引 言
本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/177686.htm電力電子裝置的大量頻繁使用給電網造成了很嚴重的諧波汙染，因此必須引入功率因數校正（PFC）電路，使其輸入電流諧波滿足現有的諧波要求。在小功率應用中，工作於臨界連續電流模式下的傳統Boost PFC拓撲[1~2]，因其結構簡單，穩定性好，開關應力小得到了廣泛的應用。
隨著對轉換效率的要求提高，由傳統Boost PFC拓撲衍生而來的無橋Boost拓撲逐漸成為研究的熱點。它略掉了Boost PFC前端的整流橋，減少了一個二極體的通態損耗，提高了效率。但其相對嚴重的EMI[3]效果是阻礙其廣泛應用的很大因素。
針對這種情況，人們提出了另外一種拓撲：Totem-Pole Boost PFC拓撲。但其傳統控制較為複雜而且不可利用現有的傳統Boost PFC控制晶片。本文主要研究Totem-Pole Boost PFC拓撲，從其原理入手，分析其優缺點，提出一種相對簡單的控制方案。
圖1 Totem-Pole Boost拓撲
Totem-Pole Boost的主電路如圖1所示，可以看出其元器件數目上與Bridgeless Boost完全相同，理論上同樣能夠得到較高的效率。
分析這個拓撲可以看出，在電源輸入電壓的正半周，電感電流為二極體D2截止，D1導通，可以分為兩個模態，如圖2所示。開關管S2的體二極體構成導通給負載供電，電感儲能減少，開通S1時，S2的體二極體截止，電感儲能增加。於是開關管S1和S2的體二極體構成Boost PFC結構。
同樣的，在電源的負半周，電感電流為負，D2導通，如圖3示。開關管S2和S1的體二極體構成Boost PFC結構。
綜合電源正負極性下的各種模態，兩隻開關管在輸入電壓極性變化時互換了其功能。例如，電壓過零變為負時，S1由開通為電感儲能轉變為其體二極體導通為負載供電，而S2的功能變化正好相反。所以兩隻開關管的功能是互補的，並隨極性變化而互換。
兩隻開關管的體二極體起到了與傳統Boost PFC中快恢復二極體相似的作用。但是開關管體二極體的反向恢復時間目前最快也只能達到100n相比於快恢復二極體的幾十甚至十幾ns，差距十分明顯。因此，假如此電路用於連續電流模式，其反向恢復損耗將會非常嚴重，效率的提高也必然有限。而假如工作於臨界電流模式下，由於其沒有反向恢復問題，故而能發揮該拓撲的最大優勢。
控制策略
1.主電路拓撲
研究此拓撲的文獻多採用滯環控制的策略[4~6]。針對此拓撲，滯環控制存在穩定性不高，不能工作於臨界電流模式下，頻率受滯環寬度限制，不能利用現有高效PFC晶片等諸多問題。
為克服上述滯環控制的缺點，圖4給出一種利用現有的傳統臨界電流PFC控制晶片來實現Totem-Pole Boost拓撲的控制電路。
對於傳統Boost電路，電流採樣電阻通常置於整流橋輸出共地的一端，就能得到所需的電感電流。但對於圖騰柱Boost拓撲，由於省略了整流橋，不能在一條迴路上得到極性一致的電流採樣，而最為簡單的是在電源的正負半周分別在D1和D2上採樣，以此得到符合傳統晶片要求的電流採樣值。
在輸入電壓為正時，由於開關管S1和S2的體二極體構成Boost PFC結構，所以S1可以看作傳統Boost PFC的開關管，於是Boost 控制IC的信號與S1的驅動信號相同。S2的驅動信號與S1互補，示電路電流的大小起到類似同步整流的作用。同樣的，在輸入電壓為負時，S2的驅動信號與控制IC的信號相同，S1起類似同步整流的作用。
由前面的分析得知，開關管在輸入電壓過零時要轉變其功能，所以必須快速準確檢測出輸入電壓的極性變化進而切換兩隻開關管的驅動信號。按照這一原理，電壓採樣與0電位進行比較，於是電壓過零檢測輸出是工頻方波，它與的PFC控制晶片輸出進行異或運算得到PWM控制信號。此控制信號經分相後得到兩路互補的驅動信號來驅動上下兩隻開關管。這樣每當電源極性變化時，異或門調轉PFC控制晶片輸出信號的高低電平，從而調轉了兩隻開關管的功能。該控制策略的主要波形由圖5示出。
2.臨界電流模式PFC控制晶片UC3852
臨界電流模式PFC控制晶片UC3852是一種性能優良而應用相當便捷的PFC控制晶片。UC3852為8腳晶片，具體的內部結構圖如圖6所示。其中1腳為電壓採樣，與內部5V電壓基準比較。8腳為內部比較器補償腳。3腳，4腳分別接電阻和電容來控制開關頻率。2腳為電流採樣，通過內部比較器-10mV基準來實現臨界電流控制的功能。
可以看出UC3852外圍電路設計相當簡潔，尤其是其不需要輸入電壓檢測而特別適用於圖騰Boost PFC電路。
3.驅動電路
從圖4可以看出異或輸出後的信號需經過分相處理才能驅動上下兩隻開關管。針對圖騰柱Boost電路的類似半橋結構特點，特選用意法半導體的半橋驅動晶片L6384。L6384將一路輸入信號分相處理後分別驅動上下兩隻開關管且外圍接有自舉電容設計，其具體結構框圖如圖7所示。
系統仿真與實現
按照上面提出的方法，採用UC3852作為Boost PFC控制IC，按照圖4所示的原理圖，進行了仿真。圖8給出了輸入電壓，電壓過零比較以及電感電流的波形。仿真結果表明，系統穩定，功率因數較高，滿足預先的設計要求。
以交流Vin＝85~265V，Vo＝400V的150W功率因數校正電路作為試驗模型，IRF840作為開關管。圖9所示為試驗輸入電壓和輸入電流波形。可見，電流跟隨電壓效果理想，功率因數達到99％以上，其效率比傳統臨界電流模式下Boost PFC電路高接近1％。
結 論
本文分析了圖騰柱Boost PFC拓撲的典型工作模態，提出了一種利用現有Boost PFC晶片UC3852實現其拓撲功能的簡單方法。通過系統仿真和試驗驗證，證明了此控制方案穩定，可靠。由於本身電路的優勢，圖騰柱 Boost PFC電路將有更高的實用價值。
參考文獻
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