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(dǎo)損耗，用無(wú)整流橋的升壓技術(shù)能夠取得更高的效率，這種新電路包含了電壓檢測(cè)、電流檢測(cè)。結(jié)果表明，這種電路能夠?qū)π屎虴MI有很大改善。

　　－、簡(jiǎn)介

　　由于單開關(guān)的CCM 方式PFC結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， EMI濾波器外形小巧而被廣泛應(yīng)用。此電路在小功率范圍內(nèi)有較低的效率，因?yàn)樗泻芨叩膶?dǎo)通抿耗和開關(guān)損耗。隨著結(jié)型MOSFET和肖特基二極管的不斷發(fā)展，PFC電路的開關(guān)損耗已經(jīng)有顯著的減小。同時(shí)，該電路也存在整流橋的正向壓降帶來(lái)的高導(dǎo)通損耗，特別是在低電壓輸入時(shí)。

　　為了減小整流橋的導(dǎo)通損耗，使不同的電路拓?fù)涠枷鄳?yīng)得到發(fā)展。根據(jù)這些拓?fù)?，無(wú)整流橋的升壓技術(shù)不需要寬范圍的開關(guān)，它展現(xiàn)出結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和很高的性能。

　　這種無(wú)整流橋的PFC電路，輸人端沒(méi)有整流橋，因雨有很低的導(dǎo)通損耗。盡管此電路結(jié)構(gòu)筒單，但升壓電感的位置在AC的一側(cè)，導(dǎo)致很難檢測(cè)AC邊的線電壓和電感電流。

　　與此同時(shí)，由于AC邊電感結(jié)構(gòu)造成對(duì)應(yīng)線路輸入而言的輸出浮動(dòng)，此電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(shù)展示出很多優(yōu)點(diǎn)，它不需要乘法器夕不靄要輸人電壓檢測(cè)，也不需要電感電流檢測(cè)。因此，One Cycle控制的無(wú)整流橋PFC電路是非常有吸引力的。

　　在此文中，One Cycle控制技術(shù)是在無(wú)整流橋 PFC電路的應(yīng)用。關(guān)于電壓檢測(cè)和電流檢測(cè)在無(wú)整流橋PFC fifig One Cycle 控制技術(shù)中得以解決，具有很高的效率和很好的功率因數(shù)校正功能，同時(shí)，對(duì)EMI也有很好的控制。

　　二、無(wú)整流橋的PFC電路

　　無(wú)整流橋PFC 電路如圖1所示，在AC邊設(shè)置相互分離的升壓電感組成一種升壓結(jié)構(gòu)。無(wú)整流橋PFC等效電路如圖2 所示。對(duì)于此半周期，MOSFET VI和升壓二極管VD1再加上升電感一起構(gòu)成了一個(gè)升壓DC／DC變換器。同時(shí)，MOSFET 相當(dāng)于一個(gè)普通的二極管來(lái)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(gè)周期，工作原理是一樣的。因此，在每半個(gè)周期，其中一個(gè)MOSFET作為有源開關(guān)工作，另外一個(gè)MOSFET作為二極管工作。這兩個(gè)MOSFET的驅(qū)動(dòng)信號(hào)相同。

          圖1 無(wú)整流橋PFC電路                                      圖2 無(wú)整流橋PFC等效電路

表1 傳統(tǒng) PFC與無(wú)橋的PFC的區(qū)別

　　無(wú)整流橋PFC與普通PFC 的區(qū)別見表1。在同一時(shí)刻，比較這兩個(gè)電路的傳導(dǎo)通道，無(wú)整流鞒的PFC電感電流僅僅通過(guò)這兩個(gè)半導(dǎo)體器件，而普通PFC 電路的電感電流則通過(guò)3個(gè)半導(dǎo)體器件。

　　表1所示，無(wú)整流轎的PFC用一個(gè)MOSFET的體二極管來(lái)代替普通PFC 電路的兩個(gè)較慢恢復(fù)二極管。曲于這兩個(gè)電路都作為升壓變換器，因此它們的開關(guān)損耗是一樣的。

　　在這兩個(gè)電路中，盡管效率都有所改善，但導(dǎo)通損耗是不同的。與普通的PFC相比，無(wú)整流橋的PFC不僅減低了導(dǎo)通損耗，而且減少了元器件。

　　為了估計(jì)無(wú)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(guān)是一個(gè)22A， 600V的結(jié)型MOSFET，升壓二極管選擇的是GBPC2506W， 25A、600V，用這些器件導(dǎo)通損耗模型的方法畫出這些器件的導(dǎo)通損耗曲線。由于電感電流是瞬時(shí)的，只能畫出這兩種器件在90V輸人電壓和不同輸出功率下的導(dǎo)通損耗曲線。兩種PFC 電路二極管抿耗比較如圖3所示。

　　對(duì)于整個(gè)功率范圍，無(wú)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(dǎo)通電阻很小，用同步整流方式的MOSFET，可以進(jìn)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(dǎo)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(shí)對(duì)損耗有少量改善，在MOSFET 溫度升高后，這種改善隨之消失。因?yàn)闇囟壬撸鋵?dǎo)通電阻也隨之增大，由于同步整流器結(jié)構(gòu)復(fù)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

　　三、無(wú)整流橋PFC電路提出的挑戰(zhàn)

　　如圖1 所示，無(wú)整流橋PFC電路中沒(méi)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(méi)有直接相連，因此，無(wú)整流橋PFC電路有輸人電壓檢測(cè)、電流檢測(cè)和抗EMI電路。   ：

　　電壓檢測(cè)和電流檢測(cè)相關(guān)連去控制無(wú)整流橋PFC電路。對(duì)于普通的PFC電路，有幾種不同的控制方法己經(jīng)得到開發(fā)，例如平均電流型控制、峰值電流型控制、One Cycle控制。

　　平均電流型控制是普遍用的控制方法，因?yàn)樗阅軆?yōu)越且易掌握?？刂破靼演斎穗妷盒盘?hào)和電壓環(huán)內(nèi)輸出電壓信號(hào)的乘積作為電流基準(zhǔn)，同時(shí)，電流環(huán)用來(lái)控制電感平均電流，兩者的誤差放大信號(hào)送到 PWM。

　　One Cycle控制技術(shù)為：控制器用電壓環(huán)的輸出龜壓和電感峰值電流來(lái)計(jì)算每一個(gè)開關(guān)周期的占空比。由于占空比是根據(jù)升壓咆路的輸人和輸出電壓的關(guān)系來(lái)計(jì)算，盡管完成了率因數(shù)校正，電感電流的峰值也自動(dòng)地隨著輸人電壓而形戚。

　　1、輸入電壓檢測(cè)

　　對(duì)于傳統(tǒng)的PFC電路，輸人電壓檢測(cè)是簡(jiǎn)單的，因?yàn)檎鳂虻拇嬖?，利用分壓原理?被整流的輸入電壓能夠直接被分壓器檢測(cè)到，如圖5所示。

　　對(duì)于無(wú)整流橋PFC電路，困為沒(méi)有整流橋就沒(méi)有地方可以用分壓去檢測(cè)輸入電壓。一個(gè)線路頻率變壓器就是一個(gè)簡(jiǎn)單的檢測(cè)電壓工具，如圖6所示。對(duì)于一個(gè)龐大且成本很高的低頻變壓器，就就效率的設(shè)計(jì)而言是不可取的。

圖5 傳統(tǒng)PFC的輸人電壓檢測(cè)                     圖6 無(wú)橋PFC的電壓檢測(cè)1

　　作為電壓檢測(cè)，光耦器件檢測(cè)也是一種好方法，因?yàn)樗哂懈綦x特性，如圖7所示。與普通分壓檢測(cè)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(shí)際也更加復(fù)雜。

　　對(duì)于平均電流型控制，電感電流作為基準(zhǔn)是基于被檢測(cè)的輸人電壓，輸入電壓檢測(cè)是很有必要的，但相應(yīng)的成本很高，變換器也很龐大。

　　One Cycle控制技術(shù)已相當(dāng)成熟，它是通過(guò)峰值電感電流和電壓環(huán)的輸出電壓共同作用，從而沒(méi)有必要作輸人電壓的檢測(cè)。

　　普通的PFC電路，電壓檢測(cè)簡(jiǎn)單，從而造成One Cycle控制技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)不是很明顯。無(wú)整流橋PFC 電路，其電壓檢測(cè)復(fù)雜，因此One Cycle控制技術(shù)優(yōu)勢(shì)更加明顯。

　　2、電流檢測(cè)

　　傳統(tǒng)的PFC電路，電感電流檢測(cè)很簡(jiǎn)單。在電感電流回路放置一個(gè)分流電阻，利用共地控制來(lái)檢測(cè)電感電流，如圖8所示，對(duì)于電流檢測(cè)不需要隔離。

圖7 無(wú)橋PFC的電壓檢測(cè)2                          圖8 傳統(tǒng)PFC的電流檢測(cè)

　　對(duì)于無(wú)整流橋PFC電路，作為輸出，電感回路不能共用一個(gè)地。因此，需要用隔離的方法來(lái)檢測(cè)。和電壓檢測(cè)一樣，一個(gè)60Hz的電流型變壓器就可以直接解決電流檢測(cè)的問(wèn)題。

　　通常一個(gè)低頻變壓器電流信號(hào)相位的延遲會(huì)造成率因數(shù)的降低。

　　另一個(gè)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(guān)是一個(gè)高頻、高輸出電壓的開關(guān)，因而有很高的共模電壓，將給電流信號(hào)中帶來(lái)很大的噪聲。這個(gè)檢測(cè)電流的電壓將功率損耗減到很小，而電流噪聲則會(huì)降低功率因數(shù)。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(guān)和升壓二極管翹流重新模擬出來(lái)。為了檢測(cè)電流，由于有不同的電感電流傳導(dǎo)通道，總共需要設(shè)置3個(gè)電流互感器。

　　如圖10示，給出了這3個(gè)互感器的位置，用3個(gè)檢測(cè)電流的和，重新模擬產(chǎn)生輸人電流。

　　對(duì)于平均電流型控制，作為電流環(huán)，電感的平均電流是需要的。但是，對(duì)于OneCycle控制技術(shù)，電流檢測(cè)僅僅需要電感峰值電流，因此，電流檢測(cè)能夠被簡(jiǎn)化。

　　用兩個(gè)同型號(hào)的電流互感器和開關(guān)，電感峰值電流則很容易檢測(cè)。同時(shí)，電流互感器的使用也能夠減少分流咆阻所帶來(lái)的功率損耗。和電壓檢測(cè)一樣，這種簡(jiǎn)單的電流檢測(cè)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(wú)橋PFC電流檢測(cè)                         圖10用電流互感器做電流檢測(cè)

　　3、EMI 噪聲

　　EMI 噪聲取泱于電源功率級(jí)的結(jié)構(gòu)。普通的PFC電路，輸出電壓的地總是通過(guò)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(duì)于無(wú)整流橋PFC電路，與輸人線路相關(guān)，輸出電壓總是浮動(dòng)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(tǒng)PFC中寄生電容產(chǎn)生的噪聲                       圖12 無(wú)橋PFC中寄生電容產(chǎn)生的噪聲

　　無(wú)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dv／dt可以看出，VCd1和VCd2是反極性的。

圖13 無(wú)橋PFC寄生電容上的電壓

　　精心的設(shè)計(jì)寄生電容會(huì)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(chǎn)生的dv／dt可以看出，VN和VP是同極性的，也就是沒(méi)有辦法消除噪聲。

　　考慮到這些電容不僅包括PFC電路輸出級(jí)的寄生電容，還包括輸入負(fù)載的那部分寄生電容，與普通PFC電路相比，無(wú)整流橋PFC電路的共模噪聲情況更糟。

　　為了解決EMI的噪聲問(wèn)題，介紹一種新的無(wú)整流橋PFC 電路來(lái)減少EMI 噪聲的技術(shù)，如圖14所示。與原來(lái)的無(wú)整流橋PFC 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(gè)電容。

圖14 整流橋PFC減少EMI噪聲

　　四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　基于上述的分析，無(wú)整流橋PFC電路的One Cycle控制既簡(jiǎn)化了電路，又提高效率。One cycle的控制方法更適合無(wú)整流橋的PFC電路。

　　用IR1150S控制器設(shè)計(jì)了一個(gè)500W、100kHz開關(guān)頻率，通用的線路輸入，OneCycle控制無(wú)整流橋PFC 電路。選用600V、22A的結(jié)型MOSFET和600V、4A的SiC二極管。另外，用同樣的元器件設(shè)計(jì)了一個(gè)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OneCycle控制的功率因數(shù)得到很好的校正。在90V輸人電壓時(shí)，兩種PFC電路的效率比較如圖16所示。

圖15 無(wú)橋PFC的輸入電壓和電流波形

　　在整個(gè)功率范圍內(nèi)，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(shù)的比較如圖17所示。結(jié)果表明，在整個(gè)輸人線路中，用One Cycle控制的功率因數(shù)較高。無(wú)整流橋PFC電路和普通 PFC電路對(duì)EMI性能測(cè)試的比較，如圖18和圖19所示。測(cè)試結(jié)果表明，在低頻段，這兩種電路的噪聲相似。盡管在高頻段，無(wú)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(shí)的功率因數(shù)比較

圖18  傳統(tǒng)PFC的EMI噪聲                       圖19  無(wú)橋PFC的EMI噪聲

　　五、結(jié)論

　　無(wú)整流橋PFC技術(shù)大大降低了輸入整流器的導(dǎo)通損耗，提高了效率，效率提高了1%。

　　至于輸入電壓和電流檢測(cè)，在增加成本和增繁電路的情況下提高了效率，同時(shí)也增加 EMI噪聲。

　　One Cycle控制不需要輸入線路的檢測(cè)，它是通過(guò)峰值電流的模式而工作的，從而使電路簡(jiǎn)化，性能優(yōu)越。至于EMI，用無(wú)整流橋技術(shù)的修訂版也得到改善。

　　測(cè)試結(jié)果表明，One Cycle控制方式提高了功率因數(shù)，簡(jiǎn)化了電路，同時(shí)，和普通PFC電路相比，提高了近1%的效率。

　　盡管無(wú)整流橋PFC電路顯示出了較高的EMI曲線，但和普通的PFC電路EMI是相似的，所以無(wú)橋PFC的EMI應(yīng)該是可以解決的。

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