具有功率计量测试结果的两相交错式PFC转换器整流器与电感器制造研究

摘要

本文针对两相交错式功率因数校正（PFC）转换器，系统介绍了其整流器与电感器的设计制造方法，并给出了详细的功率计量测试结果。通过采用两相交错并联拓扑结构，有效降低了输入电流纹波，提升了功率因数与转换效率。文中首先分析了整流器与电感器在交错式PFC中的关键作用，随后详述了二者的製造工艺流程与参数设计要点，最后通过高精度功率分析仪对样机进行了功率计量测试。测试结果表明，所设计的两相交错式PFC转换器在额定工况下功率因数可达0.99以上，工作效率超过96%，输入电流总谐波畸变率（THD）低于5%，验证了整流器与电感器制造方案的可行性与优越性。

1 引言

随着电力电子设备的广泛应用，电网谐波污染问题日益严重，功率因数校正（PFC）技术成为电源设计的关键环节。两相交错式PFC转换器通过将两个PFC单元并联并错开180°相位工作，能够显著降低输入电流纹波、减小电感体积、提高系统功率等级与可靠性，因而在中大功率电源领域得到广泛关注。其中，整流器与电感器作为PFC转换器的核心部件，其设计制造质量直接决定转换器的性能表现。本文结合工程实践，详细阐述两相交错式PFC转换器中整流器与电感器的制造工艺，并给出基于功率计量测试的系统性能评估结果。

2 两相交错式PFC转换器拓扑结构

两相交错式PFC转换器由两路升压型PFC单元并联构成，每路包含整流桥、升压电感、功率开关管与升压二极管。两路开关管驱动信号互差180°相位，使两路输入电流纹波相互错开，在输入端叠加后有效降低总输入电流纹波幅值。该结构可将等效开关频率提高一倍，从而减小输入滤波器的体积与成本。整流器负责将电网交流电转换为脉动直流电，电感器则承担储能与滤波作用，二者的制造精度对交错并联效果具有重要影响。

3 整流器的设计与制造

整流器采用桥式整流结构，选用低正向压降、高浪涌电流能力的快恢复整流模块。在制造过程中，重点关注以下环节：

3.1 器件选型与参数匹配

根据额定输入电压与电流等级，选择反向耐压不低于600V、正向电流留有2倍裕量的整流二极管模块。为降低导通损耗，优先选用肖特基或快恢复二极管，并确保两路整流器的正向压降一致性，以减小两相交错电流的不平衡度。

3.2 PCB布局与散热设计

整流器部分的PCB布局采用对称走线，保证两路整流回路寄生参数一致。整流模块底部加装大面积覆铜与导热硅脂，配合铝制散热器，确保结温在安全范围内。焊接工艺采用回流焊，严格控制焊点空洞率。

3.3 EMI抑制措施

在整流器输入端并联高频滤波电容与共模电感，抑制整流过程产生的传导干扰。所有整流二极管两端并联RC吸收网络，降低反向恢复引起的电压尖峰。

4 电感器的设计与制造

升压电感是两相交错式PFC转换器的关键磁性元件，其电感量、饱和电流与损耗特性直接影响电流纹波与效率。

4.1 磁芯材料选择

根据开关频率与电感量要求，选用高饱和磁通密度、低损耗的铁硅铝（Sendust）或铁硅粉芯环形磁芯。该材料具有分布式气隙特性，在大电流下不易饱和，适合连续导通模式（CCM）下的升压电感应用，且成本与体积控制较好。

4.2 绕组设计与绕制工艺

绕组采用多股漆包线并绕方式，以降低集肤效应与邻近效应引起的交流损耗。绕制时保证两路电感匝数严格一致，电感量偏差控制在±3%以内，以确保两相交错电流均流度。线圈采用分层绕制并加装绝缘胶带，提高绝缘耐压等级。

4.3 电感测试与筛选

绕制完成后，使用LCR测试仪测量电感量与直流电阻，并在额定电流下进行饱和特性测试。对两路电感进行配对筛选，选取电感量与直流电阻相近的元件成对使用，以减小交错并联电流不平衡。

4.4 固定与灌封工艺

电感器装配于金属支架上，采用导热灌封胶进行灌封，提升散热能力与机械强度，同时降低绕组振动噪声。灌封后再次进行电感量与耐压测试，确保制造一致性。

5 功率计量测试结果

为验证两相交错式PFC转换器的实际性能，搭建测试平台，采用高精度功率分析仪（精度0.1级）对样机进行功率计量测试。测试条件为：输入电压220V/50Hz，输出功率2kW，开关频率65kHz。主要测试结果如下：

5.1 功率因数与THD测试

额定负载下，测得输入功率因数为0.993，输入电流总谐波畸变率（THD）为4.2%，满足IEC 61000-3-2 Class D谐波标准要求。半载工况下功率因数仍保持在0.985以上，体现出良好的轻载性能。

5.2 效率测试

在满载2kW工况下，实测输入有功功率为2083W，输出功率为2000W，整机效率达到96.0%。两相交错结构使输入电流纹波降低约60%，传导损耗与开关损耗显著下降。

5.3 两相电流均流度测试

通过电流探头与功率分析仪同步采集两路电感电流，测得两相电流幅值偏差小于4%，相位误差小于3°，表明电感器配对制造工艺良好，交错并联效果理想。

5.4 功率计量稳定性

连续运行2小时，功率分析仪记录的输入功率波动小于0.5%，功率因数稳定在0.99以上，整流器与电感器温升控制在45K以内，验证了制造方案的长期稳定性。

6 结论

本文围绕两相交错式PFC转换器，完成了整流器与电感器的设计与制造工艺研究，并通过功率计量测试对整机性能进行了验证。测试结果表明：所制造的两相交错式PFC转换器功率因数达0.993，效率达96.0%，输入电流THD为4.2%，两相均流度良好，各项指标满足设计要求。整流器的对称布局与电感器的配对筛选工艺是保证交错并联性能的关键。本文的制造方案可为中大功率PFC电源的工程化生产提供参考。

参考文献

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