高功率因数直流开关电源设计

周旺

摘 要 本文利用两级PFC电路进行功率因数校正，其中前级PFC电路部分采用UC3854A/B芯片进行控制，后级零电压开关移相全桥控制电路采用UC3825芯片进行控制。同时对主电路电路结构进行了优化设计。仿真结果表明，本文设计的直流开关电源具有输出电压稳定精度高、输出电流大、功率因数高等特点。

【关键词】功率因数 校正 全桥变换器

随着开关电源的广泛应用，人们对其需求量日益增长，并且对电源许多方面提出了更高的要求。开关电源因具有效率高、重量轻、体积小等显著特点，其应用十分广泛，尤其在高功率方向上已成为当下诸多研究领域的研究热门。

1 功率因数PF和电流总畸变率THD

功率因数的定义，如下式：

由此可以得出：要想提高电源的功率因数，需要最大限度地抑制输入电流的波形畸变，与此同时还必须尽可能地使电流基波与电压基波之间的相位差趋于零。PF与输入电流总畸变率THD有关，它表征了设备输入电流谐波成分的大小，THD越大容易对电网造成污染。

2 改善功率因数的主要方法

2.1 多脉冲整流法

利用变压器对各次谐波电流进行移相，使奇次谐波在变压器次级相互叠加而抵消。

2.2 无源滤波器

在电路的整流器与电容间串联一个滤波电感，或在交流侧接入谐振滤波器，通过增大电流的导通角来提高功率因数。

2.3 有源滤波器

在整流器和负载之间接入一个DC/DC转换器，应用电流反馈技术，使输入端电流的波形跟踪交流输入正弦电压波形，可以使接近正弦波且与交流输入电压同相位，从而使输入端的总谐波畸变THD小于5%。

2.3.1 单级功率因数校正技术

单级功率因数校正技术的基本思想是把PFC级和DC/DC级组合在一起实现输入电流的整形和输出电压的快速调节。

2.3.2 两级功率因数校正技术

两级式功率因数校正是由PFC变换器和DC/DC变换器级联而成，PFC级通常采用升压型变换器实现输入电流的整形，其输出电压为储能电容Cb的电压Vb（中间母线电压），一般稳定在400V左右，Vb通过后级DC/DC变换实现降压，得到所需要的直流输出电压。DC/DC变换器实现了对输出电压的快速稳定调节。PFC控制器能检测线电压波形，使线电流跟踪线电压以获得单位功率因数。两级PFC使输入电流总谐波畸变THD一般小于5%，功率因数可达到0.99或更高。

由于这一校正技术的每级电路可单独分析、设计和控制，所以具有良好的性能，因此这种电路特别适合做分布式电源系统的前置级。

3 各部分电路设计

3.1 输入整流与滤波电路

输入整流电路选择Fairchild Semiconductor公司的整流桥GBPC35-06（600V，35A）。输入滤波电路选择EMI滤波器电路。

3.2 前级PFC电路

前级PFC采用Boost型。主电路由串联在回路中的储能电感L1，开关管VT1及整流二极管VD1、滤波电容C1。

3.3 DC/DC变换器的设计

DC/DC变换器采用全桥变换电路，它由两组双管正激式变换器电路组合而成的。

3.4 前级PFC控制电路设计

前级PFC控制电路选用芯片UC3854A/B，其外围电路主要包括振荡频率的选取、峰值电流限制电路设计、电流调节器和电压调节器的设计等。

3.5 DC/DC变换器控制电路设计

DC/DC变换器控制电路的脉宽调制控制芯片采用UC3875。通过对两个半桥开关电路的相位进行移相控制，实现半桥功率级的恒频PWM控制，借助开关器件的输出电容充放电，在输出电容放电结束的状态下完成零电压开通。其四个输出端分别驱动的A/B、C/D兩个桥臂，都能单独进行导通延时（即死区时间）的调节控制，在该死区时间里确保下一个导通管的输出电容放电完毕，为即将导通的开关管提供零电压开通条件。

4 仿真结果

4.1 PFC电路的仿真

按照如图1所示仿真电路采用Matlab软件进行仿真。

4.2 DC-DC变换器仿真

DC-DC变换器仿真电路如图2所示。仿真参数设置为：输入电压：385V，输出电压：30V，变压器匝数比：45：6。

仿真结果表明，本文设计的直流开关电源开关管两端的电压具有输出电压稳定精度高、上下脉动的成分大大减小了、功率因数得到了提高，达到了预期设计的要求。

参考文献

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作者单位

湘潭大学信息工程学院电子信息科学与技术1401班 湖南省湘潭市 411000