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基于精密整流电路的无桥PFC的研究

发布时间:2020-06-30 18:40:37 阅读: 来源:验布机厂家

1 引言

本文引用地址: 单相PFC中,由于输入整流桥的存在限制了整个电路效率的提高,为了减小整流桥的损耗,提出了很多新的拓扑,在这些拓扑中,无桥PFC由于其结构、控制简单而得到广泛的应用[1][2]。相对于传统的Boost PFC拓扑,DBPFC由于省略了输入整流桥,效率可以提高约1%~2%,但是由于电感的特殊位置,使得电流检测变的困难。本文利用精密整流电路对输入电流进行检测,具有简单可靠的优点。

2 DBPFC的工作模式

图1 DBPFC拓扑结构

图1为DBPFC拓扑结构,其工作状态按照输入电压的不同可以分成两个阶段。当输入处于VL>VN的正半周时,L1,L2,S1和D1组成Boost电路,S1开通时流过电感L1,L2的电流增加(方向如图所示),电感储能。S1关断时电流流过D1向负载提供能量,流过电感L1,L2的电流减小。S2在该阶段内均流过反向电流处于续流状态,反向电流流过S2沟道还是它的体二极管要看S2是否有驱动信号。当输入电压处于VLVN的负半周时,L1,L2,S2和D2组成Boost电路,S1流过反向电流处于续流状态。随着输入电压处于不同时期,两阶段交替出现。

由以上分析可知因为DBPFC没有整流桥,输入电压和电感电流的方向都是周期性

变化的。这就使得传统PFC控制所需的输入电压、电感电流的检测较为困难。

3 无桥PFC电路的控制方式

传统的连续电流模式PFC控制均需要使用乘法器来实现输入电流对输入电压的跟踪。这就需要对输入电压、电感电流波形的采样。而对于无桥PFC来说,输入电压和电感电流采样均无法采用传统的方法。为了避免增加控制的复杂性,采用无须输入电压采样的单周期PFC芯片。

在传统Boost PFC拓扑中,由于存在整流桥,电感电流方向恒定。只需一个电流采样电阻即可获得电感电流信号(如图2)。

图2. 传统PFC的电流检测

而在无桥PFC中电感电流的方向是周期性变化的,这使得电阻采样输出是正负变化的信号,不符合单周期控制芯片需要的单极性电流信号,且考虑到大功率应用下采样电阻的损耗比较大,从而降低了整个电路的效率。图3是一种利用运放采样输入电流的方法,但是由于PFC电路工作在高开关频率和高输出电压下,这种高共模电压会在输入电流上叠加一个额外的噪音,这样输入电流的PF值就不会太高。另外,这种采样方式的损耗将比电阻采样还要高[3]。

图3. 基于运放的无桥电流检测电路

图4为文献[4]中提出的一种较复杂的电流互感器检测电路来还原电感电流信号。但是由于二极管的导通压降,使整流后波形的幅值减小,且过零点处波形严重失真,这将使PFC电流在过零出严重畸变,降低PF值,且采样电路比较复杂。

图4 文献[4]中提到的电流检测

本文提出将精密整流电路引入DBPFC的控制,消除二极管导通压降带来的不利因素。

4 精密整流电路的运用

精密整流能将微弱的交流电转换成单向的脉动电,此电路由精密二极管来实现,如图5

图5 精密整流原理图

设图中运放的增益为A,UD为二极管导通压降。当二极管导通时,有

(1)

所以可得 (2)

式(2)表示与普通二极管整流相比,精密整流将二极管导通压降UD的影响减小到了,因此UD的影响可以忽略不计。

由以上分析可得,精密整流电路的传输特性:

当ui>0时,uo1>0,二极管导通,uo≈ui;

当ui≤0时,uo10,二极管截止,uo=0。

试验中实际采用的精密半波整流电路,如图6所示。

其工作原理为:

当uif>0时,ua0,uc0,D1、D4截止,D2、D3导通。运放A1工作在方向比例放大状态,有,所以运放A2工作在深度负反馈状态,R9上没有电流流过,因此ud=0。

同理,当uif0时,ua>0,uc>0,D1、D4导通,D2、D3截止。运放A1工作在深度负反馈状态,R3上没有电流流过,因此ub=0。运放A2工作在反向比例放大状态,有 ,所以

5 实验验证

设计研制了一台基于精密整流电路电流检测的单周期控制无桥PFC,来验证理论分析的正确性。控制芯片是IR1150S,实验主要参数:输入交流电压:115V,最大功率:300W,开关频率:100KHZ,输出电压:380V。开关管选用SPW20N60S5,超快恢二极管D1、D2选用STTA860D,图7是在输入90V满载时候的实验波形。

CH1:输入电压(100V/格)

CH2:输入电流(5A/格)

图7、输入电压和电流波形

CH1:输入电压(200V/格)

CH2:检测电流(5A/格)

图8、输入电压和检测电流波形

实验结果表明输入电流很好的跟踪了输入电压,波形质量好,PF值高。

图9为PF随输出功率变化曲线,可以看出,满足IEC6000-3-2标准,当输出额定功率时,其功率因数为0.997。图10可以看出DBPFC的效率比传统的Boost PFC高2%,跟理论分析一致。

图8、输出功率----PF曲线

图9、传统Boost PFC与DBPFC效率比较5 结论

本文研究了一种基于精密整流电路的无桥Boost PFC,采用新型的单周期控制,其中采样电路采用新型的精密整流电路,详细分析了它的工作原理,一台300W的实验样机获得了良好的输出电流波形,减小了整机的体积,且取得了较高的PF值。

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