基于UC3852的圖騰柱Boost PFC電路的研究

　引 言

　　電力電子裝置的大量頻繁使用給電網(wǎng)造成了很嚴(yán)重的諧波污染，因此必須引入功率因數(shù)校正（PFC）電路，使其輸入電流諧波滿足現(xiàn)有的諧波要求。在小功率應(yīng)用中，工作于臨界連續(xù)電流模式下的傳統(tǒng)Boost PFC拓?fù)鋄1~2]，因其結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性好，開關(guān)應(yīng)力小得到了廣泛的應(yīng)用。　　　

　　隨著對轉(zhuǎn)換效率的要求提高，由傳統(tǒng)Boost PFC拓?fù)溲苌鴣淼臒o橋Boost拓?fù)渲饾u成為研究的熱點。它略掉了Boost PFC前端的整流橋，減少了一個二極管的通態(tài)損耗，提高了效率。但其相對嚴(yán)重的EMI[3]效果是阻礙其廣泛應(yīng)用的很大因素。

　　針對這種情況，人們提出了另外一種拓?fù)洌篢otem-Pole Boost PFC拓?fù)?。但其傳統(tǒng)控制較為復(fù)雜而且不可利用現(xiàn)有的傳統(tǒng)Boost PFC控制芯片。本文主要研究Totem-Pole Boost PFC拓?fù)?，從其原理入手，分析其?yōu)缺點，提出一種相對簡單的控制方案。

　　
圖1　Totem-Pole Boost拓?fù)?/p>

　　Totem-Pole Boost的主電路如圖1所示，可以看出其元器件數(shù)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?fù)淇梢钥闯?，在電源輸入電壓的正半周，電感電流為二極管D2截止，D1導(dǎo)通，可以分為兩個模態(tài)，如圖2所示。開關(guān)管S2的體二極管構(gòu)成導(dǎo)通給負(fù)載供電，電感儲能減少，開通S1時，S2的體二極管截止，電感儲能增加。于是開關(guān)管S1和S2的體二極管構(gòu)成Boost PFC結(jié)構(gòu)。

同樣的，在電源的負(fù)半周，電感電流為負(fù)，D2導(dǎo)通，如圖3示。開關(guān)管S2和S1的體二極管構(gòu)成Boost PFC結(jié)構(gòu)。

　　
綜合電源正負(fù)極性下的各種模態(tài)，兩只開關(guān)管在輸入電壓極性變化時互換了其功能。例如，電壓過零變?yōu)樨?fù)時，S1由開通為電感儲能轉(zhuǎn)變?yōu)槠潴w二極管導(dǎo)通為負(fù)載供電，而S2的功能變化正好相反。所以兩只開關(guān)管的功能是互補的，并隨極性變化而互換。

　　兩只開關(guān)管的體二極管起到了與傳統(tǒng)Boost PFC中快恢復(fù)二極管相似的作用。但是開關(guān)管體二極管的反向恢復(fù)時間目前最快也只能達到100n相比于快恢復(fù)二極管的幾十甚至十幾ns，差距十分明顯。因此，假如此電路用于連續(xù)電流模式，其反向恢復(fù)損耗將會非常嚴(yán)重，效率的提高也必然有限。而假如工作于臨界電流模式下，由于其沒有反向恢復(fù)問題，故而能發(fā)揮該拓?fù)涞淖畲髢?yōu)勢。

　　控制策略

　　1.主電路拓?fù)?/strong>

　　研究此拓?fù)涞奈墨I多采用滯環(huán)控制的策略[4~6]。針對此拓?fù)?，滯環(huán)控制存在穩(wěn)定性不高，不能工作于臨界電流模式下，頻率受滯環(huán)寬度限制，不能利用現(xiàn)有高效PFC芯片等諸多問題。

　　為克服上述滯環(huán)控制的缺點，圖4給出一種利用現(xiàn)有的傳統(tǒng)臨界電流PFC控制芯片來實現(xiàn)Totem-Pole Boost拓?fù)涞目刂齐娐贰?/p>

對于傳統(tǒng)Boost電路，電流采樣電阻通常置于整流橋輸出共地的一端，就能得到所需的電感電流。但對于圖騰柱Boost拓?fù)?，由于省略了整流橋，不能在一條回路上得到極性一致的電流采樣，而最為簡單的是在電源的正負(fù)半周分別在D1和D2上采樣，以此得到符合傳統(tǒng)芯片要求的電流采樣值。

　　在輸入電壓為正時，由于開關(guān)管S1和S2的體二極管構(gòu)成Boost PFC結(jié)構(gòu)，所以S1可以看作傳統(tǒng)Boost PFC的開關(guān)管，于是Boost 控制IC的信號與S1的驅(qū)動信號相同。S2的驅(qū)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(fù)時，S2的驅(qū)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(guān)管在輸入電壓過零時要轉(zhuǎn)變其功能，所以必須快速準(zhǔn)確檢測出輸入電壓的極性變化進而切換兩只開關(guān)管的驅(qū)動信號。按照這一原理，電壓采樣與0電位進行比較，于是電壓過零檢測輸出是工頻方波，它與的PFC控制芯片輸出進行異或運算得到PWM控制信號。此控制信號經(jīng)分相后得到兩路互補的驅(qū)動信號來驅(qū)動上下兩只開關(guān)管。這樣每當(dāng)電源極性變化時，異或門調(diào)轉(zhuǎn)PFC控制芯片輸出信號的高低電平，從而調(diào)轉(zhuǎn)了兩只開關(guān)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控制芯片UC3852

　　臨界電流模式PFC控制芯片UC3852是一種性能優(yōu)良而應(yīng)用相當(dāng)便捷的PFC控制芯片。UC3852為8腳芯片，具體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。其中1腳為電壓采樣，與內(nèi)部5V電壓基準(zhǔn)比較。8腳為內(nèi)部比較器補償腳。3腳，4腳分別接電阻和電容來控制開關(guān)頻率。2腳為電流采樣，通過內(nèi)部比較器-10mV基準(zhǔn)來實現(xiàn)臨界電流控制的功能。

　　可以看出UC3852外圍電路設(shè)計相當(dāng)簡潔，尤其是其不需要輸入電壓檢測而特別適用于圖騰Boost PFC電路。

　　
3.驅(qū)動電路

　　從圖4可以看出異或輸出后的信號需經(jīng)過分相處理才能驅(qū)動上下兩只開關(guān)管。針對圖騰柱Boost電路的類似半橋結(jié)構(gòu)特點，特選用意法半導(dǎo)體的半橋驅(qū)動芯片L6384。L6384將一路輸入信號分相處理后分別驅(qū)動上下兩只開關(guān)管且外圍接有自舉電容設(shè)計，其具體結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示。

　　
系統(tǒng)仿真與實現(xiàn)

　　按照上面提出的方法，采用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(jié)果表明，系統(tǒng)穩(wěn)定，功率因數(shù)較高，滿足預(yù)先的設(shè)計要求。

　　
以交流Vin＝85~265V，Vo＝400V的150W功率因數(shù)校正電路作為試驗?zāi)Ｐ?，IRF840作為開關(guān)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(shù)達到99％以上，其效率比傳統(tǒng)臨界電流模式下Boost PFC電路高接近1％。

結(jié) 論

　　本文分析了圖騰柱Boost PFC拓?fù)涞牡湫凸ぷ髂B(tài)，提出了一種利用現(xiàn)有Boost PFC芯片UC3852實現(xiàn)其拓?fù)涔δ艿暮唵畏椒?。通過系統(tǒng)仿真和試驗驗證，證明了此控制方案穩(wěn)定，可靠。由于本身電路的優(yōu)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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