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.
IR1150 ICE1PCS01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Fariborz Musavi的 Efficiency Evaluation of Single-Phase Solutions for
AC-DC PFC Boost Converters for Plug-in-Hybrid
Electric Vehicule Battery Chargers这个文章
下接：大功率无桥PFC研究系列(2):http://www.51hei.com/bbs/dpj-30913-1.html
|
