宽电压范围输入PFC电路的研究

张雨心 宋连庆 张瑞国

摘要：该文针对如何实现90V～400V的交流电压向600V直流电压转换的问题，研究了一种适用于宽电压范围输入的功率因数校正电路。文中介绍了第三代半导体器件——氮化镓器件，并对PFC电路的拓扑结构——boost电路的工作原理进行了阐述和分析。然后对电路中的关键器件的参数进行了设计。最终通过实验验证了电路的可行性，表明该电路适用于宽电压范围输入的功率因数校正电路。

关键词：功率因数校正；宽电压范围输入；boost电路

中图分类号：TM46 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2019）06-0234-03

Wide Voltage Range Input PFC Circuit Research

ZHANG Yu-xin， SONG Lian-qing， ZHANG Rui-guo

（School of Electronic Information， Xian Polytechnic University， Xian 710048， China）

Abstract： In this paper， a power factor correction （PFC） circuit suitable for wide voltage range input is studied to realize the conversion from 90V～400V AC voltage to 600V DC voltage.This paper introduces the 3rd generation semiconductor devices—GaN devices， and describes and analyzes the working principle of boost circuit， which is the topological structure of PFC circuit.Then the parameters of the key components in the circuit are designed.Finally， the feasibility of the circuit is verified by experiments， indicating that the circuit is suitable for power factor correction circuit with wide range voltage input.

Key words： PFC； wide range voltage； boost circuit

随着我国现代化事业发展的脚步，各行各业的自动化水平都在不断地提高，用电设备的数量飞速增长带来用电量的大幅上升，使得电源的转换效率成为新时代下衡量开关电源质量的重要指标。另外，在偏远不发达地区，由于电网电压不稳定，电压范围会在90V～400V之间变动，并且电路中的谐波含量很高，这都会对用电设备的安全带来威胁。为了研制出一种具有普遍适用性和高效稳定的开关电源，我们设计了一种宽电压输入的功率因数校正电路。这不仅解决了给用电设备提供稳定电压的问题，也减小了电网与用电设备之间的互相干扰，对提高我国电网电能的质量具有重要意义。

1 功率因数校正电路与功率开关管的选择

1.1功率因数校正电路的选择

功率因数校正即Power Factor Correction，缩写为PFC。PFC电路的作用为：可用于对输入电流有效校正， 降低系统中电流谐波分量，有效校正输入端PF；可用于对电压进行一级调整， 为 DC/DC 变换电路设计和调节提供更大便利。功率因数校正电路分为无源功率因数校正和有源功率因数校正。填谷式PFC电路是一种典型的无源功率因数校正电路，具有结构简单、性能可靠、电磁兼容性良好、价格低等优点。但它同时又具有体积重量大、功率因数不高、输出电压低等明显缺陷。为解决无源功率因数校正电路的这些缺点，学界提出了利用有源电力电子器件的有源功率因数校正电路。有源功率因数校正电路根据不同的拓扑结构可分为Boost PFC电路、Buck PFC电路、Buck-Boost PFC电路、Cuk PFC电路等[1]。这些电路拓扑的功率密度和功率因数相比无源功率因数电路都得到了大大提高。

本文设计的PFC电路需要将90～400V交流电压转换成600V的直流电压，由于boost PFC电路可以使输出电压高于输入电压，所以boost PFC比较适合设计要求。经过这么多年的发展，boost PFC电路已经得到全面的优化，成为业界最受欢迎的PFC拓扑电路。

Boost PFC電路的优点如下：（1）输入电感的存在降低了系统内部的电磁干扰，还减少了系统与电网的相互影响；（2）电路结构简单，控制电路相对简单，易于实现成本低；（3）功率开关器件的端电压最大值不高于输出电压；（4）输入电压可在较大范围上下波动，对频率的要求不高。因此，本设计选用boost PFC电路作为基本拓扑电路。

1.2功率开关管的选择

目前，电力电子变换器中普遍采用Si基功率器件，然而硅电力电子器件经过近60年的长足发展，性能已经趋近其理论极限，通过器件原理的创新、结构的改善及制造工艺的进步已经难以大幅度提升其总体性能，不能满足下一代电力电子变换器高温、高压、高频、高效和高功率密度的要求，逐渐成为制约未来电力电子技术进一步发展的瓶颈之一。基于新型宽禁带半导体材料的电力电子器件具有更优越的性能，成为功率器件的研究热点。

通常我们将半导体材料分为三代。第一代半导体材料是以硅、锗为代表的基础性传统半导体材料；第二代半导体材料是以砷化镓、磷化铟为代表的化合型半导体材料；第三代半导体材料是以氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）为代表的一些宽禁带半导体材料。其中第三代半导体材料具有以下特点：临界击穿电场高、饱和电子速度高、电子密度高、电子迁移率高级热导率高，因此成为一种适用于高频、高压、高温、大功率的半导体材料。