升壓PFC電感上面的二極管的作用分析與誤差解析

下圖是一個(gè)廣泛應(yīng)用的升壓型開關(guān)電源拓?fù)洌嘈糯蠹也⒉荒吧?。在這個(gè)電路中，PFC電感L在MOS開關(guān)管Q導(dǎo)通時(shí)儲(chǔ)存能量，在開關(guān)管截止時(shí)，電感L上感應(yīng)出右正左負(fù)的電壓，將導(dǎo)通時(shí)儲(chǔ)存的能量通過升壓二極管D1對(duì)大的濾波電容充電，輸出能量。Boost升壓PFC電感L上都并連著一個(gè)二極管D2。

為了提高電網(wǎng)的功率因數(shù)，減少干擾，平板電視的大多數(shù)電源都采用了有源PFC電路，盡管電路的具體形式繁多，不盡相同，工作模式也不一樣(CCM電流連續(xù)型、DCM不連續(xù)型、BCM臨界型)，但基本的結(jié)構(gòu)大同小異，都是采用BOOST升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。如下圖所示，這是一典型的升壓開關(guān)電源，基本的思想就是把整流電路和大濾波電容分割，通過控制PFC開-關(guān)管的導(dǎo)通使輸入電流能跟蹤輸入電壓的變化，獲得理想的功率因數(shù)，減少電磁干擾EMI和穩(wěn)定開關(guān)電源中開關(guān)管的工作電壓。

觀點(diǎn)眾說紛紜

關(guān)于這個(gè)二極管的作用，在電源工程師中有一些不同的看法，摘錄如下：

說法一：

減少浪涌電壓對(duì)電容的沖擊在開機(jī)瞬間限制PFC電感L因浪涌電流產(chǎn)生巨大的自感電勢，從而造成電路故障。每次電源開關(guān)接通瞬間加到電感上的可以是交流正弦波的任意瞬時(shí)值，如果在電源開關(guān)接通的瞬間是在正弦波的最大值峰點(diǎn)附近，那么給電感所加的是一個(gè)突變的電壓，會(huì)引起電感L上產(chǎn)生極大的自感電勢，該電勢是所加電壓的兩倍以上，并形成較大的電流對(duì)后面的電容充電，輕則引起輸入電路的保險(xiǎn)絲熔斷，重則引起濾波電容及斬波開關(guān)管Q擊穿。設(shè)置保護(hù)二極管D2后在接通電源的瞬間，由D2導(dǎo)通并對(duì)C充電，使流過PFC電感L的電流大大減小，產(chǎn)生的自感電勢也要小得多，對(duì)濾波電容和開關(guān)管的危害及保險(xiǎn)絲的熔斷可能要小得多。

說法二：

減少浪涌電壓對(duì)升壓二極管的沖擊該二極管分流一部分PFC電感和升壓二極管支路的電流，因而能對(duì)升壓二極管起保護(hù)作用。

誤區(qū)解析

以上的觀點(diǎn)都提到了該二極管D2的保護(hù)作用，都有一定的道理，但上述的有些解釋有值得商榷的地方。

大家知道：PFC電路后面大的儲(chǔ)能濾波電容C和PFC電感L是串聯(lián)的，由于電感L上的電流不能突變.PFC電感本身對(duì)大的濾波電容C的浪涌電流起限制作用，不會(huì)出現(xiàn)觀點(diǎn)一提到的“電源開關(guān)接通的瞬間電感L1上產(chǎn)生極大的自感電勢時(shí)電容的充電的情況，”因?yàn)樽愿须妱莸姆较蛞彩亲笳邑?fù)，此觀點(diǎn)令人費(fèi)解。并聯(lián)保護(hù)分流二極管D2以后，這一路由于沒有電感的限制作用，對(duì)濾波電容的沖擊反而會(huì)更大，不會(huì)減小。實(shí)踐也證明，去掉二極管D2后，電容C上的浪涌沖擊反而減小。觀點(diǎn)二保護(hù)升壓管D1說法，有一定的道理，因?yàn)镈1是快速恢復(fù)二極管，承受浪涌電流的能力較弱，減小反向恢復(fù)電流和提高浪涌電壓承載力是相互牽制的，而D1所采用的普通整流二極管承受浪涌電流的能力很強(qiáng)，如1N5407的額定電流3A，浪涌電流可達(dá)200A。不過由于升壓二極管D1有串接的PFC電感L的限流作用，筆者認(rèn)為保護(hù)二極管D2的最主要作用還不僅僅是保護(hù)升壓管D1。一些資料也有說明并聯(lián)二極管D2是減少開機(jī)過程的浪涌電壓，這個(gè)總體的說法沒錯(cuò)，但我認(rèn)為該保護(hù)二極管D2表面降低的是對(duì)PFC電感和升壓二極管的浪涌沖擊，但實(shí)際上還有一個(gè)重要的作用：保護(hù)PFC開關(guān)管。

在開機(jī)的瞬間，濾波電容的電壓尚未建立，由于要對(duì)大電容充電，通過PFC電感的電流相對(duì)比較大，有可能在電源開關(guān)接通的瞬間是在正弦波的最大值，在對(duì)電容充電的過程中PFC電感L有可能會(huì)出現(xiàn)磁飽和的情況，如果此時(shí)PFC電路工作，就麻煩了，流過PFC開關(guān)管的電流就會(huì)失去限制，燒壞開關(guān)管。為防止悲劇發(fā)生，一種方法是對(duì)PFC電路的工作時(shí)序加以控制，即當(dāng)對(duì)大電容的充電完成以后，再啟動(dòng)PFC電路;另一種比較簡單的辦法就是并接在PFC線圈和升壓二極管上一個(gè)旁路二極管，啟動(dòng)瞬間給大電容的充電提供另一個(gè)支路，防止大電流流過PFC線圈造成飽和，避免PFC電路工作瞬間造成開關(guān)管過流，保護(hù)開關(guān)管，同時(shí)該保護(hù)二極管D2也分流了升壓二極管D1上的電流，保護(hù)了升壓二極管。另外，D2的加入使得對(duì)大電容充電過程加快，其上的電壓及時(shí)建立，也能使PFC電路的電壓反饋環(huán)路及時(shí)工作，減小開機(jī)時(shí)PFC開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間，使PFC電路盡快正常工作。

綜上所述，以上電路中二極管D2的作用是在開機(jī)瞬間或負(fù)載短路、PFC輸出電壓低于輸入電壓的非正常狀況下給電容提供充電路徑，防止PFC電感磁飽和對(duì)PFCMOS管造成的危險(xiǎn)，同時(shí)也減輕了PFC電感和升壓二極管的負(fù)擔(dān)，起到保護(hù)作用。該二極管的作用仍然可以說是減少浪涌電壓的沖擊，但主要是為了減少浪涌電壓對(duì)開關(guān)管造成的威脅，對(duì)升壓二極管也有分流保護(hù)作用，而不是保護(hù)濾波電容的。在開機(jī)正常工作以后，由于D2右面為B+PFC輸出電壓，電壓比左面高，D2呈反偏截止?fàn)顟B(tài)，對(duì)電路的工作沒有影響，D2可選用可承受較大浪涌電流的普通大電流的整流二極管。

在有些電源中，PFC后面的電容容量不大，也有的沒有接入保護(hù)二極管D2，但如果PFC后面是使用大容量的濾波電容，此二極管是不能減少的，對(duì)電路的安全性有著重要的意義。