1、    基于One Cycle控制技術的無整流橋PFC設計應用    基于One Cycle控制技術的無整流橋PFC設計應用    類別：電源技術      常見的用于整流橋輸人方式的升壓PFC電路承受了很高的傳導損耗，用無整流橋的升壓技術能夠取得更高的效率，這種新電路包含了電壓檢測、電流檢測。結果表明，這種電路能夠對效率和EMI有很大改善。 、簡介 由于單開關的CCM 方式PFC結構簡單， EMI濾波器外形小巧而被

2、廣泛應用。此電路在小功率范圍內有較低的效率，因為它有很高的導通抿耗和開關損耗。隨著結型MOSFET和肖特基二極管的不斷發展，PFC電路的開關損耗已經有顯著的減小。同時，該電路也存在整流橋的正向壓降帶來的高導通損耗，特別是在低電壓輸入時。 為了減小整流橋的導通損耗，使不同的電路拓撲都相應得到發展。根據這些拓撲，無整流橋的升壓技術不需要寬范圍的開關，它展現出結構簡單和很高的性能。 這種無整流橋的PFC電路，輸人端沒有整流橋，因雨有很低的導通損耗。盡管此電路結構筒單，但升壓電感的位置在AC的一側，導致很難檢測AC邊的線電壓和電感電流。 與此同時，由于AC邊電感結構造成對應線路輸入而言的輸出浮動，此電

3、路伴有很高的共模噪聲。 與平均電流型控制相比， One Cycle控制技術展示出很多優點，它不需要乘法器夕不靄要輸人電壓檢測，也不需要電感電流檢測。因此，One Cycle控制的無整流橋PFC電路是非常有吸引力的。 在此文中，One Cycle控制技術是在無整流橋 PFC電路的應用。關于電壓檢測和電流檢測在無整流橋PFC fifig One Cycle 控制技術中得以解決，具有很高的效率和很好的功率因數校正功能，同時，對EMI也有很好的控制。 二、無整流橋的PFC電路 無整流橋PFC 電路如圖1所示，在AC邊設置相互分離的升壓電感組成一種升壓結構。無整流橋PFC等效電路如圖2 所示。對于此半周

4、期，MOSFET VI和升壓二極管VD1再加上升電感一起構成了一個升壓DCDC變換器。同時，MOSFET 相當于一個普通的二極管來工作。輸人電流和輸人電壓都由此升壓變換器控制。 在另外半個周期，工作原理是一樣的。因此，在每半個周期，其中一個MOSFET作為有源開關工作，另外一個MOSFET作為二極管工作。這兩個MOSFET的驅動信號相同。 圖1 無整流橋PFC電路 圖2 無整流橋PFC等效電路 表1 傳統 PFC與無橋的PFC的區別 無整流橋PFC與普通PFC 的區別見表1。在同一時刻，比較這兩個電路的傳導通道，無整流鞒的PFC電感電流僅僅通過這兩個半導體器件，而普通PFC 電路的電感電流則通

5、過3個半導體器件。 表1所示，無整流轎的PFC用一個MOSFET的體二極管來代替普通PFC 電路的兩個較慢恢復二極管。曲于這兩個電路都作為升壓變換器，因此它們的開關損耗是一樣的。 在這兩個電路中，盡管效率都有所改善，但導通損耗是不同的。與普通的PFC相比，無整流橋的PFC不僅減低了導通損耗，而且減少了元器件。 為了估計無整流橋PFC電路效率的提高，戍原理分析比較其損耗。此電路選開關是一個22A， 600V的結型MOSFET，升壓二極管選擇的是GBPC2506W， 25A、600V，用這些器件導通損耗模型的方法畫出這些器件的導通損耗曲線。由于電感電流是瞬時的，只能畫出這兩種器件在90V輸人電壓和

6、不同輸出功率下的導通損耗曲線。兩種PFC 電路二極管抿耗比較如圖3所示。 對于整個功率范圍，無整流橋的PFC在滿功率的水平能將總效率提高1 。考慮到 MOSFET 的導通電阻很小，用同步整流方式的MOSFET，可以進一步減小損耗。MOSFET B通損耗的估是基于其較低的體二極管壓降和導通電阻。兩種 PFC 電路MOS損耗比較如圖4所示，這兩種情況的功率損耗相似。 盡管同步整流器在低功率時對損耗有少量改善，在MOSFET 溫度升高后，這種改善隨之消失。因為溫度升高，其導通電阻也隨之增大，由于同步整流器結構復雜，所以不宜采納。 圖3 兩種PFC電路二極管損耗比較 圖4兩種PFC 電路MOS損耗比較

7、 三、無整流橋PFC電路提出的挑戰 如圖1 所示，無整流橋PFC電路中沒有輸人的橋式整流二極管，其升壓電感是放置在AC邊。由于電路的輸人、輸出沒有直接相連，因此，無整流橋PFC電路有輸人電壓檢測、電流檢測和抗EMI電路。 ： 電壓檢測和電流檢測相關連去控制無整流橋PFC電路。對于普通的PFC電路，有幾種不同的控制方法己經得到開發，例如平均電流型控制、峰值電流型控制、One Cycle控制。 平均電流型控制是最普遍用的控制方法，因為它性能優越且易掌握。控制器把輸人電壓信號和電壓環內輸出電壓信號的乘積作為電流基準，同時，電流環用來控制電感平均電流，兩者的誤差放大信號送到 PWM。 One Cycl

8、e控制技術為：控制器用電壓環的輸出龜壓和電感峰值電流來計算每一個開關周期的占空比。由于占空比是根據升壓咆路的輸人和輸出電壓的關系來計算，盡管完成了率因數校正，電感電流的峰值也自動地隨著輸人電壓而形戚。 1、輸入電壓檢測 對于傳統的PFC電路，輸人電壓檢測是簡單的，因為整流橋的存在，利用分壓原理， 被整流的輸入電壓能夠直接被分壓器檢測到，如圖5所示。 對于無整流橋PFC電路，困為沒有整流橋就沒有地方可以用分壓去檢測輸入電壓。一個線路頻率變壓器就是一個簡單的檢測電壓工具，如圖6所示。對于一個龐大且成本很高的低頻變壓器，就就效率的設計而言是不可取的。 圖5 傳統PFC的輸人電壓檢測 圖6 無橋PFC

9、的電壓檢測1 作為電壓檢測，光耦器件檢測也是一種好方法，因為它具有隔離特性，如圖7所示。與普通分壓檢測相比，為了獲得較低畸變的電壓，寬電流范圍的高線性光耦器件并不實際也更加復雜。 對于平均電流型控制，電感電流作為基準是基于被檢測的輸人電壓，輸入電壓檢測是很有必要的，但相應的成本很高，變換器也很龐大。 One Cycle控制技術已相當成熟，它是通過峰值電感電流和電壓環的輸出電壓共同作用，從而沒有必要作輸人電壓的檢測。 普通的PFC電路，電壓檢測簡單，從而造成One Cycle控制技術的優點不是很明顯。無整流橋PFC 電路，其電壓檢測復雜，因此One Cycle控制技術優勢更加明顯。 2、電流檢測

10、 傳統的PFC電路，電感電流檢測很簡單。在電感電流回路放置一個分流電阻，利用共地控制來檢測電感電流，如圖8所示，對于電流檢測不需要隔離。 圖7 無橋PFC的電壓檢測2 圖8 傳統PFC的電流檢測 對于無整流橋PFC電路，作為輸出，電感回路不能共用一個地。因此，需要用隔離的方法來檢測。和電壓檢測一樣，一個60Hz的電流型變壓器就可以直接解決電流檢測的問題。 通常一個低頻變壓器電流信號相位的延遲會造成率因數的降低。 另一個隔離的辦法是利用差模放大器，如圖9所示。由于此PFC 電路的開關是一個高頻、高輸出電壓的開關，因而有很高的共模電壓，將給電流信號中帶來很大的噪聲。這個檢測電流的電壓將功率損耗減到

11、很小，而電流噪聲則會降低功率因數。另外，和分流電阻的方法相比，差模放大器的成本很高。 換一種方法，電感電流能夠用功率開關和升壓二極管翹流重新模擬出來。為了檢測電流，由于有不同的電感電流傳導通道，總共需要設置3個電流互感器。 如圖10示，給出了這3個互感器的位置，用3個檢測電流的和，重新模擬產生輸人電流。 對于平均電流型控制，作為電流環，電感的平均電流是需要的。但是，對于OneCycle控制技術，電流檢測僅僅需要電感峰值電流，因此，電流檢測能夠被簡化。 用兩個同型號的電流互感器和開關，電感峰值電流則很容易檢測。同時，電流互感器的使用也能夠減少分流咆阻所帶來的功率損耗。和電壓檢測一樣，這種簡單的電

12、流檢測辦法，用One Cycle控制比普通的PFC電路控制更具吸引力。 圖9 差模放大器無橋PFC電流檢測 圖10用電流互感器做電流檢測 3、EMI 噪聲 EMI 噪聲取泱于電源功率級的結構。普通的PFC電路，輸出電壓的地總是通過整流橋和輸入線路相連，因此在MOSFET 的漏與地之間的寄生電容造成了主要的共模噪聲，如圖11所示。 對于無整流橋PFC電路，與輸人線路相關，輸出電壓總是浮動的。因此，不僅MOSFET 的漏與地之閫的寄生電容Cd1和Cd2。所有輸出端和地之間的寄生電容CN和CP都造成共模噪聲，如圖12所示。 圖11 傳統PFC中寄生電容產生的噪聲 圖12 無橋PFC中寄生電容產生的噪

13、聲 無橋PFC 寄生電容上的電壓如圖13所示。由MOSFET漏和地之間的寄生電容Cd1和Cd2上的dvdt可以看出，VCd1和VCd2是反極性的。 圖13 無橋PFC寄生電容上的電壓 精心的設計寄生電容會在很太程度上抑制噪聲。由輸出端到地之間的寄生電容Cn和Cp，產生的dvdt可以看出，VN和VP是同極性的，也就是沒有辦法消除噪聲。 考慮到這些電容不僅包括PFC電路輸出級的寄生電容，還包括輸入負載的那部分寄生電容，與普通PFC電路相比，無整流橋PFC電路的共模噪聲情況更糟。 為了解決EMI的噪聲問題，介紹一種新的無整流橋PFC 電路來減少EMI 噪聲的技術，如圖14所示。與原來的無整流橋PFC

14、 電路相比，在輸出電壓到AC端輸人線路之間建立的高頻通道上，增加了兩個電容。 圖14 整流橋PFC減少EMI噪聲 四、實驗結果 基于上述的分析，無整流橋PFC電路的One Cycle控制既簡化了電路，又提高效率。One cycle的控制方法更適合無整流橋的PFC電路。 用IR1150S控制器設計了一個500W、100kHz開關頻率，通用的線路輸入，OneCycle控制無整流橋PFC 電路。選用600V、22A的結型MOSFET和600V、4A的SiC二極管。另外，用同樣的元器件設計了一個普通的PFC電路作為比較參照。 輸人電壓和電流波形如圖15所示。輸入電壓和龜流基本同相位。因此，用OneCy

15、cle控制的功率因數得到很好的校正。在90V輸人電壓時，兩種PFC電路的效率比較如圖16所示。 圖15 無橋PFC的輸入電壓和電流波形 在整個功率范圍內，其效率和理論分析是一致的，提高了1。在滿載輸出功率和不同輸入線路中，功率因數的比較如圖17所示。結果表明，在整個輸人線路中，用One Cycle控制的功率因數較高。無整流橋PFC電路和普通 PFC電路對EMI性能測試的比較，如圖18和圖19所示。測試結果表明，在低頻段，這兩種電路的噪聲相似。盡管在高頻段，無整流橋PFC電路的噪聲略高一些，但也是可以控制的。 圖16 兩種PFC電路的效率比較 圖17 不同輸入電壓時的功率因數比較 圖18 傳統PFC的EMI噪聲 圖19 無橋PFC的EMI噪聲 五、結論 無整流橋PFC技術大大降低了輸入整流器的導通損耗，提高了效率，效率提高了1%。 至于