PFC是一種解決傳統(tǒng)AC整流電路引起的電網(wǎng)污染問(wèn)題的電路. 常規(guī)整流濾波電路的整流橋只有在輸入正弦波電壓接近峰值時(shí)才會(huì)導(dǎo)通, 因此導(dǎo)致了輸入電流程嚴(yán)重非正弦性, 導(dǎo)致輸入產(chǎn)生了大量諧波電流成份, 降低了電網(wǎng)的利用率同時(shí)有潛在的干擾其他電器的可能.

PFC電路通過(guò)對(duì)輸入AC電流進(jìn)行'整形', 使輸入電流為近似和輸入電壓同相位的正弦波, 達(dá)到了輸入功率接近1的可能.

常用的PFC電路均為Boost升壓拓?fù)? 根據(jù)Boost拓?fù)湓诓煌ぷ髂Ｊ?DCM\\BCM\\CCM)下的特性不同, 控制方法可以分為3種. BCM和CCM采用的較多, BCM為變頻控制, 可以實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)啟(降低開(kāi)通損耗), 但是較高的開(kāi)關(guān)管有效電流限制了它只能在中小功率的場(chǎng)合, 大功率場(chǎng)合是CCM的天下.

對(duì)于CCM的PFC, 主要問(wèn)題是二極管的反向恢復(fù)問(wèn)題, 在反向恢復(fù)期間產(chǎn)生的大反向電流會(huì)產(chǎn)生額外的損耗還有潛在干擾電路的風(fēng)險(xiǎn). 具體可以通過(guò)增加RC電路(有損)或者ZVT技術(shù)(無(wú)損,但是比較復(fù)雜)進(jìn)行解決, 這里暫時(shí)不進(jìn)行討論.

由于PFC通常被設(shè)計(jì)成寬電壓輸入模式(85-265V輸入)， 在低輸入電壓時(shí)輸入電流會(huì)比較大, 當(dāng)輸出功率比較大時(shí), 各功率器件尤其是輸入整流橋的電流壓力和散熱壓力尤為明顯. 如下圖

當(dāng)開(kāi)關(guān)管開(kāi)通時(shí), 電流會(huì)經(jīng)過(guò)2個(gè)低速整流二極管, 1個(gè)mos管, 當(dāng)開(kāi)關(guān)管關(guān)閉的時(shí)候, 電流會(huì)經(jīng)過(guò)2個(gè)低速整流管和1個(gè)快恢復(fù)二極管.

對(duì)于110V情況下輸出1500W的PFC來(lái)說(shuō),整流橋損耗可達(dá)30W左右, 是一個(gè)相當(dāng)可觀的數(shù)字如果能通過(guò)改進(jìn)拓?fù)淙∠粽鳂? 將會(huì)極大的提高效率. 改進(jìn)的電路如下圖, 它在每個(gè)正周期內(nèi)和負(fù)周期內(nèi)等效為1個(gè)普通的Boost拓?fù)?

電感電流上升的周期(相當(dāng)于普通Boost中mos開(kāi)通時(shí)), 電流經(jīng)過(guò)2個(gè)mos管(其中一個(gè)反向?qū)?, 當(dāng)電感電流下降時(shí),電流經(jīng)過(guò)1個(gè)mos的體二極管和一個(gè)快恢復(fù)二極管. 由于經(jīng)過(guò)的半導(dǎo)體數(shù)目減少了, 而且mos具有更低的導(dǎo)通電阻, 因此能極大的提高效率.

兩個(gè)mos管可以直接由傳統(tǒng)CCM控制芯片同時(shí)驅(qū)動(dòng), 也可以加入同步整流邏輯之后驅(qū)動(dòng), 這樣可以在電感電流下降的時(shí)候提供一個(gè)mos管的低壓降導(dǎo)通回路, 再提升那么一點(diǎn)點(diǎn)效率.

這種拓?fù)鋷?lái)效率提升的同時(shí), 也帶來(lái)了一些新的問(wèn)題:

1. 由于PFC的主體都在高頻電感之后, 相對(duì)于大地(Earth)的電位是高速變化的, 會(huì)產(chǎn)生更高的EMI問(wèn)題, 通過(guò)采用雙對(duì)稱繞組電感和增加一些高頻回路可以減輕這個(gè)問(wèn)題
2. 由于采用了雙對(duì)稱繞組電感, PFC主體和AC線路沒(méi)有直接的聯(lián)系, 因此對(duì)于控制電路來(lái)說(shuō), 檢測(cè)交流線路的有效電壓值和瞬時(shí)電壓值都變得極為困難, 由于有兩個(gè)mos管, 電流的回路也變得比較復(fù)雜, 無(wú)論用互感器或者電阻都不能簡(jiǎn)單的獲得一個(gè)精確的包含電感高頻電流成品的信號(hào). 這使得傳統(tǒng)CCM控制芯片不能發(fā)揮用武之地.

做產(chǎn)品需要考慮效率, 穩(wěn)定性, 成本, EMC(電磁兼容) 等不同因素, 有的時(shí)候必須在這之間進(jìn)行取舍.

這里有六種無(wú)橋PFC, 分別是:

標(biāo)準(zhǔn)無(wú)橋PFC

這種PFC在正負(fù)半周的時(shí)候, 兩個(gè)管子一個(gè)續(xù)流一個(gè)充當(dāng)高頻開(kāi)關(guān)。

這種拓?fù)涞膬?yōu)點(diǎn)是使用功率元件比較少, 兩個(gè)管子可以一起驅(qū)動(dòng), 這簡(jiǎn)化了驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì), 同時(shí)讓直接使用傳統(tǒng)APFC的控制芯片成為可能.

但它同時(shí)存在幾個(gè)問(wèn)題, 電流流向復(fù)雜而且不共地, 電流采樣困難, 有較大的共模干擾因此輸入濾波器要仔細(xì)設(shè)計(jì)

針對(duì)頭一個(gè)問(wèn)題, ST公司和IR公司的一些應(yīng)用文檔中已經(jīng)比較詳細(xì)的介紹了兩種比較可行的采用互感器的方法

雙Boost無(wú)橋PFC

這種拓?fù)溆蓸?biāo)準(zhǔn)無(wú)橋PFC改良而來(lái), 增加了D3和D4作為低頻電流的回路, S1和S2只作為高頻開(kāi)關(guān)而不參與低頻續(xù)流

同標(biāo)準(zhǔn)無(wú)橋PFC, S1和S2能同時(shí)驅(qū)動(dòng), 而在兩個(gè)低頻二極管D3和D4之后插入取樣電阻又可以像普通PFC簡(jiǎn)單地傳感電流

同時(shí)這種拓?fù)渚哂懈偷墓つｋ娏?/p>

但是這種拓?fù)浔仨毷褂脙蓚€(gè)電感, 電流流向有不確定性, 低頻二極管和mos的體二極管可能同時(shí)導(dǎo)通, 增加了不穩(wěn)定因素

'

雙向開(kāi)關(guān)無(wú)橋PFC

S1和S2組成了雙向開(kāi)關(guān), 他們可以同時(shí)驅(qū)動(dòng), 采用電流互感器可以很容易的檢測(cè)電流, D1和D3為超快恢復(fù)二極管, D2和D4可以采用低頻二極管。

缺點(diǎn)在于整個(gè)電路的電勢(shì)相對(duì)于大地都在劇烈變化, 會(huì)產(chǎn)生比標(biāo)準(zhǔn)無(wú)橋PFC更嚴(yán)重的EMC問(wèn)題, 輸出電壓無(wú)法直接采樣, 需要隔離采樣(使用光耦, 但是會(huì)增加復(fù)雜度) 。

圖騰柱PFC

由標(biāo)準(zhǔn)無(wú)橋PFC演化而來(lái), 但是原理稍微改變。

D1和D2為低頻二極管, S1和S2的體二極管提供高頻整流開(kāi)關(guān)作用。

這種電路具有較低的EMI, 使用元件較少, 設(shè)計(jì)可以很緊湊。

但是S1和S2需要使用不同的驅(qū)動(dòng)信號(hào), 工頻周期不同信號(hào)也不一樣, 增加了控制的復(fù)雜性, S2不容易驅(qū)動(dòng)(可以嘗試IR2110等自舉驅(qū)動(dòng)芯片) 。

S1和S2如果采用mos, mos的體二極管恢復(fù)較慢(通常數(shù)百ns)會(huì)產(chǎn)生較大的電流倒灌脈沖, 引起很大的損耗, 足以抵消無(wú)橋低損耗的優(yōu)勢(shì)。

S1和S2如果采用IGBT, 雖然其體二極管的性能沒(méi)問(wèn)題, 但是其導(dǎo)通壓降比較大, 也會(huì)產(chǎn)生很高的損耗, 尤其是在低電壓輸入的情況下。

現(xiàn)在有一些國(guó)外公司在研制GaN和SiC高性能開(kāi)關(guān)管, 開(kāi)關(guān)速度極快, 沒(méi)有體二極管反向恢復(fù)問(wèn)題, 這些技術(shù)尚在研發(fā)中, 現(xiàn)在是在市場(chǎng)上見(jiàn)不到這些產(chǎn)品的. 如果未來(lái)這些高性能器件能大規(guī)模普及, 圖騰柱PFC將有機(jī)會(huì)成為最流行最高效的PFC拓?fù)洹?/p>

假圖騰柱PFC

在圖騰柱PFC基礎(chǔ)上演化而來(lái) D2和D4代替了原來(lái)S1和S2內(nèi)部的體二極管的續(xù)流作用。

控制方式和圖騰柱PFC完全相同。

這種拓?fù)湫枰獌蓚€(gè)電感, 利用率不高, 體積較大, S2極難驅(qū)動(dòng)。

這種拓?fù)渲荒芩阍诟咝阅荛_(kāi)關(guān)器件誕生前的一種這種方案。

介紹了這六種PFC, 每一時(shí)刻電流只通過(guò)兩個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件, 比傳統(tǒng)PFC的三個(gè)少, 在不使用軟開(kāi)關(guān)和交錯(cuò)技術(shù)的情況下, 理論上這些拓?fù)涞膿p耗幾乎相差無(wú)幾, 都比傳統(tǒng)PFC高。剩下的主要就從EMC和易于實(shí)現(xiàn)的角度考慮了。

綜合考慮下來(lái)還是 采用標(biāo)準(zhǔn)無(wú)橋PFC作為現(xiàn)階段的拓?fù)? GaN開(kāi)關(guān)器件普及之后采用圖騰柱PFC。