Dual Boost PFC電路拓?fù)涞难芯?/h1>
2012-09-25 01:51:16孫明
通信電源技術(shù) 2012年6期
孫 明
（上海交通大學(xué)，上海200240）
1 無橋整流新拓?fù)涓攀?/h2>
傳統(tǒng)單管Boost PFC（圖1（a））是使用較多的功率校正拓?fù)洌渫負(fù)浣Y(jié)構(gòu)比較簡單，控制方法也相對成熟。它的缺點是拓?fù)渲械恼鳂蛟诖蠊β孰娐分校S著功率的增加，損耗也越來越大，尤其是在低電壓高電流電路，整流橋的導(dǎo)通損耗使電路的效率無法提高。因此，無橋整流新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)被提出并應(yīng)用。結(jié)構(gòu)簡單，效率又高，控制電路方便的Dual Boost PFC（圖1（b））受到大家的關(guān)注。在Dual Boost PFC電路中沒有了輸入整流橋，比傳統(tǒng)的Boost PFC電路少了導(dǎo)通二極管，所以大大地降低了導(dǎo)通損耗，效率得以提高。本文就此拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，研究了無橋拓?fù)涞目刂齐娐泛蜔o橋拓?fù)湫实膶嶒烌炞C。
圖1 Dual Boost PFC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
2 Dual Boost PFC工作原理以及功率損耗
2.1 Dual Boost PFC的電路介紹
圖1（b）為Dual Boost PFC拓?fù)潆娐罚墓ぷ鳡顟B(tài)可以按照交流電壓的正負(fù)特性分為2個階段。當(dāng)電壓輸入為交流的正半周時，開關(guān)S1、D1和電感L1、L2組成Boost升壓電路。S1導(dǎo)通時，L1、L2上的電流逐漸增加，電感儲存能量，如圖2（a）。S1斷開時電流經(jīng)過D1向負(fù)載供能，L1、L2的儲存能量釋放，給電容C充電，此時電容兩端電壓上升，高于輸入電壓，如圖2（b）。在正半周期中，S2均有反向電流經(jīng)過，處于續(xù)流狀態(tài)，根據(jù)S2的驅(qū)動信號去判斷電流是流過S2的溝道還是體二極管。當(dāng)電壓輸入為交流的負(fù)半周時，開關(guān)S2、D2和電感L1、L2組成Boost升壓電路。S2導(dǎo)通時，L1、L2電感上的電流逐漸增加，電感儲存能量，如圖2（c）。S2斷開時電流經(jīng)過D2向負(fù)載供能，電感釋放能量給電容C兩端充電，電容電壓上升，高于輸入電壓，如圖2（d）。在負(fù)半周期中，S1處于續(xù)流狀態(tài)。當(dāng)交流電壓正負(fù)交替變化時，電容兩端可以得到高于輸入電壓的電壓。
2.2 功率損耗分析
開關(guān)電源功率損耗分為整流橋損耗，磁性元器件損耗，Mosf et損耗，功率二極管損耗，EMI損耗等等。Dual Boost PFC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是一種適用于大功率的Boost電路，是一種高效率的Boost電路。Dual Boost PFC拓?fù)浔葌鹘y(tǒng)的Boost PFC拓?fù)渖倭苏鳂虻嵌嗔藗€Mosfet和快恢復(fù)二極管，如表1。
圖2 Dual Boost PFC拓?fù)潆娐返墓ぷ鳡顟B(tài)
表1 兩種電路開關(guān)元件對比
現(xiàn)基于輸入220 V、輸出400 V、額定功率為1 000 W的拓?fù)溲芯俊鹘y(tǒng)電路選擇RECTRON公司的整流橋RS2507 M，Dual Boost PFC選擇Infineon公司的IPW60R075CP作為開關(guān)管，Cree公司的CSD10060 A作為快恢復(fù)二極管。滿載時，整流橋功率損耗為15 W；開關(guān)管的功率損耗大約0.2 W，快恢復(fù)二極管功率損耗大約5.2 W。在其他電路損耗相同的情況下，Dual Boost PFC拓?fù)浔葌鹘y(tǒng)的Boost PFC電路少損耗大約9.6 W，提高功率效率0.98%。
如圖3，隨著電源電路功率的增大，Boost PFC電路的損耗增加。但是Dual Boost PFC損耗上升斜率遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)Boost PFC損耗，因而Dual Boost PFC功率效率高于傳統(tǒng)電路。
3 Dual Boost PFC的控制電路和噪聲抑制
3.1 控制電路
針對大功率PFC拓?fù)洌B續(xù)電流模式控制（CCM）比斷續(xù)電流模式控制（DCM）有很明顯的優(yōu)點：低電流諧波含量、低峰值電流應(yīng)力、低磁性元件損耗以及比較好的EMI特性。一般來講，大功率PFC拓?fù)洳捎肅CM控制電路。
本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用對輸入電壓，輸出電壓以及開關(guān)管S1和S2電流波形采樣，如圖4。比單獨檢測電感電流具有優(yōu)越性，單點檢測由于噪聲影響容易產(chǎn)生誤判，而采樣S1和S2的電流信息，對誤判有一定的糾正能力。在此拓?fù)渲虚_關(guān)管S1和S2的電流方向是周期性變化的，電阻采樣輸出正負(fù)變化的信號，S1和S2的信號加起來是完整的開關(guān)電流信息。經(jīng)過運算放大器后進(jìn)入PFC的DSP主控芯片。考慮到采樣電阻的損耗，采樣電阻使用較為精密的1 mΩ的Shunt。處理器采用的是Freescale的MC56F8014，內(nèi)置時鐘為32 MHz高精度的振蕩器，工作電壓3.3 V。
圖4 控制電路框圖
3.2 共模噪聲抑制
無橋Boost PFC的電路中差模電流幾乎是相同的，而因開關(guān)管的位置以及二極管加入等原因造成的共模電流是不同的。如圖5可知，輸出2端以及輸入L＆N兩端的電位隨開關(guān)頻率浮動，導(dǎo)致電壓對地的波動，因此以上各點與輸入電源地之間出現(xiàn)較大的寄生電容，共模干擾嚴(yán)重。
如何抑制電壓波動？如圖6，增加相應(yīng)的濾波電容，可以穩(wěn)定電壓和抑制共模噪聲。
圖5 電壓波動噪聲
圖6 共模噪聲抑制
4 實驗分析
通過實驗得到圖7所示波形，可以看出Dual Boost PFC實現(xiàn)了功率因數(shù)校正。
圖7 Dual Boost PFC實現(xiàn)功率因數(shù)校正
實驗室測試數(shù)據(jù)如表2。由數(shù)據(jù)可以看出在輸入電壓230 V情況下，功率越大功率因數(shù)越大，且DSP控制的Dual Boost PFC電路的功率因數(shù)可達(dá)0.999，幾乎接近于1；Dual Boost PFC電路的效率最高可達(dá)97.6%。
表2 實驗室測試數(shù)據(jù)
在輸出功率1 k W情況下，由DSP控制的Dual Boost PFC與傳統(tǒng)的Boost PFC電路的功率接近相同，且在90～230 V輸入電壓，都能保持0.99的功率因數(shù)，如圖8。
在輸入230 V，滿載情況下，樣機產(chǎn)生的噪聲如圖9，Dual Boost PFC的共模噪聲抑制效果理想。
圖8 功率因數(shù)對比
圖9 噪聲
5 結(jié) 論
Dual Boost PFC可以降低PFC電路的導(dǎo)通損耗，能夠?qū)FC的控制效率提升至97.6%，以及功率因數(shù)達(dá)到0.999；DSP控制使Dual Boost PFC拓?fù)浜唵位?shù)字化，以便進(jìn)行遠(yuǎn)程控制；提出電容濾波穩(wěn)定電壓的辦法可以降低Dual Boost PFC的電磁干擾噪聲。
［1］ Temesi Ern?，Michael Frisch.2nd Generation of PFC Solutions［J］.Tyco Electronics Power Systems.2008，（5）：22－24.
［2］ BOSHENG SUN，ZHONG YE.Digital Contr ol Improves Bridgeless PFC Perf or mance［EB／OL］.Texas Instr uments，http：／／www.ti.com.cn.
［3］ Laszlo Huber，Yungtaek Jang，Milan M.Jovanovi＇c.Perf or mance Evaluation of PFC＿L H［EB／OL］.Delta Products Cor poration.http：／／www.delta.co m.t w.
［4］ Eltek .Lab test report V2000 A1－HE［EB／OL］.Eltek Power.http：／／www.kp－eltek－power.
［5］ 王 凡，王志強.一種高效率的無橋Boost PFC拓?fù)涞难芯浚跩］.電源世界，2006，（5）：30－33.
［6］ 劉永光，劉鴻鵬，王 衛(wèi).無橋Boost PFC電路的EMI分析［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2007.
［7］ 張軍達(dá)，王慧貞.Dual Boost PFC電路的電磁干擾建模和仿真分析［D］.南京：南京航空航天大學(xué)，2010.
孫 明
（上海交通大學(xué)，上海200240）
1 無橋整流新拓?fù)涓攀?/h2>
傳統(tǒng)單管Boost PFC（圖1（a））是使用較多的功率校正拓?fù)洌渫負(fù)浣Y(jié)構(gòu)比較簡單，控制方法也相對成熟。它的缺點是拓?fù)渲械恼鳂蛟诖蠊β孰娐分校S著功率的增加，損耗也越來越大，尤其是在低電壓高電流電路，整流橋的導(dǎo)通損耗使電路的效率無法提高。因此，無橋整流新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)被提出并應(yīng)用。結(jié)構(gòu)簡單，效率又高，控制電路方便的Dual Boost PFC（圖1（b））受到大家的關(guān)注。在Dual Boost PFC電路中沒有了輸入整流橋，比傳統(tǒng)的Boost PFC電路少了導(dǎo)通二極管，所以大大地降低了導(dǎo)通損耗，效率得以提高。本文就此拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，研究了無橋拓?fù)涞目刂齐娐泛蜔o橋拓?fù)湫实膶嶒烌炞C。
圖1 Dual Boost PFC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
2 Dual Boost PFC工作原理以及功率損耗
2.1 Dual Boost PFC的電路介紹
圖1（b）為Dual Boost PFC拓?fù)潆娐罚墓ぷ鳡顟B(tài)可以按照交流電壓的正負(fù)特性分為2個階段。當(dāng)電壓輸入為交流的正半周時，開關(guān)S1、D1和電感L1、L2組成Boost升壓電路。S1導(dǎo)通時，L1、L2上的電流逐漸增加，電感儲存能量，如圖2（a）。S1斷開時電流經(jīng)過D1向負(fù)載供能，L1、L2的儲存能量釋放，給電容C充電，此時電容兩端電壓上升，高于輸入電壓，如圖2（b）。在正半周期中，S2均有反向電流經(jīng)過，處于續(xù)流狀態(tài)，根據(jù)S2的驅(qū)動信號去判斷電流是流過S2的溝道還是體二極管。當(dāng)電壓輸入為交流的負(fù)半周時，開關(guān)S2、D2和電感L1、L2組成Boost升壓電路。S2導(dǎo)通時，L1、L2電感上的電流逐漸增加，電感儲存能量，如圖2（c）。S2斷開時電流經(jīng)過D2向負(fù)載供能，電感釋放能量給電容C兩端充電，電容電壓上升，高于輸入電壓，如圖2（d）。在負(fù)半周期中，S1處于續(xù)流狀態(tài)。當(dāng)交流電壓正負(fù)交替變化時，電容兩端可以得到高于輸入電壓的電壓。
2.2 功率損耗分析
開關(guān)電源功率損耗分為整流橋損耗，磁性元器件損耗，Mosf et損耗，功率二極管損耗，EMI損耗等等。Dual Boost PFC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是一種適用于大功率的Boost電路，是一種高效率的Boost電路。Dual Boost PFC拓?fù)浔葌鹘y(tǒng)的Boost PFC拓?fù)渖倭苏鳂虻嵌嗔藗€Mosfet和快恢復(fù)二極管，如表1。
圖2 Dual Boost PFC拓?fù)潆娐返墓ぷ鳡顟B(tài)
表1 兩種電路開關(guān)元件對比
現(xiàn)基于輸入220 V、輸出400 V、額定功率為1 000 W的拓?fù)溲芯俊鹘y(tǒng)電路選擇RECTRON公司的整流橋RS2507 M，Dual Boost PFC選擇Infineon公司的IPW60R075CP作為開關(guān)管，Cree公司的CSD10060 A作為快恢復(fù)二極管。滿載時，整流橋功率損耗為15 W；開關(guān)管的功率損耗大約0.2 W，快恢復(fù)二極管功率損耗大約5.2 W。在其他電路損耗相同的情況下，Dual Boost PFC拓?fù)浔葌鹘y(tǒng)的Boost PFC電路少損耗大約9.6 W，提高功率效率0.98%。
如圖3，隨著電源電路功率的增大，Boost PFC電路的損耗增加。但是Dual Boost PFC損耗上升斜率遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)Boost PFC損耗，因而Dual Boost PFC功率效率高于傳統(tǒng)電路。
3 Dual Boost PFC的控制電路和噪聲抑制
3.1 控制電路
針對大功率PFC拓?fù)洌B續(xù)電流模式控制（CCM）比斷續(xù)電流模式控制（DCM）有很明顯的優(yōu)點：低電流諧波含量、低峰值電流應(yīng)力、低磁性元件損耗以及比較好的EMI特性。一般來講，大功率PFC拓?fù)洳捎肅CM控制電路。
本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用對輸入電壓，輸出電壓以及開關(guān)管S1和S2電流波形采樣，如圖4。比單獨檢測電感電流具有優(yōu)越性，單點檢測由于噪聲影響容易產(chǎn)生誤判，而采樣S1和S2的電流信息，對誤判有一定的糾正能力。在此拓?fù)渲虚_關(guān)管S1和S2的電流方向是周期性變化的，電阻采樣輸出正負(fù)變化的信號，S1和S2的信號加起來是完整的開關(guān)電流信息。經(jīng)過運算放大器后進(jìn)入PFC的DSP主控芯片。考慮到采樣電阻的損耗，采樣電阻使用較為精密的1 mΩ的Shunt。處理器采用的是Freescale的MC56F8014，內(nèi)置時鐘為32 MHz高精度的振蕩器，工作電壓3.3 V。
圖4 控制電路框圖
3.2 共模噪聲抑制
無橋Boost PFC的電路中差模電流幾乎是相同的，而因開關(guān)管的位置以及二極管加入等原因造成的共模電流是不同的。如圖5可知，輸出2端以及輸入L＆N兩端的電位隨開關(guān)頻率浮動，導(dǎo)致電壓對地的波動，因此以上各點與輸入電源地之間出現(xiàn)較大的寄生電容，共模干擾嚴(yán)重。
如何抑制電壓波動？如圖6，增加相應(yīng)的濾波電容，可以穩(wěn)定電壓和抑制共模噪聲。
圖5 電壓波動噪聲
圖6 共模噪聲抑制
4 實驗分析
通過實驗得到圖7所示波形，可以看出Dual Boost PFC實現(xiàn)了功率因數(shù)校正。
圖7 Dual Boost PFC實現(xiàn)功率因數(shù)校正
實驗室測試數(shù)據(jù)如表2。由數(shù)據(jù)可以看出在輸入電壓230 V情況下，功率越大功率因數(shù)越大，且DSP控制的Dual Boost PFC電路的功率因數(shù)可達(dá)0.999，幾乎接近于1；Dual Boost PFC電路的效率最高可達(dá)97.6%。
表2 實驗室測試數(shù)據(jù)
在輸出功率1 k W情況下，由DSP控制的Dual Boost PFC與傳統(tǒng)的Boost PFC電路的功率接近相同，且在90～230 V輸入電壓，都能保持0.99的功率因數(shù)，如圖8。
在輸入230 V，滿載情況下，樣機產(chǎn)生的噪聲如圖9，Dual Boost PFC的共模噪聲抑制效果理想。
圖8 功率因數(shù)對比
圖9 噪聲
5 結(jié) 論
Dual Boost PFC可以降低PFC電路的導(dǎo)通損耗，能夠?qū)FC的控制效率提升至97.6%，以及功率因數(shù)達(dá)到0.999；DSP控制使Dual Boost PFC拓?fù)浜唵位?shù)字化，以便進(jìn)行遠(yuǎn)程控制；提出電容濾波穩(wěn)定電壓的辦法可以降低Dual Boost PFC的電磁干擾噪聲。
［1］ Temesi Ern?，Michael Frisch.2nd Generation of PFC Solutions［J］.Tyco Electronics Power Systems.2008，（5）：22－24.
［2］ BOSHENG SUN，ZHONG YE.Digital Contr ol Improves Bridgeless PFC Perf or mance［EB／OL］.Texas Instr uments，http：／／www.ti.com.cn.
［3］ Laszlo Huber，Yungtaek Jang，Milan M.Jovanovi＇c.Perf or mance Evaluation of PFC＿L H［EB／OL］.Delta Products Cor poration.http：／／www.delta.co m.t w.
［4］ Eltek .Lab test report V2000 A1－HE［EB／OL］.Eltek Power.http：／／www.kp－eltek－power.
［5］ 王 凡，王志強.一種高效率的無橋Boost PFC拓?fù)涞难芯浚跩］.電源世界，2006，（5）：30－33.
［6］ 劉永光，劉鴻鵬，王 衛(wèi).無橋Boost PFC電路的EMI分析［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2007.
［7］ 張軍達(dá)，王慧貞.Dual Boost PFC電路的電磁干擾建模和仿真分析［D］.南京：南京航空航天大學(xué)，2010.
