一种高效率的无桥Boost PFC拓扑的研究

发布时间:2020-05-23 发布时间:
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0 引言

  传统单管Boost PFC由于结构简单、控制方法成熟是目前使用最多的功率校正拓扑。但是由于该拓扑使用的整流桥在功率等级逐步增加时损耗也逐渐增大,传统的Boost PFC拓扑在高功率及低压大电流输入时效率较低。为了减小整流桥所带来的损耗,多种新型的PFC拓扑不再使用前级整流桥。文献[1]中对比讨论了多种无桥PFC拓扑。其中Dual Boost PFC(DBPFC)电路(图1)因结构简单、驱动方便成为目前研究的主要拓扑之一。本文分析了该种拓扑的优点,研究、改进了该种拓扑的控制方法,并通过实验验证了理论的正确性。

图1 Bridgeless Dual Boost PFC 拓扑结构


1 DBPFC工作模式及损耗分析

1.1 Dual Boost PFC工作模式

  DBPFC的工作模式与传统功率因数校正拓扑类似,其工作状态按照输入电压的方向可以分为两个阶段。如图2所示,假设上端母线为火线L,下端母线为零线N。阶段一(图2a):当输入电压处于VL>VN的正半工频周期内时。D1和Q1工作在Boost状态,当Q1开通时流过电感L1、L2的电流增加(方向如图所示),电感储能。当Q1关断时电流流过D1向负载提供能量。Q2在该阶段均反向流过电流,处于续流状态。阶段二(图2b):当输入电压处于VL

1.2 Dual Boost PFC 损耗分析

  DBPFC是一种适用于高功率PFC变换器的拓扑。图3为85V输入、400W输出的传统Boost PFC与DBPFC计算损耗的对比图。由图可见,两种拓扑共有的器件(除MOSFET以外)在相同输入电压及输出功率工作条件下的损耗是一样的。DBPFC回路中增加了一个MOSFET管用来续流,所以DBPFC拓扑中MOSFET的损耗要比传统Boost PFC电路中略高。作续流功能的MOSFET的驱动信号可以通过控制回路关闭,MOSFET的驱动损耗不会增加。DBPFC的功率二极管在每半个工频周期内总有一个处于非工作状态,也未增加功率二极管的导通和反向恢复损耗。

 [page] 由上分析可知,虽然DBPFC比传统Boost PFC拓扑多出一个MOSFET和一个快恢复二极管,但是却没有成倍的增加在这两种器件上的损耗。DBPFC较之传统Boost PFC损耗的改善就在于整流桥和MOSFET续流管损耗之差。图4为输入电压为85V时两者的损耗曲线,计算基于器件STP12NM50体二极管和整流桥GBJ25D的导通压降曲线。由图可见随着变换器功率的增大DBPFC相对损耗越小,效率越高。

2 DBPFC电路的控制方式

  对于大功率PFC变换器来说,连续电流模式控制(CCM)相对于断续电流模式控制(DCM)有着明显的优势:低峰值电流应力、低电流谐波含量、低磁性元件损耗以及较好的EMI特性。所以大功率PFC均采用连续电流模式控制如:平均电流模式、滞环电流模式、峰值连续电流模式等。
传统的连续电流模式PFC控制均需要使用乘法器来实现输入电流对输入电压的跟踪。这就需要对输入电压、电感电流(或开关管)波形采样。而对于DBPFC拓扑来说,输入电压和电感电流采样均无法采用传统的方法。为了避免增加控制的复杂性,采用无须输入电压采样的单周期PFC芯片控制是最佳选择[2],如:ICE1PCS01和IR1150S。

图5 DBPFC电流检测及控制模块图

  在传统Boost PFC拓扑中,由于存在整流桥,电感电流方向恒定。只需一个电流采样电阻即可获得电感电流信号。而在DBPFC中电感电流的方向是周期性变化的,使得电阻采样输出是正负变化的信号。而且考虑到大功率应用下采样电阻上的损耗较大,在DBPFC中不宜使用电阻采样。文献[3]中提出了一种较复杂的电流互感器检测电路来还原电感电流信号。但PFC应用中,由于电感电流过零、驱动占空比的不稳定、电流互感器的精度以及磁芯恢复问题会使得控制效果不理想。

图6模拟开关控制电路

  本文采用了一种如图5所示的模拟开关切换采样方法。通过检测输入电压的方向来切换电流采样信号和控制驱动信号。霍尔电流传感器LEM采样电感电流信号,电阻Rs上的电压信号一路直接接入模拟开关,另一路经过运放构成的反向比例放大器翻转后接入模拟开关。由模拟开关切换信号来选定PFC芯片电流采样信号源。切换信号由图5中的电压互感器PT和比较器获得。同时切换信号也用来切换MOSFET开关管的驱动以降低驱动损耗。模拟开关控制电路的结构如图6所示。

[page]3 实验波形及分析

  实验电路参数如下:


  图7为输入线电压、输入线电流及比较器输出的切换信号波形。切换信号对应于图5中VL>VN时为高,反之为零电平。

  开关管驱动波形和电感电流波形如图8所示。由图可见在该MOSFET续流的时候,切换信号SW通过模拟开关切断了该管的驱动。

  图9为110V线电压输入下DBPFC与传统Boost PFC所测效率曲线(不计控制回路能耗),由于DBPFC不再有整流桥损耗,所以其效率提高了1个百分点左右。


4 结论

  无需整流桥损耗的Dual Boost PFC拓扑是一种适用于大功率变换器的功率因数校正拓扑。由于DBPFC特殊的拓扑结构,其控制较复杂。无需输入电压反馈的单周期控制芯片简化了控制模式,但仍需解决电流采样问题。本文提出的切换采样方法在满足电流采样要求的同时还可以关闭续流MOSFET的驱动信号,进一步降低损耗。


参考文献

[1] Liu J.; Chen W.; Zhang J.; Xu,D.; Lee,F.C.; “Evaluation of Power losses in Different CCM Mode Single-Phase Boost PFC Converters via a Simulation Tool”,IAS’2001,Pages:2455-2459 vol.4
[2] Lu,B.; Brown,R.; Soldano,M.; “Bridgeless PFC implementation using one cycle control technique” Applied Power Electronics Conference and Exposition, 2005.APEC 2005. Twentieth Annual IEEE Volume 2, 6-10 March 2005 Page(s):812-817 Vol.2
[3] “A BRIDGELESS P.F.C. CONFIGURATION BASED ON L4981 P.F.C. CONTROLLER”ST Application Note AN1606.
[4] Liu,Y.; Smedley,K.;“Control of a dual boost power factor corrector for high power applications”, IECON’03. Pages:142-150
[5] Yaoping Liu and Keyue Smedley, “Control of A Dual Boost Power Factor Corrector for High Power Applications” IEEE 2003 p.2929-2932
[6] Zheren Lai, and Keyue Ma Smedley, “A Family of Continuous-Conduction-Mode Power-Factor-Correction Controllers Based on the General Pulse-Width Modulator” IEEE Trans. Power Electron., vol.13, NO.3, MAY 1998.

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