基于One Cycle控制技术的无整流桥PFC设计应用

出处：edanzg 发布于：2010-10-18 14:57:23

常见的用于整流桥输人方式的升压PFC电路承受了很高的传导损耗，用无整流桥的升压技术能够取得更高的效率，这种新电路包含了电压检测、电流检测。结果表明，这种电路能够对效率和EMI有很大改善。

　　－、简介

　　由于单开关的CCM 方式PFC结构简单， EMI滤波器外形小巧而被广泛应用。此电路在小功率范围内有较低的效率，因为它有很高的导通抿耗和开关损耗。随着结型MOSFET和肖特基二极管的不断发展，PFC电路的开关损耗已经有显著的减小。同时，该电路也存在整流桥的正向压降带来的高导通损耗，特别是在低电压输入时。

　　为了减小整流桥的导通损耗，使不同的电路拓扑都相应得到发展。根据这些拓扑，无整流桥的升压技术不需要宽范围的开关，它展现出结构简单和很高的性能。

　　这种无整流桥的PFC电路，输人端没有整流桥，因雨有很低的导通损耗。尽管此电路结构筒单，但升压电感的位置在AC的一侧，导致很难检测AC边的线电压和电感电流。

　　与此同时，由于AC边电感结构造成对应线路输入而言的输出浮动，此电路伴有很高的共模噪声。

　　与平均电流型控制相比， One Cycle控制技术展示出很多优点，它不需要乘法器夕不霭要输人电压检测，也不需要电感电流检测。因此，One Cycle控制的无整流桥PFC电路是非常有吸引力的。

　　在此文中，One Cycle控制技术是在无整流桥 PFC电路的应用。关于电压检测和电流检测在无整流桥PFC fifig One Cycle 控制技术中得以解决，具有很高的效率和很好的功率因数校正功能，同时，对EMI也有很好的控制。

　　二、无整流桥的PFC电路

　　无整流桥PFC 电路如图1所示，在AC边设置相互分离的升压电感组成一种升压结构。无整流桥PFC等效电路如图2 所示。对于此半周期，MOSFET VI和升压二极管VD1再加上升电感一起构成了一个升压DC／DC变换器。同时，MOSFET 相当于一个普通的二极管来工作。输人电流和输人电压都由此升压变换器控制。

　　在另外半个周期，工作原理是一样的。因此，在每半个周期，其中一个MOSFET作为有源开关工作，另外一个MOSFET作为二极管工作。这两个MOSFET的驱动信号相同。

图1 无整流桥PFC电路图2 无整流桥PFC等效电路

表1 传统 PFC与无桥的PFC的区别

　　无整流桥PFC与普通PFC 的区别见表1。在同一时刻，比较这两个电路的传导通道，无整流鞒的PFC电感电流仅仅通过这两个半导体器件，而普通PFC 电路的电感电流则通过3个半导体器件。

　　表1所示，无整流轿的PFC用一个MOSFET的体二极管来代替普通PFC 电路的两个较慢恢复二极管。曲于这两个电路都作为升压变换器，因此它们的开关损耗是一样的。

　　在这两个电路中，尽管效率都有所改善，但导通损耗是不同的。与普通的PFC相比，无整流桥的PFC不仅减低了导通损耗，而且减少了元器件。

　　为了估计无整流桥PFC电路效率的提高，戍原理分析比较其损耗。此电路选开关是一个22A， 600V的结型MOSFET，升压二极管选择的是GBPC2506W， 25A、600V，用这些器件导通损耗模型的方法画出这些器件的导通损耗曲线。由于电感电流是瞬时的，只能画出这两种器件在90V输人电压和不同输出功率下的导通损耗曲线。两种PFC 电路二极管抿耗比较如图3所示。

　　对于整个功率范围，无整流桥的PFC在满功率的水平能将总效率提高1 ％。考虑到 MOSFET 的导通电阻很小，用同步整流方式的MOSFET，可以进一步减小损耗。MOSFET －B通损耗的*估是基于其较低的体二极管压降和导通电阻。两种 PFC 电路MOS损耗比较如图4所示，这两种情况的功率损耗相似。

　　尽管同步整流器在低功率时对损耗有少量改善，在MOSFET 温度升高后，这种改善随之消失。因为温度升高，其导通电阻也随之增大，由于同步整流器结构复杂，所以不宜采纳。

图3 两种PFC电路二极管损耗比较图4两种PFC 电路MOS损耗比较

　　三、无整流桥PFC电路提出的挑战

　　如图1 所示，无整流桥PFC电路中没有输人的桥式整流二极管，其升压电感是放置在AC边。由于电路的输人、输出没有直接相连，因此，无整流桥PFC电路有输人电压检测、电流检测和抗EMI电路。：

　　电压检测和电流检测相关连去控制无整流桥PFC电路。对于普通的PFC电路，有几种不同的控制方法己经得到开发，例如平均电流型控制、峰值电流型控制、One Cycle控制。

　　平均电流型控制是普遍用的控制方法，因为它性能优越且易掌握。控制器把输人电压信号和电压环内输出电压信号的乘积作为电流基准，同时，电流环用来控制电感平均电流，两者的误差放大信号送到 PWM。

　　One Cycle控制技术为：控制器用电压环的输出龟压和电感峰值电流来计算每一个开关周期的占空比。由于占空比是根据升压咆路的输人和输出电压的关系来计算，尽管完成了率因数校正，电感电流的峰值也自动地随着输人电压而形戚。

　　1、输入电压检测

　　对于传统的PFC电路，输人电压检测是简单的，因为整流桥的存在，利用分压原理，被整流的输入电压能够直接被分压器检测到，如图5所示。

　　对于无整流桥PFC电路，困为没有整流桥就没有地方可以用分压去检测输入电压。一个线路频率变压器就是一个简单的检测电压工具，如图6所示。对于一个庞大且成本很高的低频变压器，就就效率的设计而言是不可取的。

图5 传统PFC的输人电压检测图6 无桥PFC的电压检测1

　　作为电压检测，光耦器件检测也是一种好方法，因为它具有隔离特性，如图7所示。与普通分压检测相比，为了获得较低畸变的电压，宽电流范围的高线性光耦器件并不实际也更加复杂。

　　对于平均电流型控制，电感电流作为基准是基于被检测的输人电压，输入电压检测是很有必要的，但相应的成本很高，变换器也很庞大。

　　One Cycle控制技术已相当成熟，它是通过峰值电感电流和电压环的输出电压共同作用，从而没有必要作输人电压的检测。

　　普通的PFC电路，电压检测简单，从而造成One Cycle控制技术的优点不是很明显。无整流桥PFC 电路，其电压检测复杂，因此One Cycle控制技术优势更加明显。

　　2、电流检测

　　传统的PFC电路，电感电流检测很简单。在电感电流回路放置一个分流电阻，利用共地控制来检测电感电流，如图8所示，对于电流检测不需要隔离。

图7 无桥PFC的电压检测2 图8 传统PFC的电流检测

　　对于无整流桥PFC电路，作为输出，电感回路不能共用一个地。因此，需要用隔离的方法来检测。和电压检测一样，一个60Hz的电流型变压器就可以直接解决电流检测的问题。

　　通常一个低频变压器电流信号相位的延迟会造成率因数的降低。

　　另一个隔离的办法是利用差模放大器，如图9所示。由于此PFC 电路的开关是一个高频、高输出电压的开关，因而有很高的共模电压，将给电流信号中带来很大的噪声。这个检测电流的电压将功率损耗减到很小，而电流噪声则会降低功率因数。另外，和分流电阻的方法相比，差模放大器的成本很高。

　　换一种方法，电感电流能够用功率开关和升压二极管翘流重新模拟出来。为了检测电流，由于有不同的电感电流传导通道，总共需要设置3个电流互感器。

　　如图10示，给出了这3个互感器的位置，用3个检测电流的和，重新模拟产生输人电流。

　　对于平均电流型控制，作为电流环，电感的平均电流是需要的。但是，对于OneCycle控制技术，电流检测仅仅需要电感峰值电流，因此，电流检测能够被简化。

　　用两个同型号的电流互感器和开关，电感峰值电流则很容易检测。同时，电流互感器的使用也能够减少分流咆阻所带来的功率损耗。和电压检测一样，这种简单的电流检测办法，用One Cycle控制比普通的PFC电路控制更具吸引力。

图9 差模放大器无桥PFC电流检测图10用电流互感器做电流检测

　　3、EMI 噪声

　　EMI 噪声取泱于电源功率级的结构。普通的PFC电路，输出电压的地总是通过整流桥和输入线路相连，因此在MOSFET 的漏与地之间的寄生电容造成了主要的共模噪声，如图11所示。

　　对于无整流桥PFC电路，与输人线路相关，输出电压总是浮动的。因此，不仅MOSFET 的漏与地之阃的寄生电容Cd1和Cd2。所有输出端和地之间的寄生电容CN和CP都造成共模噪声，如图12所示。

图11 传统PFC中寄生电容产生的噪声图12 无桥PFC中寄生电容产生的噪声

　　无桥PFC 寄生电容上的电压如图13所示。由MOSFET漏和地之间的寄生电容Cd1和Cd2上的dv／dt可以看出，VCd1和VCd2是反极性的。

图13 无桥PFC寄生电容上的电压

　　精心的设计寄生电容会在很太程度上抑制噪声。由输出端到地之间的寄生电容Cn和Cp，产生的dv／dt可以看出，VN和VP是同极性的，也就是没有办法消除噪声。

　　考虑到这些电容不仅包括PFC电路输出级的寄生电容，还包括输入负载的那部分寄生电容，与普通PFC电路相比，无整流桥PFC电路的共模噪声情况更糟。

　　为了解决EMI的噪声问题，介绍一种新的无整流桥PFC 电路来减少EMI 噪声的技术，如图14所示。与原来的无整流桥PFC 电路相比，在输出电压到AC端输人线路之间建立的高频通道上，增加了两个电容。

图14 整流桥PFC减少EMI噪声

　　四、实验结果

　　基于上述的分析，无整流桥PFC电路的One Cycle控制既简化了电路，又提高效率。One cycle的控制方法更适合无整流桥的PFC电路。

　　用IR1150S控制器设计了一个500W、100kHz开关频率，通用的线路输入，OneCycle控制无整流桥PFC 电路。选用600V、22A的结型MOSFET和600V、4A的SiC二极管。另外，用同样的元器件设计了一个普通的PFC电路作为比较参照。

　　输人电压和电流波形如图15所示。输入电压和龟流基本同相位。因此，用OneCycle控制的功率因数得到很好的校正。在90V输人电压时，两种PFC电路的效率比较如图16所示。

图15 无桥PFC的输入电压和电流波形

　　在整个功率范围内，其效率和理论分析是一致的，提高了1％。在满载输出功率和不同输入线路中，功率因数的比较如图17所示。结果表明，在整个输人线路中，用One Cycle控制的功率因数较高。无整流桥PFC电路和普通 PFC电路对EMI性能测试的比较，如图18和图19所示。测试结果表明，在低频段，这两种电路的噪声相似。尽管在高频段，无整流桥PFC电路的噪声略高一些，但也是可以控制的。