基於精密整流電路的無橋PFC的研究

1 引言

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/181463.htm

單相PFC中，由於輸入整流橋的存在限制了整個電路效率的提高，為了減小整流橋的損耗，提出了很多新的拓撲，在這些拓撲中，無橋PFC由於其結構、控制簡單而得到廣泛的應用[1][2]。相對於傳統的Boost PFC拓撲,DBPFC由於省略了輸入整流橋，效率可以提高約1%~2%，但是由於電感的特殊位置，使得電流檢測變的困難。本文利用精密整流電路對輸入電流進行檢測，具有簡單可靠的優點。

2 DBPFC的工作模式

圖1 DBPFC拓撲結構

圖1為DBPFC拓撲結構，其工作狀態按照輸入電壓的不同可以分成兩個階段。當輸入處於VL>VN的正半周時，L1，L2，S1和D1組成Boost電路，S1開通時流過電感L1，L2的電流增加（方向如圖所示），電感儲能。S1關斷時電流流過D1向負載提供能量，流過電感L1，L2的電流減小。S2在該階段內均流過反向電流處於續流狀態，反向電流流過S2溝道還是它的體二極體要看S2是否有驅動信號。當輸入電壓處於VLVN的負半周時，L1，L2，S2和D2組成Boost電路，S1流過反向電流處於續流狀態。隨著輸入電壓處於不同時期，兩階段交替出現。

由以上分析可知因為DBPFC沒有整流橋，輸入電壓和電感電流的方向都是周期性

變化的。這就使得傳統PFC控制所需的輸入電壓、電感電流的檢測較為困難。

3 無橋PFC電路的控制方式

傳統的連續電流模式PFC控制均需要使用乘法器來實現輸入電流對輸入電壓的跟蹤。這就需要對輸入電壓、電感電流波形的採樣。而對於無橋PFC來說，輸入電壓和電感電流採樣均無法採用傳統的方法。為了避免增加控制的複雜性，採用無須輸入電壓採樣的單周期PFC晶片。

在傳統Boost PFC拓撲中，由於存在整流橋，電感電流方向恆定。只需一個電流採樣電阻即可獲得電感電流信號（如圖2）。

圖2. 傳統PFC的電流檢測

而在無橋PFC中電感電流的方向是周期性變化的，這使得電阻採樣輸出是正負變化的信號，不符合單周期控制晶片需要的單極性電流信號，且考慮到大功率應用下採樣電阻的損耗比較大，從而降低了整個電路的效率。圖3是一種利用運放採樣輸入電流的方法，但是由於PFC電路工作在高開關頻率和高輸出電壓下，這種高共模電壓會在輸入電流上疊加一個額外的噪音，這樣輸入電流的PF值就不會太高。另外，這種採樣方式的損耗將比電阻採樣還要高[3]。

圖3. 基於運放的無橋電流檢測電路

圖4為文獻[4]中提出的一種較複雜的電流互感器檢測電路來還原電感電流信號。但是由於二極體的導通壓降，使整流後波形的幅值減小，且過零點處波形嚴重失真，這將使PFC電流在過零出嚴重畸變，降低PF值，且採樣電路比較複雜。

圖4 文獻[4]中提到的電流檢測

本文提出將精密整流電路引入DBPFC的控制，消除二極體導通壓降帶來的不利因素。

4 精密整流電路的運用

精密整流能將微弱的交流電轉換成單向的脈動電，此電路由精密二極體來實現，如圖5

圖5 精密整流原理圖

設圖中運放的增益為A，UD為二極體導通壓降。當二極體導通時，有

（1）

所以可得 （2）

式（2）表示與普通二極體整流相比，精密整流將二極體導通壓降UD的影響減小到了，因此UD的影響可以忽略不計。

由以上分析可得，精密整流電路的傳輸特性：

當ui>0時，uo1>0,二極體導通，uo≈ui;

當ui≤0時，uo10,二極體截止，uo=0。

試驗中實際採用的精密半波整流電路，如圖6所示。

其工作原理為：

當uif>0時，ua0,uc0,D1、D4截止，D2、D3導通。運放A1工作在方向比例放大狀態，有，所以運放A2工作在深度負反饋狀態，R9上沒有電流流過，因此ud=0。

同理，當uif0時，ua>0,uc>0,D1、D4導通，D2、D3截止。運放A1工作在深度負反饋狀態，R3上沒有電流流過，因此ub=0。運放A2工作在反向比例放大狀態，有 ，所以

5 實驗驗證

設計研製了一臺基於精密整流電路電流檢測的單周期控制無橋PFC，來驗證理論分析的正確性。控制晶片是IR1150S，實驗主要參數：輸入交流電壓：115V，最大功率：300W，開關頻率：100KHZ，輸出電壓：380V。開關管選用SPW20N60S5，超快恢二極體D1、D2選用STTA860D，圖7是在輸入90V滿載時候的實驗波形。

CH1：輸入電壓（100V/格）

CH2：輸入電流（5A/格）

圖7、輸入電壓和電流波形

CH1：輸入電壓（200V/格）

CH2：檢測電流（5A/格）

圖8、輸入電壓和檢測電流波形

實驗結果表明輸入電流很好的跟蹤了輸入電壓，波形質量好，PF值高。

圖9為PF隨輸出功率變化曲線，可以看出，滿足IEC6000-3-2標準，當輸出額定功率時，其功率因數為0.997。圖10可以看出DBPFC的效率比傳統的Boost PFC高2%，跟理論分析一致。

圖8、輸出功率----PF曲線

圖9、傳統Boost PFC與DBPFC效率比較
5 結論

本文研究了一種基於精密整流電路的無橋Boost PFC，採用新型的單周期控制，其中採樣電路採用新型的精密整流電路，詳細分析了它的工作原理，一臺300W的實驗樣機獲得了良好的輸出電流波形，減小了整機的體積，且取得了較高的PF值。