高功率因數開關電源具有功率因數高，對電網的諧波污染小的優點，獲得了廣泛應用^[1,2]。但由于在常規硬開關方式下，存在開關損耗高，電磁兼容性低的問題，限制了其性能的進一步提高。高功率因數開關電源的主電路一般由兩級構成，即功率因數校正（PFC）電路與DC-DC變換器。對兩級功率變換電路分別進行控制，造成控制電路設計復雜化。

為改進上述問題，論文設計了一臺軟開關高功率因數開關電源。采用有源箝位技術，改進功率級電路，使DC-DC變換器實現軟開關，提高裝置的效率^[3,4]；基于PFC/PWM復合控制芯片，設計控制電路，簡化控制系統。論文介紹了電路的工作原理，并研制了一臺實驗樣機，獲得滿意的效果。

電路的工作原理

所設計的電路如圖1所示。 PFC級電路采用常規的BOOST電路，DC-DC變換器采用有源箝位正激變換器；

1 有源箝位實現軟開關

一個周期內，DC-DC變換器的工作過程可分為四個模態：

• 模態1：主開關管Q_A處于導通狀態，整流二極管D_O1導通，D_O2截止，變壓器原邊電流i_p升高，能量由原邊傳遞到負載。
• 模態2：QA關斷，原邊電流給CA充電，CC放電。當CA兩端電壓上升到VB后，DO1截止，DO2導通，變壓器被短路，原副邊不再傳遞能量。 CA電壓繼續上升，達到VB與VC之和后，DC導通，ip給箝位電容CC充電。 DC導通期間，箝位開關管QC可實現零電壓開通。
• 模態3：QC零電壓開通后，箝位電容CC與變壓器勵磁電感構成諧振回路，ip減小到零并反向增大，使變壓器磁心復位，且箝位電容儲能向副邊傳遞。
• 模態4：Q_C關斷，原邊電流給C_C充電，C_A放電。當C_C兩端電壓上升到V_B與V_C之和后，D_A導通，為主開關管Q_A創造了零電壓開通條件。

因此，采用有源箝位技術，使DC-DC變換器的兩開關管均實現了零電壓開通，降低了開關損耗與電磁干擾；而且有效限制了開關管的電壓應力，提高了裝置的可靠性。

圖1 電路原理圖

2 雙閉環控制系統

TI公司的UCC38510芯片，集成了PFC與PWM控制功能，且兩級驅動信號開關頻率之比可選為1：1或1：2。兩級變換電路均采用電壓、電流雙閉環控制。

PFC級控制電路的電流內環，基于平均電流控制。整流后的正弦半波電壓信號、前饋信號、與電壓環輸出信號相乘，經前饋校正，成為電流給定信號，對輸入電流的平均值進行控制，使之追蹤輸入電壓波形，實現功率因數校正的目的。

PWM級的控制電路的電流內環，采用峰值電流控制模式。電壓誤差放大器輸出信號，即電流參考信號，對輸出電流進行逐脈沖控制，并快速調節輸出電壓。

電路設計

設計了一臺240W的軟開關高功率因數開關電源實驗裝置，對理論分析結果加以驗證。

1 主電路

PFC級采用常規的Boost電路，電路參數：輸入電壓180V~270V，輸出電壓：400V，功率因數：0.99；DC-DC級采用有源箝位正激變換器，額定輸出24V/10A DC。

兩級電路的開關頻率均取60kHz。

升壓電感：根據輸入電流紋波，開關頻率和最低輸入電壓，計算電感值，取0.8mH。

功率開關器件：根據最大峰值電流并成本考慮，PFC電路的開關管采用IR公司的MOSEFT管IRFP460（500V/20A）；PWM級電路開關管選取IXYS公司的IXFH12N80，采用光耦器件TLP250進行隔離驅動。

高頻變壓器:：由于采用了有源箝位技術，磁心可工作在較高磁通密度，采用EE-55磁心繞制。

箝位電容：兼顧穩態時的紋波電壓與動態響應時間，折中選擇，取0.2nF。

電流檢測：采用霍爾傳感器，PFC電路中，檢測升壓電感的平均電流，形成平均電流負反饋；DC-DC電路中，檢測變壓器原邊電流，所得到的交流信號，轉化為直流信號并通過RC濾波器消除噪聲尖峰后，形成峰值電流負反饋。

2 控制電路

PFC級與DC-DC級的控制回路獨立設計，基于UCC38510芯片實現。兩控制回路均采用于雙閉環控制，電流內環分別為平均電流控制模式與峰值電流模式。

對于電壓外環，電流內環可看作比例環節，電壓環控制對象是壓控電流源對輸出電容充電，為一階系統。確定了控制對象，即可根據性能指標，進行調節器的設計。電壓環調節器可采用常規零、極點補償（PI調節器加極點）的方法進行設計。合理配置零、極點，提高低頻增益并抑制高頻干擾，以取得良好的動、穩態性能。

PFC控制電路中，電流內環的控制對象，是僅包含電感電流的一階系統，所以電流調節器同樣可采用PI調節器實現。電壓外環的截止頻率設定為20Hz，遠小于正弦半波頻率100Hz。電流內環截止頻率設計為2kHz，遠小于60kHz的開關頻率。

PWM級控制回路：電壓外環的截止頻率為1kHz，遠小于電流內環的60kHz。芯片內部未提供電壓外環所需的放大器，需在芯片外部配置相應的器件。由于芯片只輸出主開關管驅動信號，故應用單穩態觸發器配置外圍電路，產生輔助開關管的驅動信號。

需要注意的是，芯片的信號地直接與強電地相連。電壓調節器的輸出信號，經過隔離后，才能作為PWM級電流比較器的給定信號。

試驗結果

所設計的軟開關高功率因數電源，交流輸入側電流波形如圖2所示。PWM級電路主開關管的驅動、漏源電壓波形如圖3所示。根據圖2所示波形，裝置輸入電流為近似完美正弦波形，達到提高功率因數目的。根據圖3所示波形，開關管導通過程中，在驅動信號發出之前，開關管漏源電壓已降至零，實現了開關管的零電壓開通。

圖2 輸入電流波形

圖3 主開關管的驅動、漏源電壓波形

結論

基于UCC38510芯片，應用有源箝位技術，設計軟開關高功率因數直流電源，可有效提高電源的效率與電磁兼容性能力，降低諧波污染與開關損耗，并簡化控制回路的設計，有良好的應用前景。

（編自《電氣技術》，作者為楊興龍。）