig.11 Input current spectrum analysis diagram without PFC module

總諧波失真率計算公式為：

(11)

式中,I1為基波電流有效值，I2,I3,I4分別為2次、3次、4次諧波的電流有效值，高于4次諧波的含量很低,可忽略不計，故計算出TTHD≈45%。

功率因數計算公式為：

(12)

由圖3～圖7可以看出，輸入電流波形發生明顯的畸變，故可以計算出PPF≈65%。

3.2.2 有PFC模塊實驗 由圖9和圖10可以看出，有PFC模塊的輸入電流波形具有良好的正弦形，輸入電流很好地跟隨輸入電壓，基本保持和輸入電壓保持同相位，電流波形無明顯畸變，有效提高了電源系統的功率因數。對圖10中輸入電流波形用MATLAB進行頻譜分析，分析結果如圖12所示。x軸為頻率、y軸為電流最大值，基波頻率100Hz，從圖中可以明顯看出，電流的高次諧波含量較低。

Fig.12 Input current spectrum analysis diagram with PFC module

總諧波失真率計算公式見(11)式。高于4次諧波的含量很低，可忽略不計，故計算出TTHD≈10%。

功率因數計算公式見(12)式。

由圖12可以看出,輸入電流波形和輸入電壓波形具有很好的追蹤性，電流和電壓的相位差θ≈0°，可以計算出PPF≈98%。增加PFC模塊后電源系統的電流畸變率顯著下降，功率因數顯著提高。

3.2.3 準分子激光器的激光輸出特性實驗 在相同的脈寬時間、輸入電壓條件下，準分子激光器以重復頻率為200Hz運行、儲能電容為10.8nF，分別在有、無PFC模塊兩種情況下，測試儲能電容的電壓波形、激光器輸出能量，實驗結果如圖13、圖14和表1所示。

Fig.13 Energy storage capacitor voltage without PFC module

Fig.14 Energy storage capacitor voltage with PFC module

Table 1 Output energy of excimer laser

圖13和圖14中，通道1：儲能電容電壓;通道2：脈寬信號。

由圖13和圖14可以明顯看出,在相同脈寬時間和輸入電壓的條件下，有PFC模塊比無PFC模塊的條件下儲能電容有更高的電壓值，實驗中測得無PFC模塊儲能電容電壓為13kV，有PFC模塊儲能電容電壓為15kV。這主要是由于PFC模塊采用的是boost電路結構，輸出電壓為380V，而無PFC模塊采用的是普通整流和濾波的電路結構輸出電壓310V左右，造成高壓電源逆變模塊輸入電壓不同，進而在相同條件下儲能電容所獲得電壓不同。

激光脈沖輸出能量方面：(1)有、無PFC模塊兩種情況下，測得儲能電容電壓為13kV和15kV，儲能電容由計算公式可得能量分別為912.6mJ和1215mJ，而激光輸出能量分別為9.95mJ和13.69mJ，則能量轉移效率分別為1.09%和1.13%，說明有PFC模塊的情況下，準分子激光的能量轉移效率更高；(2)兩種情況下激光輸出脈沖能量的相對標準差分別為1.99%和1.81%，說明準分子激光器在有PFC模塊的條件下輸出的激光脈沖能量波動性更低、穩定性更好。

上述實驗表明,脈沖輸出準分子激光系統應用充電電源功率因數校正技術能夠很好地提高能量轉移效率和改善輸出脈沖能量的穩定性，有助于提高激光器的性能，滿足準分子激光器在科研、醫療等領域的特殊的應用需求。

4 結 論

針對高頻高壓脈沖充電電源的輸入電流畸變、功率因數較低等缺點,本文中設計了一款單相boost有源功率因數校正電路。首先介紹了高頻高壓脈沖電容充電電源的工作原理，分析了脈沖應用中的功率因數情況，設計了采用連續導通工作模式下的有源功率因數校正(PFC)電路，其工作頻率75kHz，輸出電壓380V，輸出功率600W，具有拓撲簡單、適用于寬范圍、大功率輸出應用場合等特點[8]。最后完成了原理和樣機的設計，并在一臺重復頻率200Hz準分子激光器的實際測試，很好地將激光器脈沖輸出后的電網尖峰電流諧波含量抑制，總諧波含量由45%降低至10%，校正后的功率因數值由65%提高至98%，有效地實現了脈沖功率應用下的功率因數校正，提高了能量轉移效率和改善輸出脈沖能量的穩定性，有助于提高準分子激光器的性能，以滿足其在科研、醫療等領域的特殊應用需求。