大功率无桥PFC研究

PFC是一种解决传统AC整流电路引起的电网污染问题的电路.常规整流滤波电路的整流桥只有在输入正弦波电压接近峰值时才会导通,因此导致了输入电流程严重非正弦性,导致输入产生了大量谐波电流成份,降低了电网的利用率同时有潜在的干扰其他电器的可能.PFC电路通过对输入AC电流进行'整形',使输入电流为近似和输入电压同相位的正弦波,达到了输入功率接近1的可能.常用的PFC电路均为Boost升压拓扑,根据Boost拓扑在不同工作模式(DCM\BCM\CCM)下的特性不同,控制方法可以分为3种。BCM和CCM采用的较多,BCM为变频控制,可以实现零电压开启(降低开通损耗),但是较高的开关管有效电流限制了它只能在中小功率的场合,大功率场合是CCM的天下。对于CCM的PFC,主要问题是二极管的反向恢复问题,在反向恢复期间产生的大反向电流会产生额外的损耗还有潜在干扰电路的风险.具体可以通过增加RC电路(有损)或者ZVT技术(无损,但是比较复杂)进行解决,这里暂时不进行讨论。由于PFC通常被设计成宽电压输入模式(85-265V输入)，在低输入电压时输入电流会比较大,当输出功率比较大时,各功率器件尤其是输入整流桥的电流压力和散热压力尤为明显.如下图当开关管开通时,电流会经过2个低速整流二极管,1个mos管,当开关管关闭的时候,电流会经过2个低速整流管和1个快恢复二极管。对于110V情况下输出1500W的PFC来说,整流桥损耗可达30W左右,是一个相当可观的数字，如果能通过改进拓扑取消掉整流桥,将会极大的提高效率.改进的电路如下图,它在每个正周期内和负周期内等效为1个普通的Boost拓扑:电感电流上升的周期(相当于普通Boost中mos开通时),电流经过2个mos管(其中一个反向导通),当电感电流下降时,电流经过1个mos的体二极管和一个快恢复二极管.由于经过的半导体数目减少了,而且mos具有更低的导通电阻,因此能极大的提高效率。两个mos管可以直接由传统CCM控制芯片同时驱动,也可以加入同步整流逻辑之后驱动,这样可以在电感电流下降的时候提供一个mos管的低压降导通回路,再提升那么一点点效率.这种拓扑带来效率提升的同时,也带来了一些新的问题:1.由于PFC的主体都在高频电感之后,相对于大地(Earth)的电位是高速变化的,会产生更高的EMI问题,通过采用双对称绕组电感和增加一些高频回路可以减轻这个问题2.由于采用了双对称绕组电感,PFC主体和AC线路没有直接的联系,因此对于控制电路来说,检测交流线路的有效电压值和瞬时电压值都变得极为困难,由于有两个mos管,电流的回路也变得比较复杂,无论用互感器或者电阻都不能简单的获得一个精确的包含电感高频电流成品的信号.这使得传统CCM控制芯片不能发挥用武之地。IR1150ICE1PCS01为国际整流器公司和英飞凌公司推出的单周期控制IC,他们可以不需要检测AC线路的电压就完成PFC的任务.电流检测仍然是个问题,并且IR1150对噪声很敏感,于是窝准备采用ICE1PCS01,毕竟素德国人的东西,以稳定著称.注:本文中的图片来自FariborzMusavi的EfficiencyEvaluationofSingle-PhaseSolutionsforAC-DCPFCBoostConvertersforPlug-in-HybridElectricVehiculeBatteryChargers这个文章上次说到无桥PFC,实际上有很多种不同样式的无桥PFC.详见：做产品需要考虑效率,稳定性,成本,EMC(电磁兼容)等不同因素,有的时候必须在这之间进行取舍.这里有六种无桥PFC,分别是:标准无桥PFC这种PFC在正负半周的时候,两个管子一个续流一个充当高频开关这种拓扑的优点是使用功率元件比较少,两个管子可以一起驱动,这简化了驱动电路的设计,同时让直接使用传统APFC的控制芯片成为可能.但它同时存在几个问题,电流流向复杂而且不共地,电流采样困难,有较大的共模干扰因此输入滤波器要仔细设计针对头一个问题,ST公司和IR公司的一些应用文档中已经比较详细的介绍了两种比较可行的采用互感器的方法双Boost无桥PFC这种拓扑由标准无桥PFC改良而来,增加了D3和D4作为低频电流的回路,S1和S2只作为高频开关而不参与低频续流同标准无桥PFC,S1和S2能同时驱动,而在两个低频二极管D3和D4之后插入取样电阻又可以像普通PFC简单地传感电流同时这种拓扑具有更低的工模电流但是这种拓扑必须使用两个电感,电流流向有不确定性,低频二极管和mos的体二极管可能同时导通,增加了不稳定因素'双向开关无桥PFCS1和S2组成了双向开关,他们可以同时驱动,采用电流互感器可以很容易的检测电流,D1和D3为超快恢复二极管,D2和D4可以采用低频二极管缺点在于整个电路的电势相对于大地都在剧烈变化,会产生比标准无桥PFC更严重的EMC问题,输出电压无法直接采样,需要隔离采样(使用光耦,但是会增加复杂度)图腾柱PFC由标准无桥PFC演化而来,但是原理稍微改变D1和D2为低频二极管,S1和S2的体二极管提供高频整流开关作用这种电路具有较低的EMI,使用元件较少,设计可以很紧凑但是S1和S2需要使用不同的驱动信号,工频周期不同信号也不一样,增加了控制的复杂性,S2不容易驱动(可以尝试IR2110等自举驱动芯片)S1和S2如果采用mos,mos的体二极管恢复较慢(通常数百ns)会产生较大的电流倒灌脉冲,引起很大的损耗,足以抵消无桥低损耗的优势S1和S2如果采用IGBT,虽然其体二极管的性能没问题,但是其导通压降比较大,也会产生很高的损耗,尤其是在低电压输入的情况下现在有一些国外公司在研制GaN和SiC高性能开关管,开关速度极快,没有体二极管反向恢复问题,这些技术尚在研发中,现在是在市场上见不到这些产品的.如果未来这些高性能器件能大规模普及,图腾柱PFC将有机会成为最流行最高效的PFC拓扑假图腾柱PFC在图腾柱PFC基础上演化而来D2和D4代替了原来S1和S2内部的体二极管的续流作用控制方式和图腾柱PFC完全相同这种拓扑需要两个电感,利用率不高,体积较大,S2极难驱动这种拓扑只能算在高性能开关器件诞生前的一种这种方案介绍了这六种PFC,每一时刻电流只通过两个功率开关器件,比传统PFC的三个少,在不使用软开关和交错技术的情况下,理论上这些拓扑的损耗几乎相差无几,都比传统PFC高剩下的主要就从EMC和易于实现的角度考虑了综合考虑下来还是采用标准无桥PFC作为现阶段的拓扑,GaN开关器件普及之后采用图腾柱PFC图片来源:ConductionLossesandCommonModeEMIAnalysisonBridgelessPowerFactorCorrectionByQingnanLi,MichaelA.E.Andersen,OleC.Thomsen上接：大功率无桥PFC研究系列(2):经过之前的讨论和权衡，最终决定试制标准无桥PFC的样机。设计指标输入85-265VAC，输出400VDC，最大输出功率1.5kw，在85V输入时也达到1.5kw窝选择UCC28019作为核心控制芯片，这是一款单周期平均电流控制的PFC芯片，单周期控制技术只需要采样输入电流和输出电压即可完成PFC功能，传统的CCM模式的PFC芯片需要额外采样输入电压的瞬时值和有效值，这俩在无桥PFC中很难直接采样。因此单周期控制方案成为了首选。UCC28019的开关频率为固定的65KHz，对于这个1.5kw级别的应用正好，是在电感体积和开关损耗之间的一个不错的平衡芯片带有超压保护、开环保护、输入电压过低保护、过流保护、过热保护等功能比较难攻克的地方就是电流采样，幸运的是ST公司的一片应用文档已经给出了不错的解决方案，在这里感谢他们！图来自ST公司的AN1606文档这里有L1和L2两个电感，L1对功率管电流进行采样，L2对二极管电流采样，合成之后便是含有高频成分的电感电流波形。当AC上正下负的时候，当M2开启时L1b和次级传感了M2的电流，M2关闭之后L2则传感了二极管波形当AC上负下正的时候，当M1开启时L1b和次级传感了M1的电流，M2关闭之后L1a和L1b产生了相反的磁通，互相抵消，此时L2传感了二极管的电流波形Q1的作用是为了防止L1的磁芯通过次级的二极管进行磁复位，防止输出的信号含有复位电流成分由了这个检测方法，就可以准确的反应出电感电流的波形，从而提供给芯片进行功率因数校正窝计算得到的电流采样电阻为0.018欧，因此互感器就采用1：260的，而次级的负载电阻为4.7欧，较高的互感器初次级比有助于抵消二极管的非线性影响。两个电流互感器用0.2的漆包线绕260圈，然后穿过粗漆包线制成，结构如下：采用互感器之后，功率回路和信号回路更独立，因此得到的电流信号更纯净主功率电感和UCC28019的反馈和补偿回路的设计与传统的有桥PFC完全一致，因此可以方便的采用TI公司提供的excel表格进行快速计算。为了降低EMC问题，输出电感采用双绕组耦合工艺，圈数和传统PFC所需的一样，只不过分成两部分来绕：窝的电感采用了1.8mm的漆包线绕制，因为是CCM的，所以高频电流成分很少，基本能按照工频标准选择线径磁环采用90导磁率的77442控制部分和功率部分的参数如下：C401和C402用于提供高频回路并降低EMC问题D407和D408用于在启动的时候给高压电容充电，防止电流冲击电感继电器用于在PFC正常工作之后短路启动限流的NTC电阻，降低损耗这是给控制电路供电的开关电源电路，AG_15V用于给软起动电路、同步整流控制电路和低压保护电路供电，电路采用了无光藕的形式，保证了AG_15V那路的输出稳定，反激变换器有交叉调整问题，为了保证PFC芯片得到稳定供电，IC102充当了稳压的作用。下面介绍其他的一些控制电路首先是低压保护功能，防止在电网电压过低时PFC输入过大电流而烧毁这部分电路利用NE555的锁存和比较功能实现，需要结合NE555内部原理分析。输入的AC经过整流滤波后进行检测，当6脚电压大于5脚电压时输出变为低电平，光藕得电工作，AC_GOOD信号传递给PFC芯片使之开始工作，当IC201A的5脚小于5.2V之后，2脚电压变低，3脚输出高电平关闭光藕，此时PFC芯片被禁止工作以达到保护目的。然后是同步整流控制电路稳压管用于保护比较器，电容用于滤波。之所以用输入AC分压后和一个非零电压比较是为了在Sync1和Sync2之间产生一定死区时间避免同时长时间导通引起炸鸡最后是软起动电路最终的PCB：实物图和带2.4kw负载的图片：