基于BP6562芯片的雙Boost無橋功率因數(shù)校正設(shè)計(jì)

馮仕勝

（上海晶豐明源半導(dǎo)體股份有限公司，上海 201210）

0 引 言

有源功率因數(shù)校正（Active Power Factor Correction，APFC）因可以有效降低電流畸變對(duì)電網(wǎng)造成的諧波污染，所以在電源中被廣泛應(yīng)用。Boost電路因具有開關(guān)峰值電流小、驅(qū)動(dòng)控制簡(jiǎn)單、功率因數(shù)高以及總諧波失真（Total Harmonic Distortion，THD）低等優(yōu)點(diǎn)，是功率因數(shù)校正的首選電路。傳統(tǒng)功率因數(shù)校正電路中，整流橋的通態(tài)損耗限制了在大功率及低壓輸入場(chǎng)合效率的提升[1]。

雙Boost無橋功率因數(shù)校正（Power Factor Correction，PFC）電路與傳統(tǒng)有橋PFC相比，任何時(shí)刻都可以減少一半的通態(tài)損耗，在大功率及低壓輸入場(chǎng)合效率提升明顯。雙Boost無橋PFC控制電路簡(jiǎn)單，無需采用電流互感器做電流檢測(cè)，只需一個(gè)脈寬調(diào)制信號(hào)（Pulse Width Modulation，PWM）即可驅(qū)動(dòng)兩個(gè)開關(guān)管實(shí)現(xiàn)電路的正常工作[2]。

1 雙Boost無橋PFC電路基本工作原理

1.1 基本拓?fù)潆娐?/h3>

雙Boost無橋PFC電路拓?fù)淙鐖D1所示，由兩個(gè)獨(dú)立Boost電感、兩顆金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，MOSFET）以及4顆二極管組成，其中D1和D2為快恢復(fù)二極管，D3和D4為普通二極管，D5和D6為Q1與Q2的體二極管。

圖1 雙BOOST無橋PFC電路拓?fù)?/p>

1.2 基本工作原理

在電源正半周，當(dāng)Q1導(dǎo)通時(shí)，電流有兩條路徑，如圖2所示。一是電流經(jīng)過L1、Q1、D4到電源輸入端；二是電流經(jīng)過L1、Q1、D6、L2到電源輸入端，此時(shí)為L(zhǎng)1儲(chǔ)能階段。

圖2 正半周Q1導(dǎo)通時(shí)電流通路

當(dāng)Q1關(guān)斷時(shí)，電流有兩條路徑，如圖3所示。一是電流經(jīng)過L1、D1、CE1、RL、D4到電源輸入端；二是電流經(jīng)過L1、D1、CE1、RL、D6、L2到電源輸入端，此時(shí)為L(zhǎng)1放電階段。

圖3 正半周Q1關(guān)斷時(shí)電流通路

在電源負(fù)半周，當(dāng)Q2導(dǎo)通時(shí)，電流有兩條路徑，如圖4所示。一是電流經(jīng)過L2、Q2、D3到電源輸入端；二是電流經(jīng)過L2、Q2、D5、L1到電源輸入端，此時(shí)為L(zhǎng)2儲(chǔ)能階段。

圖4 負(fù)半周Q2導(dǎo)通時(shí)電流通路

當(dāng)Q2關(guān)斷時(shí)，電流有兩條路徑，如圖5所示。一是電流經(jīng)過L2、D2、CE1、RL、D3到電源輸入端；二是電流經(jīng)過L2、D2、CE1、RL、D5、L1到電源輸入端，此時(shí)為L(zhǎng)2放電階段。

圖5 負(fù)半周Q2關(guān)斷時(shí)電流通路

如圖1所示，電路中D3和D4兩顆低頻二極管的陰極與輸入電源直接相連，保證在輸入電源全周期內(nèi)，不論Q1和Q2導(dǎo)通還是關(guān)斷，整個(gè)工作過程中的輸出端都可通過D3和D4與輸入電源形成電流路徑，因而該電路能有效減小共模干擾。同時(shí)電路中兩顆MOS管的源極與主電路的地相連（共地），驅(qū)動(dòng)控制電路簡(jiǎn)單[3]。主要缺點(diǎn)是功率電感的利用率不高，每個(gè)電感只在半個(gè)工頻周期內(nèi)工作。

2 原理圖和典型工作波形

2.1 原理圖

BP6562雙Boost無橋PFC原理如圖6所示，其中功率電感采用兩顆PQ2620、控制芯片采用BP6562、輸出電容采用兩顆82μF/450 V并聯(lián)、二極管采用兩顆HFD10G60D（10 A/600 V超快恢復(fù)二極管）并聯(lián)、開關(guān)管采用英飛凌6R125P6。圖1中的二極管D3和D4在實(shí)際應(yīng)用中共用圖6中整流橋GBL10的兩顆二極管[4,5]。該整流橋具有把輸入電源電壓做整流，通過電阻分壓給BP6562芯片的MULT腳做輸入電壓檢測(cè)以及給芯片VCC提供啟動(dòng)電壓的作用。電源輸入端采用兩級(jí)共模和一級(jí)差模做電磁干擾（Electromagnetic Interference，EMI）濾波。

圖6 采用BP6562雙Boost無橋PFC原理

考慮到最低輸入電壓時(shí)開關(guān)頻率不能低于音頻（20 kHz），并留有余量，開關(guān)頻率fmin取30 kHz，功率電感的計(jì)算公式為：

式中，L為功率電感的電感量；UIN為輸入電壓；U0為輸出電壓；Pi為輸入功率；fmin為最小開關(guān)頻率。

本電源為交流90～265 V輸入，UIN取最低電壓為90 V，U0為413 V，最大輸出功率Po為500 W。效率η最低按照94%計(jì)算，輸入功率為：

將上述參數(shù)代入式（2）得Pi為531.9 W，取整為532 W。則根據(jù)式（1）計(jì)算電感量為0.175 mH，實(shí)際電感量取0.18 mH。

2.2 典型工作波形

輸入電源上電后，經(jīng)整流橋GBL10通過R4、R5對(duì)VCC電容C3和CE3充電，當(dāng)VCC電壓達(dá)到芯片開啟閾值時(shí)，若INV腳為高電平，則芯片內(nèi)部控制電路開始工作，COMP電壓逐漸上升，BP6562的GD腳開始輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)。L4、Q1和L5、Q2在每個(gè)工頻周期輪流工作，實(shí)現(xiàn)良好的輸入電流與輸入電壓的相位跟隨，達(dá)到高功率因數(shù)（Power Factor，PF）、低THD和高效率的目的[6]。

輸入為120 V交流電時(shí)，Q1、Q2的開關(guān)波形及輸入電壓波形Uin、輸入電流波形Iin如圖7所示。

圖7 輸入為120 V交流電時(shí)對(duì)應(yīng)的開關(guān)波形及輸入電壓、輸入電流波形

輸入為230 V交流電時(shí)，Q1、Q2的開關(guān)波形及輸入電壓波形Uin、輸入電流波形Iin如圖8所示。

圖8 輸入為230 V交流電時(shí)對(duì)應(yīng)的開關(guān)波形及輸入電壓、輸入電流波形

輸入為230 V交流電時(shí)，PWM波形、Q1、Q2開關(guān)波形以及Uout波形如圖9所示。其中PWM為芯片的驅(qū)動(dòng)波形，Uout為輸出電壓波形。通過波形可知，同一個(gè)PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，在輸入電源正負(fù)半周，開關(guān)管Q1、Q2交替半周工作，功率電感L4、L5也是交替工作。這樣在一個(gè)工頻周期內(nèi)每一組開關(guān)管和功率電感只有半個(gè)工頻周期工作，有利于功率器件的散熱設(shè)計(jì)，不足之處在于功率電感利用率降低，需要兩顆獨(dú)立功率電感[7,8]。

圖9 輸入為230 V交流電時(shí)對(duì)應(yīng)的PWM、Q1、Q2開關(guān)波形以及Uout波形

因?yàn)閮深wMOS交替工作，所以源極采用共用CS電阻設(shè)計(jì)，這樣方便芯片做電流采樣。輸入為120 V交流電時(shí)，PWM波形、Q1、Q2開關(guān)波形以及CS波形如圖10所示，其中CS波形為CS電阻上的電壓波形。輸入為230 V交流電時(shí)，PWM波形、Q1、Q2開關(guān)波形以及CS波形如圖11所示。BP6562控制雙Boost無橋PFC的兩顆開關(guān)MOS交替工作在臨界導(dǎo)通模式（Critical Conduction Mode，BCM），功率二極管工作在零電流關(guān)斷，不存在反向恢復(fù)損耗，可以省一半整流橋的損耗，輕松實(shí)現(xiàn)高效率[9,10]。

圖10 輸入為120 V交流電時(shí)對(duì)應(yīng)的PWM波形、Q1、Q2開關(guān)波形以及CS波形

圖11 輸入為230 V交流電時(shí)對(duì)應(yīng)的PWM波形、Q1、Q2開關(guān)波形以及CS波形

3 樣機(jī)電氣性能

3.1 典型效率對(duì)比測(cè)試

雙BOOST無橋PFC在輸入110 V交流電時(shí)，由工作原理可知GBL10中兩顆二極管的平均電流為：

式中：Pi為輸入功率；UIN為輸入電壓。

在110 V輸入時(shí)，輸入功率Pi為214.7 W，代入式（3）得IDav=0.952 A。二極管的電流有效值為：

由式（4）計(jì)算二極管的電流有效值為3.065 A。因二極管工作在47～63 Hz時(shí)開通和關(guān)斷損耗很小，可以忽略，所以其損耗主要為通態(tài)損耗，計(jì)算公式為：

式中：Pdide為二極管通態(tài)損耗；UF為二極管正向壓降；rd為二極管的動(dòng)態(tài)電阻。通過規(guī)格書可知道GBL10的UF為1 V，rd取45 mΩ。帶入式（5）計(jì)算整流橋二極管的損耗為2.374 7 W。

BP6562無橋PFC與BP6562有橋PFC（200 W）樣機(jī)效率測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。表中數(shù)據(jù)均為用BP6562做雙BOOST無橋和有橋PFC樣機(jī)在不同輸入電壓下的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

表1 BP6563無橋PFC與BP6562有橋PFC（200 W）樣機(jī)效率測(cè)試數(shù)據(jù)

從表1中的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，200 W功率在110 V輸入時(shí)雙BOOST無橋PFC較有橋PFC效率提升2.21%。由理論計(jì)算和實(shí)際樣機(jī)驗(yàn)證可見雙BOOST無橋PFC較傳統(tǒng)有橋PFC在大功率低電壓輸入場(chǎng)合效率提升明顯。

3.2 典型電氣性能

BP6562雙BOOST無橋PFC各功率段的典型電氣指標(biāo)如表2所示。表格2中數(shù)據(jù)為120 V和240 V輸入下不同輸出功率段實(shí)測(cè)PF、THD、效率等電氣指標(biāo)數(shù)據(jù)。

表2 BP6562雙BOOST無橋PFC各功率段的典型電氣指標(biāo)

從表2中測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，采用BP6562雙BOOST無橋PFC在200 W以上功率可以輕松做到THD小于8%。在輸入240 V交流電時(shí)最高效率可以達(dá)到98.16%（400 W時(shí)）。BP6562雙BOOST無橋PFC能夠真正實(shí)現(xiàn)高效率、高PF、低THD，且具有控制、檢測(cè)以及驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。

4 結(jié) 論

采用BP6562控制的雙Boost無橋PFC具有控制電路簡(jiǎn)單、高效率、高PF、低THD等優(yōu)點(diǎn)。與傳統(tǒng)有橋PFC在大功率低壓輸入時(shí)效率提升明顯，可提高2%的效率。與傳統(tǒng)無橋PFC相比具有驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單，無需電流互感器做電流檢測(cè)，在500 W以內(nèi)功率PFC電路中使用具有明顯優(yōu)勢(shì)。