【正文】 DC變換器。有源 PFC變換器之所以幾乎全部采用 升壓型 式，主要是在輸出功率一定時(shí)有較小的輸出電流，從而可減小輸出電容器的容量和體積，同時(shí)也可減小升壓電感元件的繞組線徑。 PFC變換器有不同的分類方法。按通過升壓電感元件電流的控制方式來分，主要有 電感電流連續(xù)的乘法器控制即 連續(xù)導(dǎo)通模式 (CCM)、 電感電流不連續(xù)的電壓跟蹤控制即 不連續(xù)導(dǎo)通模式 (DCM)及介 6 于 CCM與 DCM之間的臨界或過渡導(dǎo)通模式 (TCM)三種類型。 CCM因反饋電流的不同可分為峰值 電流控制、平均電流控制 和電流滯環(huán)控制 。 不論是哪一種類型的 PFC升壓變換器，都要求其 DC輸出電壓高于最高AC線路電壓的峰值。在通用線路輸入下，最高 AC線路電壓往往達(dá) 270V，故 PFC變換器輸出 DC電壓至少是 380V(270V√ 2V)，通常都設(shè)置在 400V的電平上。工作在 CCM的 PFC變換器，輸出功率達(dá) 500W以上乃至 3kW,在 DCM工作的 PFC變換器，輸出功率大多在 60~250W。 PFC方案選取 在 PFC校正電路中應(yīng)用最廣泛的是單相 Boost 有源功率因數(shù)校正 （ APFC） 變換電路，其原 理 圖如 4所示 。 在 Boost PFC電路中，最關(guān)鍵的部分是控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及控制方式的選取。如圖 5的 Matlab仿真結(jié)果所示，當(dāng)沒有加入 APFC，只是用一個(gè) IGBT代替控制系統(tǒng)時(shí)，電路運(yùn)行穩(wěn)定后，輸入電流雖然比圖 3的波形好但是仍然有明顯的畸變。這是不符合我們的設(shè)計(jì)要求的。所以需要對(duì)其加入 APFC環(huán)節(jié)，這也是本文主要解決的問題。 圖 4 單相 Boost功率因數(shù)校正原理圖 (a) 7 (b) (c) 圖 5 單相 Boost 功率因數(shù)校正仿真 （ a）仿真電路圖 （ b）輸入電壓、電流波形 （ c）輸出電壓波形 CCM是采用乘法器方法來實(shí)現(xiàn)有源功率因數(shù)校正，而 DCM則采用電壓跟隨器的方法來實(shí)現(xiàn)有源功率因數(shù)校正。 DCM升壓型 PFC控制 IC的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及由其組成的預(yù)變換器電路 如圖 6所示， 當(dāng) AC線路電壓從零按正弦規(guī)律變化時(shí)，乘法器輸出 VMO為 比較器建立的門限強(qiáng)迫通過 L的峰值電流跟蹤 AC電壓的軌跡。在各個(gè)開關(guān)周期內(nèi)電感峰值電流形成的包跡波，正比于 AC輸入電壓的瞬時(shí)變化，呈正弦波波形。在兩個(gè)開關(guān)周期之間，有一個(gè)電流為零的點(diǎn)，但沒有死區(qū)時(shí)間，從而使 AC電流通過橋式整流二極管連續(xù)流動(dòng) (二極管的導(dǎo)通角幾乎等于180176。 )，整流平均電流即為 AC輸人電流 (為電感峰值電流的 1/2)，呈正弦波波形，且與AC線路電壓趨于同相位，因而線路功率因數(shù)幾乎 為 1。 在 DCM下工作的 PFC升壓變換器相關(guān) 8 電壓和電流波形如圖 7所示 . 圖 6 DCM升壓型 PFC控制 IC的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及由其組成的預(yù)變換器電路 圖 7 DCM下 工作的 PFC升壓變換器相關(guān)電壓、 電流波形 9 圖 8 CCM下工作的 PFC升壓變換器 相關(guān)電壓、 電流波形 工作于 DCM的 PFC升壓變換器開關(guān)頻率不是固定的。在 AC輸入電壓從 0增大的峰值時(shí)，開關(guān)頻率逐漸降低。在峰值 AC電壓附近，開關(guān)周期最大，而頻率最低。 在連續(xù)模式 (CCM)下工作的 PFC升壓變換器采用固定頻率高頻 PWM電流平均技術(shù)。這類變換器的開關(guān)占空比是變化的，但開關(guān)周期相同。通過升壓電感器和 PFC開關(guān) MOSFET的電流在 AC線路電壓的半周期之內(nèi) (即 0tT/2)，任何時(shí)刻都不為 0，而是時(shí)刻跟蹤 AC電壓的變化軌跡，其平均電流 (IAC)呈正弦波形，且與 AC電壓同相位，如圖 8所示。 工作在 CCM下的 PFC變換器與 DCM的變換器相比 ，優(yōu)點(diǎn)有： ① 輸入和輸出電流波紋小、 THD和EMI小，濾波容易； ② 電流有效值小，器件導(dǎo)通損耗??； ③ 適用于大功率應(yīng)用場(chǎng)合。 因此本設(shè)計(jì)將采用 控制模式是 CCM模式 。 控制方式 一般有 峰值電流控制、 平均電流控制 和電流滯環(huán)控制 。峰值電流 幅度 控制（ PCMC）電流環(huán)的程控信號(hào)不是直流，而是按正弦規(guī)律變 化。峰值電流控制的缺點(diǎn)有： ① 電流峰值和平均值之間存在誤差，無法滿足 THD很小的要求； ② 電流峰值對(duì)噪聲敏感； ③ 占空比大于 波振蕩； ④ 需要在比較器輸入端加斜坡補(bǔ)償。因而在 PFC中，這種控制方式基本不用。本設(shè)計(jì)將 采用平均電流控制法。 平均電流 幅度 控制 （ ACMC） 又稱為三角載波控制，在峰值電流控制的基礎(chǔ)上，在乘法器輸出與比較器之間增加了 PI電流控制器，控制器控制輸入輸入電流平均值，使其與電流程控信號(hào)波形相同。由于電流環(huán)有較高的增益帶寬、跟蹤誤差小、瞬態(tài)特性較好，使得平均電流控制具有 THD（可將 THD降低到 5%以下） 和 EMI小，對(duì)噪聲不敏感，開關(guān)頻率固定，適用于大功率應(yīng)用場(chǎng)合，是目前 PFC中應(yīng)用最多的一種控制方式，這也是本設(shè)計(jì)采用此方法的原因。以平均電流控制原理設(shè)計(jì)的 PFC集成控制芯片 （如 UC385 UC3855等）在單相 Boost電路中得到普遍應(yīng)用。 通常的 Boost APFC原理圖如圖 9所示 ， 該電路的 Boost升壓控制采取的是硬開關(guān)方式 ，其拓?fù)鋱D如圖 10所示。 10 圖 9 基于 Boost 變換器的 APFC 電路原理圖 圖 10 硬開關(guān) PFC 整流電路 該電路構(gòu)成的 PFC整流電源雖然簡(jiǎn)單，但有如下缺點(diǎn)： ① 因開關(guān)管 VM為硬開關(guān) , 開關(guān)損耗大 , 故關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的尖峰電壓高 ； ② 因快恢復(fù)二極管 VD 為硬關(guān)斷 , 故關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生關(guān)斷尖峰電壓 ； ③開關(guān)噪聲大。為了抑制 VM關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的尖峰電壓 , 一般采用阻容吸收電路。該電路雖能較好地抑制尖峰電壓 , 但因 VM工作在高頻條件下 , 阻容吸收電路將產(chǎn)生較大的功耗 , 因而降低了電源效率。 在硬開關(guān)電路中 ,VM 的開通導(dǎo)致 VD 關(guān)斷 ,而關(guān)斷過程初始電流和 ti dd/ 的大小決定了 VD 關(guān)斷損耗的大小。通常的硬開關(guān)電路中 ,VM 開通時(shí)的 ti dd/ 是相當(dāng)大的 ,而在 ZVT PWM 電路中ti dd/ = Uo/ Lr ,有明顯的降低 ,因此 VD 為軟關(guān)斷 ,關(guān)斷損耗也明顯降低。 ZVT PWM 電路消除了 VM 的開通損耗 ,降低了 VM 和 VD 的關(guān)斷損耗 ,但引 入了輔助換流電路的通態(tài)損耗和開關(guān)損耗。只有當(dāng)引入的損耗小于消除和降低的損耗時(shí) ,才有實(shí)際意義 ,文獻(xiàn) [9]就硬開關(guān)的開關(guān)損耗和輔助換流電路的通態(tài)損耗及開關(guān)損耗進(jìn)行 比較 , 軟開關(guān)電路效率 比硬開關(guān) 提高了 1%左右。基于此，可見 零 電壓轉(zhuǎn)換(ZeroVoltageTransition， ZVT ) 軟開關(guān)技術(shù) （ ZVT 軟開關(guān)是通過在 VM 兩端并聯(lián)含有輔助開關(guān)VM1 的 LC 諧振回路來獲得零電壓開關(guān) ( ZVS) 的 ）可以使電路的效率更高，因而本設(shè)計(jì)將采用 ZVT PFC校正電路。 11 PFC方案實(shí)現(xiàn) （ 1） ZVTPFC方案的論證 本文采用升壓電路構(gòu)成 ZVTPFC 整流電源 ，該電路與一般的 Boost電路相比加入了一個(gè)附加的諧振網(wǎng)絡(luò)（由諧振電感 Lr、諧振電容（包括 Cr、 主開關(guān)管 VM的輸出電容 CVM 、二極管的結(jié)電容 CVD）、輔助開關(guān)管 VM1和一個(gè)二極管環(huán)組成）， 為簡(jiǎn)化分析，認(rèn)為輸出濾波器電感足夠大，視作一個(gè)電流源， BoostZVTPFC 主電路見圖 11。 其中 , ZVT 電路由 VM諧振電感 Lr、諧振電容 Cr、二極管D D D3 等元件組成 ， 它使主開關(guān) VM 在零電壓條件下開通。 圖 11 ZVT PFC 整流電路 圖 12 ZVT PFC 整流電路的工作波形 圖中 V GMAIN和 V GZVT — — 主開關(guān)和輔助開關(guān)驅(qū)動(dòng)電壓 V DSMAIN和 IMAIN —— 主開關(guān)管漏源之間電壓和電流 12 ILr —— 諧振電感電流 V D1 和 I D1 ——— 快恢復(fù)二極管