基于PFC和软开关的大功率开关电源探讨

辛兆阳

摘 要：随着电子技术的发展，人们对大功率、高性能的开关电源的需求也越来越多。而利用功率因素校正（PFC）技术和软开关技术进行大功率开关电源的设计，则可以满足开关电源的发展需要。因此，基于这种认识，文章对基于PFC和软开关的大功率开关电源系统进行了阐述。并在此基础上，对PFC电路、软件开关变换器和辅助电路的设计问题进行了研究，以便完成对大功率开关电源的设计问题的探讨。

关键词：PFC；软开关；大功率开关电源

引言

在进行电力电子装置的设计时，通过使系统具有较高的功率因素，可以使电网的谐波污染得到有效减少。而PFC技术和软开关技术的运用，则可以使系统开关损耗得以减少，以便进行系统的整体输出效率的提升。因此，有必要对基于PFC和软开关的大功率开关电源进行研究，以便更好的进行PFC技术和软开关技术的应用。

1 基于PFC和软开关的大功率开关电源的系统概述

从系统构成上来看，基于PFC和软开关的大功率开关电源应该由三个部分组成，即电源主电路、电源控制电路和机箱。其中，机箱既可以起到固定电源的作用，同时也可以起到一定的屏蔽作用。而电源主电路的设计，则主要需要负责进行电源功率的转换。而进行主电路的控制，则可以将市电转化成需要的电压或电流。此外，系统的控制电路需要为主电路提供控制脉冲，并为主电路提供保护功能。所以，系统的各个部分既具有相辅相成的关系，同时也是一个统一的整体。

在进行电源主电路设计时，电路包含电网滤波、整流桥和PFC电路等多个部分。在交流电流流入到主电路后，整流模块将使交流电变成直流电，并利用PFC电路将脉动的直流电变成平滑直流电。同时，PFC电路需要使网侧电流成为正弦波。在功率开关桥通过滤波将直流电转变成高频方波电压后，该电压将通过高频变压器传至变压器副边[1]。最后，高频方波电压整流滤波将通过整流滤波电路转变成直流电压或电流。

控制电路的设计，需要完成为主电路提供驱动脉冲的任务。作为整个电源系统的核心，控制电路需要进行系统装置的控制，并进行相应保护功能的实现。所以，控制电路应具有驱动电路、保护电路和辅助电源电路等多个电路。此外，在电源有特殊要求的情况下，还要进行特定功能电路的加装。

2 大功率开关电源的系统设计

2.1 PFC电路设计

在进行系统设计时，系统的二极管整流电路输入电流中含有大量谐波，无法满足电路的功率因素要求。所以，需要进行PFC电路的设计，以便进行功率因素校正技术的应用。而UC3854是一种有源功率因素校正专用控制电路，具有升压变换器校正功率因素需要的一系列控制功能。所以，在进行PFC电路设计时，可以采用UC3854作为电路的主要控制芯片。从电路组成上来看，PFC电路主要由两部分构成，即以UC3854为核心的控制电路和升压变换器主电路。其中，升压变换器电路由整流桥、升压电感、隔离二极管和滤波电容等结构组成。在电流持续状态下，输入与输出电压比将对脉冲占空比起到决定性的影响，以便使电路噪声降低至最小。

在进行主电路设计时，需要较好的完成对各个元器件的选择。一方面，升压电感对于电力特性、效率和作用有着重要的影响，所以需要恰当的进行电感器的选择。具体来讲，就是根据电网电压最低负载进行电感电流最大峰值的确定，并利用AP法进行电感材料的选择[2]。另一方面，在进行输出电容器选择时，需要考虑输出电压大小、电容允许通过电流值和串联电阻大小等多种因素。同时，还需要根据稳压电源要求进行电容容量的确定，以便确保电容具有足够的放电维持时间。

2.2 软开关变换器设计

在进行软开关变换器设计时，需要完成对主电路拓扑的选择，并进行变压器、开关元件、输出滤波电路和谐振电感等多方面内容的设计。首先，在进行主电路拓扑结构选择时，需要考虑变压器原边电路拓扑结构，并考虑其应用范围。根据设计要求，可以将DC/DC变换器的输出功率设定为3.8kw，并按照功率范围选择正激、半桥等电路。而由于DC/DC变换器的输入电压为PFC电路所提供，所以相对较为稳定，不需要考虑偏磁问题[3]。其次，在进行高频变压器设计时，需要考虑能量转换、电压变换等问题。作为变换器的核心元件，变压器的好坏直接影响着开关电源的可靠性。就目前来看，变压器的设计可以按照一定的步骤来进行。具体来讲，就是依次完成对变压器匝比、磁芯、绕组匝数、绕组导体截面面积和变压器分布参数的计算或分析。此外，在进行开关元件的选择时，需要考虑到开关速度和电路简洁性问题。

2.3 辅助电路设计

为了确保系统的正常运行，还要进行辅助电路的設计。而从结构上来看，辅助电路主要包含两部分，即辅助电源和保护电路。一方面，在进行辅助电源设计时，需要为PFC控制电路、移相全桥变换器控制电路等多个电路配备电源。而采用开关电源技术进行辅助电源的设计，则可以使辅助电源适应系统的电压变化和负载变化，以便为系统各电路提供直流稳压电源。此外，在进行辅助电源电路设计时，则可以采用外接元件较少的PWM集成控制器进行电路的控制，以便使电路得到一定程度的简化。另一方面，在进行保护电路的设计时，需要进行输入过压、输入欠压、输出过压保护和超温保护电路的设计，以便为系统电路提供更多的保护。而保护电路的设计与实现电路相类似，但是需要完成对电路故障的检测。在出现故障时，保护电路的检测信号电压将大于给定电压[4]。而保护电路将进行低电平的输出，并进行保护信号的输出，以便为系统电路提供保护。

3 结束语

总而言之，基于PFC和软开关的大功率开关电源应该由电源主电路、电源控制电路和机箱这三个部分组成。而为了使开关稳压电源具有较高的性能和较大的功率，则需要进行高功率因素的变换器电路和软开关变换电路的设计。此外，为了给电源提供一定的保护，还要进行辅助电路的设计。

参考文献

[1]文立群，肖强晖.基于UC3846的有源嵌位单级PFC开关电源[J].湖南工业大学学报，2014，2（28）：52-55.

[2]黄冲冲.基于软开关技术直流开关电源的研究[D].西安科技大学，2012.

[3]师洪涛，王金梅，赵秀芬.基于三相双开关PFC电路的高功率因数软开关电源[J].电测与仪表，2011，1（48）：59-63.

[4]余莉娜.基于PFC的LED驱动电源研究与实现[D].电子科技大学，2013.