基于精密整流電路的無(wú)橋PFC的研究

1 引言

單相PFC中，由于輸入整流橋的存在限制了整個(gè)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?fù)?，在這些拓?fù)渲校瑹o(wú)橋PFC由于其結(jié)構(gòu)、控制簡(jiǎn)單而得到廣泛的應(yīng)用[1][2]。相對(duì)于傳統(tǒng)的Boost PFC拓?fù)?DBPFC由于省略了輸入整流橋，效率可以提高約1%~2%，但是由于電感的特殊位置，使得電流檢測(cè)變的困難。本文利用精密整流電路對(duì)輸入電流進(jìn)行檢測(cè)，具有簡(jiǎn)單可靠的優(yōu)點(diǎn)。

2 DBPFC的工作模式

圖1 DBPFC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖1為DBPFC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其工作狀態(tài)按照輸入電壓的不同可以分成兩個(gè)階段。當(dāng)輸入處于VL>VN的正半周時(shí)，L1，L2，S1和D1組成Boost電路，S1開(kāi)通時(shí)流過(guò)電感L1，L2的電流增加（方向如圖所示），電感儲(chǔ)能。S1關(guān)斷時(shí)電流流過(guò)D1向負(fù)載提供能量，流過(guò)電感L1，L2的電流減小。S2在該階段內(nèi)均流過(guò)反向電流處于續(xù)流狀態(tài)，反向電流流過(guò)S2溝道還是它的體二極管要看S2是否有驅(qū)動(dòng)信號(hào)。當(dāng)輸入電壓處于VLVN的負(fù)半周時(shí)，L1，L2，S2和D2組成Boost電路，S1流過(guò)反向電流處于續(xù)流狀態(tài)。隨著輸入電壓處于不同時(shí)期，兩階段交替出現(xiàn)。

由以上分析可知因?yàn)镈BPFC沒(méi)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(tǒng)PFC控制所需的輸入電壓、電感電流的檢測(cè)較為困難。

3 無(wú)橋PFC電路的控制方式

傳統(tǒng)的連續(xù)電流模式PFC控制均需要使用乘法器來(lái)實(shí)現(xiàn)輸入電流對(duì)輸入電壓的跟蹤。這就需要對(duì)輸入電壓、電感電流波形的采樣。而對(duì)于無(wú)橋PFC來(lái)說(shuō)，輸入電壓和電感電流采樣均無(wú)法采用傳統(tǒng)的方法。為了避免增加控制的復(fù)雜性，采用無(wú)須輸入電壓采樣的單周期PFC芯片。

在傳統(tǒng)Boost PFC拓?fù)渲校捎诖嬖谡鳂?，電感電流方向恒定。只需一個(gè)電流采樣電阻即可獲得電感電流信號(hào)（如圖2）。

圖2. 傳統(tǒng)PFC的電流檢測(cè)

而在無(wú)橋PFC中電感電流的方向是周期性變化的，這使得電阻采樣輸出是正負(fù)變化的信號(hào)，不符合單周期控制芯片需要的單極性電流信號(hào)，且考慮到大功率應(yīng)用下采樣電阻的損耗比較大，從而降低了整個(gè)電路的效率。圖3是一種利用運(yùn)放采樣輸入電流的方法，但是由于PFC電路工作在高開(kāi)關(guān)頻率和高輸出電壓下，這種高共模電壓會(huì)在輸入電流上疊加一個(gè)額外的噪音，這樣輸入電流的PF值就不會(huì)太高。另外，這種采樣方式的損耗將比電阻采樣還要高[3]。

圖3. 基于運(yùn)放的無(wú)橋電流檢測(cè)電路

圖4為文獻(xiàn)[4]中提出的一種較復(fù)雜的電流互感器檢測(cè)電路來(lái)還原電感電流信號(hào)。但是由于二極管的導(dǎo)通壓降，使整流后波形的幅值減小，且過(guò)零點(diǎn)處波形嚴(yán)重失真，這將使PFC電流在過(guò)零出嚴(yán)重畸變，降低PF值，且采樣電路比較復(fù)雜。

圖4 文獻(xiàn)[4]中提到的電流檢測(cè)

本文提出將精密整流電路引入DBPFC的控制，消除二極管導(dǎo)通壓降帶來(lái)的不利因素。

4 精密整流電路的運(yùn)用

精密整流能將微弱的交流電轉(zhuǎn)換成單向的脈動(dòng)電，此電路由精密二極管來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖5

圖5 精密整流原理圖

設(shè)圖中運(yùn)放的增益為A，UD為二極管導(dǎo)通壓降。當(dāng)二極管導(dǎo)通時(shí)，有

（1）

所以可得 （2）

式（2）表示與普通二極管整流相比，精密整流將二極管導(dǎo)通壓降UD的影響減小到了，因此UD的影響可以忽略不計(jì)。

由以上分析可得，精密整流電路的傳輸特性：

當(dāng)ui>0時(shí)，uo1>0,二極管導(dǎo)通，uo≈ui;

當(dāng)ui≤0時(shí)，uo10,二極管截止，uo=0。

試驗(yàn)中實(shí)際采用的精密半波整流電路，如圖6所示。

其工作原理為：

當(dāng)uif>0時(shí)，ua0,uc0,D1、D4截止，D2、D3導(dǎo)通。運(yùn)放A1工作在方向比例放大狀態(tài)，有，所以運(yùn)放A2工作在深度負(fù)反饋狀態(tài)，R9上沒(méi)有電流流過(guò)，因此ud=0。

同理，當(dāng)uif0時(shí)，ua>0,uc>0,D1、D4導(dǎo)通，D2、D3截止。運(yùn)放A1工作在深度負(fù)反饋狀態(tài)，R3上沒(méi)有電流流過(guò)，因此ub=0。運(yùn)放A2工作在反向比例放大狀態(tài)，有 ，所以

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

設(shè)計(jì)研制了一臺(tái)基于精密整流電路電流檢測(cè)的單周期控制無(wú)橋PFC，來(lái)驗(yàn)證理論分析的正確性。控制芯片是IR1150S，實(shí)驗(yàn)主要參數(shù)：輸入交流電壓：115V，最大功率：300W，開(kāi)關(guān)頻率：100KHZ，輸出電壓：380V。開(kāi)關(guān)管選用SPW20N60S5，超快恢二極管D1、D2選用STTA860D，圖7是在輸入90V滿載時(shí)候的實(shí)驗(yàn)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(cè)電流（5A/格）

圖8、輸入電壓和檢測(cè)電流波形

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明輸入電流很好的跟蹤了輸入電壓，波形質(zhì)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(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)輸出額定功率時(shí)，其功率因數(shù)為0.997。圖10可以看出DBPFC的效率比傳統(tǒng)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(tǒng)Boost PFC與DBPFC效率比較
5 結(jié)論

本文研究了一種基于精密整流電路的無(wú)橋Boost PFC，采用新型的單周期控制，其中采樣電路采用新型的精密整流電路，詳細(xì)分析了它的工作原理，一臺(tái)300W的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)獲得了良好的輸出電流波形，減小了整機(jī)的體積，且取得了較高的PF值。