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基于UC3852的圖騰柱Boost PFC電路的研究

發(fā)布時(shí)間:2007/8/23 0:00:00 訪問(wèn)次數(shù):1280

來(lái)源:EDN電子設(shè)計(jì)技術(shù)


引言


電力電子裝置的大量頻繁使用給電網(wǎng)造成了很?chē)?yán)重的諧波污染,因此必須引入功率因數(shù)校正(PFC)電路,使其輸入電流諧波滿足現(xiàn)有的諧波要求。在小功率應(yīng)用中,工作于臨界連續(xù)電流模式下的傳統(tǒng)BoostPFC拓?fù)鋄1~2],因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,穩(wěn)定性好,開(kāi)關(guān)應(yīng)力小得到了廣泛的應(yīng)用。

隨著對(duì)轉(zhuǎn)換效率的要求提高,由傳統(tǒng)BoostPFC拓?fù)溲苌鴣?lái)的無(wú)橋Boost拓?fù)渲饾u成為研究的熱點(diǎn)。它略掉了BoostPFC前端的整流橋,減少了一個(gè)二極管的通態(tài)損耗,提高了效率。但其相對(duì)嚴(yán)重的EMI[3]效果是阻礙其廣泛應(yīng)用的很大因素。

針對(duì)這種情況,人們提出了另外一種拓?fù)洌篢otem-PoleBoostPFC拓?fù)。但其傳統(tǒng)控制較為復(fù)雜而且不可利用現(xiàn)有的傳統(tǒng)BoostPFC控制芯片。本文主要研究Totem-PoleBoostPFC拓?fù)洌瑥钠湓砣胧,分析其?yōu)缺點(diǎn),提出一種相對(duì)簡(jiǎn)單的控制方案。


圖1 Totem-PoleBoost拓?fù)?/STRONG>


Totem-PoleBoost的主電路如圖1所示,可以看出其元器件數(shù)目上與BridgelessBoost完全相同,理論

上同樣能夠得到較高的效率。

分析這個(gè)拓?fù)淇梢钥闯,在電源輸入電壓的正半周,電感電流為二極管D2截止,D1導(dǎo)通,可以分為兩個(gè)模態(tài),如圖2所示。開(kāi)關(guān)管S2的體二極管構(gòu)成導(dǎo)通給負(fù)載供電,電感儲(chǔ)能減少,開(kāi)通S1時(shí),S2的體二極管截止,電感儲(chǔ)能增加。于是開(kāi)關(guān)管S1和S2的體二極管構(gòu)成BoostPFC結(jié)構(gòu)。


圖2 輸入電壓為正時(shí)的兩種工作模態(tài)


同樣的,在電源的負(fù)半周,電感電流為負(fù),D2導(dǎo)通,如圖3示。開(kāi)關(guān)管S2和S1的體二極管構(gòu)成BoostPFC結(jié)構(gòu)。 



圖3 輸入電壓為負(fù)時(shí)的兩種工作模態(tài)


綜合電源正負(fù)極性下的各種模態(tài),兩只開(kāi)關(guān)管在輸入電壓極性變化時(shí)互換了其功能。例如,電壓過(guò)零變?yōu)樨?fù)時(shí),S1由開(kāi)通為電感儲(chǔ)能轉(zhuǎn)變?yōu)槠潴w二極管導(dǎo)通為負(fù)載供電,而S2的功能變化正好相反。所以兩只開(kāi)關(guān)管的功能是互補(bǔ)的,并隨極性變化而互換。

兩只開(kāi)關(guān)管的體二極管起到了與傳統(tǒng)BoostPFC中快恢復(fù)二極管相似的作用。但是開(kāi)關(guān)管體二極管的反向恢復(fù)時(shí)間目前最快也只能達(dá)到100n相比于快恢復(fù)二極管的幾十甚至十幾ns,差距十分明顯。因此,假如此電路用于連續(xù)電流模式,其反向恢復(fù)損耗將會(huì)非常嚴(yán)重,效率的提高也必然有限。而假如工作于臨界電流模式下,由于其沒(méi)有反向恢復(fù)問(wèn)題,故而能發(fā)揮該拓?fù)涞淖畲髢?yōu)勢(shì)。

控制策略

1.主電路拓?fù)?/STRONG>

研究此拓?fù)涞奈墨I(xiàn)多采用滯環(huán)控制的策略[4~6]。針對(duì)此拓?fù)洌瑴h(huán)控制存在穩(wěn)定性不高,不能工作于臨界電流模式下,頻率受滯環(huán)寬度限制,不能利用現(xiàn)有高效PFC芯片等諸多問(wèn)題。

為克服上述滯環(huán)控制的缺點(diǎn),圖4給出一種利用現(xiàn)有的傳統(tǒng)臨界電流PFC控制芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)Totem-PoleBoost拓?fù)涞目刂齐娐贰?nbsp; 


  


對(duì)于傳統(tǒng)Boost電路,電流采樣電阻通常置于整流橋輸出共地的一端,就能得到所需的電感電流。但對(duì)于圖騰柱Boost拓?fù)洌捎谑÷粤苏鳂,不能在一條回路上得到極性一致的電流采樣,而最為簡(jiǎn)單的是在電源的正負(fù)半周分別在D1和D2上采樣,以此得到符合傳統(tǒng)芯片要求的電流采樣值。


在輸入電壓為正時(shí),由于開(kāi)關(guān)管S1和S2的體二極管構(gòu)成BoostPFC結(jié)構(gòu),所以S1可以看作傳統(tǒng)BoostPFC的開(kāi)關(guān)管,于是Boost控制IC的信號(hào)與S1的驅(qū)動(dòng)信號(hào)相同。S2的驅(qū)動(dòng)信號(hào)與S1互補(bǔ),示電路電流的大小起到類(lèi)似同步整流的作用。同樣的,在輸入電壓為負(fù)時(shí),S2的驅(qū)動(dòng)信號(hào)與控制IC的信號(hào)相同,S1起類(lèi)似同步整流的作用。

由前面的分析得知,開(kāi)關(guān)管在輸入電壓過(guò)零時(shí)要轉(zhuǎn)變其功能,所以必須快速準(zhǔn)確檢測(cè)出輸入電壓的極性變化進(jìn)而切換兩只開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。按照這一原理,電壓采樣與0電位進(jìn)行比較,于是電壓過(guò)零檢測(cè)輸出是工頻方波,它與的PFC控制芯片輸出進(jìn)行異或運(yùn)算得到PWM控制信號(hào)。此控制信號(hào)經(jīng)分相后得到兩路互補(bǔ)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)上下兩只開(kāi)關(guān)管。這樣每當(dāng)電源極性變化時(shí),異或門(mén)調(diào)轉(zhuǎn)PFC控制芯片輸出信號(hào)的高低電平,從而調(diào)轉(zhuǎn)了兩只開(kāi)關(guān)管的功

來(lái)源:EDN電子設(shè)計(jì)技術(shù)


引言


電力電子裝置的大量頻繁使用給電網(wǎng)造成了很?chē)?yán)重的諧波污染,因此必須引入功率因數(shù)校正(PFC)電路,使其輸入電流諧波滿足現(xiàn)有的諧波要求。在小功率應(yīng)用中,工作于臨界連續(xù)電流模式下的傳統(tǒng)BoostPFC拓?fù)鋄1~2],因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,穩(wěn)定性好,開(kāi)關(guān)應(yīng)力小得到了廣泛的應(yīng)用。

隨著對(duì)轉(zhuǎn)換效率的要求提高,由傳統(tǒng)BoostPFC拓?fù)溲苌鴣?lái)的無(wú)橋Boost拓?fù)渲饾u成為研究的熱點(diǎn)。它略掉了BoostPFC前端的整流橋,減少了一個(gè)二極管的通態(tài)損耗,提高了效率。但其相對(duì)嚴(yán)重的EMI[3]效果是阻礙其廣泛應(yīng)用的很大因素。

針對(duì)這種情況,人們提出了另外一種拓?fù)洌篢otem-PoleBoostPFC拓?fù)。但其傳統(tǒng)控制較為復(fù)雜而且不可利用現(xiàn)有的傳統(tǒng)BoostPFC控制芯片。本文主要研究Totem-PoleBoostPFC拓?fù),從其原理入手,分析其?yōu)缺點(diǎn),提出一種相對(duì)簡(jiǎn)單的控制方案。


圖1 Totem-PoleBoost拓?fù)?/STRONG>


Totem-PoleBoost的主電路如圖1所示,可以看出其元器件數(shù)目上與BridgelessBoost完全相同,理論

上同樣能夠得到較高的效率。

分析這個(gè)拓?fù)淇梢钥闯,在電源輸入電壓的正半周,電感電流為二極管D2截止,D1導(dǎo)通,可以分為兩個(gè)模態(tài),如圖2所示。開(kāi)關(guān)管S2的體二極管構(gòu)成導(dǎo)通給負(fù)載供電,電感儲(chǔ)能減少,開(kāi)通S1時(shí),S2的體二極管截止,電感儲(chǔ)能增加。于是開(kāi)關(guān)管S1和S2的體二極管構(gòu)成BoostPFC結(jié)構(gòu)。


圖2 輸入電壓為正時(shí)的兩種工作模態(tài)


同樣的,在電源的負(fù)半周,電感電流為負(fù),D2導(dǎo)通,如圖3示。開(kāi)關(guān)管S2和S1的體二極管構(gòu)成BoostPFC結(jié)構(gòu)。 



圖3 輸入電壓為負(fù)時(shí)的兩種工作模態(tài)


綜合電源正負(fù)極性下的各種模態(tài),兩只開(kāi)關(guān)管在輸入電壓極性變化時(shí)互換了其功能。例如,電壓過(guò)零變?yōu)樨?fù)時(shí),S1由開(kāi)通為電感儲(chǔ)能轉(zhuǎn)變?yōu)槠潴w二極管導(dǎo)通為負(fù)載供電,而S2的功能變化正好相反。所以兩只開(kāi)關(guān)管的功能是互補(bǔ)的,并隨極性變化而互換。

兩只開(kāi)關(guān)管的體二極管起到了與傳統(tǒng)BoostPFC中快恢復(fù)二極管相似的作用。但是開(kāi)關(guān)管體二極管的反向恢復(fù)時(shí)間目前最快也只能達(dá)到100n相比于快恢復(fù)二極管的幾十甚至十幾ns,差距十分明顯。因此,假如此電路用于連續(xù)電流模式,其反向恢復(fù)損耗將會(huì)非常嚴(yán)重,效率的提高也必然有限。而假如工作于臨界電流模式下,由于其沒(méi)有反向恢復(fù)問(wèn)題,故而能發(fā)揮該拓?fù)涞淖畲髢?yōu)勢(shì)。

控制策略

1.主電路拓?fù)?/STRONG>

研究此拓?fù)涞奈墨I(xiàn)多采用滯環(huán)控制的策略[4~6]。針對(duì)此拓?fù)洌瑴h(huán)控制存在穩(wěn)定性不高,不能工作于臨界電流模式下,頻率受滯環(huán)寬度限制,不能利用現(xiàn)有高效PFC芯片等諸多問(wèn)題。

為克服上述滯環(huán)控制的缺點(diǎn),圖4給出一種利用現(xiàn)有的傳統(tǒng)臨界電流PFC控制芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)Totem-PoleBoost拓?fù)涞目刂齐娐贰?nbsp; 


  


對(duì)于傳統(tǒng)Boost電路,電流采樣電阻通常置于整流橋輸出共地的一端,就能得到所需的電感電流。但對(duì)于圖騰柱Boost拓?fù),由于省略了整流橋,不能在一條回路上得到極性一致的電流采樣,而最為簡(jiǎn)單的是在電源的正負(fù)半周分別在D1和D2上采樣,以此得到符合傳統(tǒng)芯片要求的電流采樣值。


在輸入電壓為正時(shí),由于開(kāi)關(guān)管S1和S2的體二極管構(gòu)成BoostPFC結(jié)構(gòu),所以S1可以看作傳統(tǒng)BoostPFC的開(kāi)關(guān)管,于是Boost控制IC的信號(hào)與S1的驅(qū)動(dòng)信號(hào)相同。S2的驅(qū)動(dòng)信號(hào)與S1互補(bǔ),示電路電流的大小起到類(lèi)似同步整流的作用。同樣的,在輸入電壓為負(fù)時(shí),S2的驅(qū)動(dòng)信號(hào)與控制IC的信號(hào)相同,S1起類(lèi)似同步整流的作用。

由前面的分析得知,開(kāi)關(guān)管在輸入電壓過(guò)零時(shí)要轉(zhuǎn)變其功能,所以必須快速準(zhǔn)確檢測(cè)出輸入電壓的極性變化進(jìn)而切換兩只開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。按照這一原理,電壓采樣與0電位進(jìn)行比較,于是電壓過(guò)零檢測(cè)輸出是工頻方波,它與的PFC控制芯片輸出進(jìn)行異或運(yùn)算得到PWM控制信號(hào)。此控制信號(hào)經(jīng)分相后得到兩路互補(bǔ)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)上下兩只開(kāi)關(guān)管。這樣每當(dāng)電源極性變化時(shí),異或門(mén)調(diào)轉(zhuǎn)PFC控制芯片輸出信號(hào)的高低電平,從而調(diào)轉(zhuǎn)了兩只開(kāi)關(guān)管的功

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