簡述無橋PFC的種類

PFC是一種解決傳統(tǒng)AC整流電路引起的電網(wǎng)污染問題的電路. 常規(guī)整流濾波電路的整流橋只有在輸入正弦波電壓接近峰值時才會導(dǎo)通, 因此導(dǎo)致了輸入電流程嚴(yán)重非正弦性, 導(dǎo)致輸入產(chǎn)生了大量諧波電流成份, 降低了電網(wǎng)的利用率同時有潛在的干擾其他電器的可能.

PFC電路通過對輸入AC電流進行'整形', 使輸入電流為近似和輸入電壓同相位的正弦波, 達(dá)到了輸入功率接近1的可能.

常用的PFC電路均為Boost升壓拓?fù)? 根據(jù)Boost拓?fù)湓诓煌ぷ髂Ｊ?DCM\\BCM\\CCM)下的特性不同, 控制方法可以分為3種. BCM和CCM采用的較多, BCM為變頻控制, 可以實現(xiàn)零電壓開啟(降低開通損耗), 但是較高的開關(guān)管有效電流限制了它只能在中小功率的場合, 大功率場合是CCM的天下.

對于CCM的PFC, 主要問題是二極管的反向恢復(fù)問題, 在反向恢復(fù)期間產(chǎn)生的大反向電流會產(chǎn)生額外的損耗還有潛在干擾電路的風(fēng)險. 具體可以通過增加RC電路(有損)或者ZVT技術(shù)(無損,但是比較復(fù)雜)進行解決, 這里暫時不進行討論.

由于PFC通常被設(shè)計成寬電壓輸入模式(85-265V輸入)， 在低輸入電壓時輸入電流會比較大, 當(dāng)輸出功率比較大時, 各功率器件尤其是輸入整流橋的電流壓力和散熱壓力尤為明顯. 如下圖

當(dāng)開關(guān)管開通時, 電流會經(jīng)過2個低速整流二極管, 1個mos管, 當(dāng)開關(guān)管關(guān)閉的時候, 電流會經(jīng)過2個低速整流管和1個快恢復(fù)二極管.

對于110V情況下輸出1500W的PFC來說,整流橋損耗可達(dá)30W左右, 是一個相當(dāng)可觀的數(shù)字如果能通過改進拓?fù)淙∠粽鳂? 將會極大的提高效率. 改進的電路如下圖, 它在每個正周期內(nèi)和負(fù)周期內(nèi)等效為1個普通的Boost拓?fù)?

電感電流上升的周期(相當(dāng)于普通Boost中mos開通時), 電流經(jīng)過2個mos管(其中一個反向?qū)?, 當(dāng)電感電流下降時,電流經(jīng)過1個mos的體二極管和一個快恢復(fù)二極管. 由于經(jīng)過的半導(dǎo)體數(shù)目減少了, 而且mos具有更低的導(dǎo)通電阻, 因此能極大的提高效率.

兩個mos管可以直接由傳統(tǒng)CCM控制芯片同時驅(qū)動, 也可以加入同步整流邏輯之后驅(qū)動, 這樣可以在電感電流下降的時候提供一個mos管的低壓降導(dǎo)通回路, 再提升那么一點點效率.

這種拓?fù)鋷硇侍嵘耐瑫r, 也帶來了一些新的問題:

1. 由于PFC的主體都在高頻電感之后, 相對于大地(Earth)的電位是高速變化的, 會產(chǎn)生更高的EMI問題, 通過采用雙對稱繞組電感和增加一些高頻回路可以減輕這個問題
2. 由于采用了雙對稱繞組電感, PFC主體和AC線路沒有直接的聯(lián)系, 因此對于控制電路來說, 檢測交流線路的有效電壓值和瞬時電壓值都變得極為困難, 由于有兩個mos管, 電流的回路也變得比較復(fù)雜, 無論用互感器或者電阻都不能簡單的獲得一個精確的包含電感高頻電流成品的信號. 這使得傳統(tǒng)CCM控制芯片不能發(fā)揮用武之地.

做產(chǎn)品需要考慮效率, 穩(wěn)定性, 成本, EMC(電磁兼容) 等不同因素, 有的時候必須在這之間進行取舍.

這里有六種無橋PFC, 分別是:

標(biāo)準(zhǔn)無橋PFC

這種PFC在正負(fù)半周的時候, 兩個管子一個續(xù)流一個充當(dāng)高頻開關(guān)。

這種拓?fù)涞膬?yōu)點是使用功率元件比較少, 兩個管子可以一起驅(qū)動, 這簡化了驅(qū)動電路的設(shè)計, 同時讓直接使用傳統(tǒng)APFC的控制芯片成為可能.

但它同時存在幾個問題, 電流流向復(fù)雜而且不共地, 電流采樣困難, 有較大的共模干擾因此輸入濾波器要仔細(xì)設(shè)計

針對頭一個問題, ST公司和IR公司的一些應(yīng)用文檔中已經(jīng)比較詳細(xì)的介紹了兩種比較可行的采用互感器的方法

雙Boost無橋PFC

這種拓?fù)溆蓸?biāo)準(zhǔn)無橋PFC改良而來, 增加了D3和D4作為低頻電流的回路, S1和S2只作為高頻開關(guān)而不參與低頻續(xù)流

同標(biāo)準(zhǔn)無橋PFC, S1和S2能同時驅(qū)動, 而在兩個低頻二極管D3和D4之后插入取樣電阻又可以像普通PFC簡單地傳感電流

同時這種拓?fù)渚哂懈偷墓つｋ娏?/p>

但是這種拓?fù)浔仨毷褂脙蓚€電感, 電流流向有不確定性, 低頻二極管和mos的體二極管可能同時導(dǎo)通, 增加了不穩(wěn)定因素

'

雙向開關(guān)無橋PFC

S1和S2組成了雙向開關(guān), 他們可以同時驅(qū)動, 采用電流互感器可以很容易的檢測電流, D1和D3為超快恢復(fù)二極管, D2和D4可以采用低頻二極管。

缺點在于整個電路的電勢相對于大地都在劇烈變化, 會產(chǎn)生比標(biāo)準(zhǔn)無橋PFC更嚴(yán)重的EMC問題, 輸出電壓無法直接采樣, 需要隔離采樣(使用光耦, 但是會增加復(fù)雜度) 。

圖騰柱PFC

由標(biāo)準(zhǔn)無橋PFC演化而來, 但是原理稍微改變。

D1和D2為低頻二極管, S1和S2的體二極管提供高頻整流開關(guān)作用。

這種電路具有較低的EMI, 使用元件較少, 設(shè)計可以很緊湊。

但是S1和S2需要使用不同的驅(qū)動信號, 工頻周期不同信號也不一樣, 增加了控制的復(fù)雜性, S2不容易驅(qū)動(可以嘗試IR2110等自舉驅(qū)動芯片) 。

S1和S2如果采用mos, mos的體二極管恢復(fù)較慢(通常數(shù)百ns)會產(chǎn)生較大的電流倒灌脈沖, 引起很大的損耗, 足以抵消無橋低損耗的優(yōu)勢。

S1和S2如果采用IGBT, 雖然其體二極管的性能沒問題, 但是其導(dǎo)通壓降比較大, 也會產(chǎn)生很高的損耗, 尤其是在低電壓輸入的情況下。

現(xiàn)在有一些國外公司在研制GaN和SiC高性能開關(guān)管, 開關(guān)速度極快, 沒有體二極管反向恢復(fù)問題, 這些技術(shù)尚在研發(fā)中, 現(xiàn)在是在市場上見不到這些產(chǎn)品的. 如果未來這些高性能器件能大規(guī)模普及, 圖騰柱PFC將有機會成為最流行最高效的PFC拓?fù)洹?/p>

假圖騰柱PFC

在圖騰柱PFC基礎(chǔ)上演化而來 D2和D4代替了原來S1和S2內(nèi)部的體二極管的續(xù)流作用。

控制方式和圖騰柱PFC完全相同。

這種拓?fù)湫枰獌蓚€電感, 利用率不高, 體積較大, S2極難驅(qū)動。

這種拓?fù)渲荒芩阍诟咝阅荛_關(guān)器件誕生前的一種這種方案。

介紹了這六種PFC, 每一時刻電流只通過兩個功率開關(guān)器件, 比傳統(tǒng)PFC的三個少, 在不使用軟開關(guān)和交錯技術(shù)的情況下, 理論上這些拓?fù)涞膿p耗幾乎相差無幾, 都比傳統(tǒng)PFC高。剩下的主要就從EMC和易于實現(xiàn)的角度考慮了。

綜合考慮下來還是 采用標(biāo)準(zhǔn)無橋PFC作為現(xiàn)階段的拓?fù)? GaN開關(guān)器件普及之后采用圖騰柱PFC。