Dual Boost PFC電路拓撲的研究

孫 明

（上海交通大學，上海200240）

1 無橋整流新拓撲概述

傳統單管Boost PFC（圖1（a））是使用較多的功率校正拓撲，其拓撲結構比較簡單，控制方法也相對成熟。它的缺點是拓撲中的整流橋在大功率電路中，隨著功率的增加，損耗也越來越大，尤其是在低電壓高電流電路，整流橋的導通損耗使電路的效率無法提高。因此，無橋整流新拓撲結構被提出并應用。結構簡單，效率又高，控制電路方便的Dual Boost PFC（圖1（b））受到大家的關注。在Dual Boost PFC電路中沒有了輸入整流橋，比傳統的Boost PFC電路少了導通二極管，所以大大地降低了導通損耗，效率得以提高。本文就此拓撲結構進行了分析，研究了無橋拓撲的控制電路和無橋拓撲效率的實驗驗證。

圖1 Dual Boost PFC拓撲結構

2 Dual Boost PFC工作原理以及功率損耗

2.1 Dual Boost PFC的電路介紹

圖1（b）為Dual Boost PFC拓撲電路，它的工作狀態可以按照交流電壓的正負特性分為2個階段。當電壓輸入為交流的正半周時，開關S1、D1和電感L1、L2組成Boost升壓電路。S1導通時，L1、L2上的電流逐漸增加，電感儲存能量，如圖2（a）。S1斷開時電流經過D1向負載供能，L1、L2的儲存能量釋放，給電容C充電，此時電容兩端電壓上升，高于輸入電壓，如圖2（b）。在正半周期中，S2均有反向電流經過，處于續流狀態，根據S2的驅動信號去判斷電流是流過S2的溝道還是體二極管。當電壓輸入為交流的負半周時，開關S2、D2和電感L1、L2組成Boost升壓電路。S2導通時，L1、L2電感上的電流逐漸增加，電感儲存能量，如圖2（c）。S2斷開時電流經過D2向負載供能，電感釋放能量給電容C兩端充電，電容電壓上升，高于輸入電壓，如圖2（d）。在負半周期中，S1處于續流狀態。當交流電壓正負交替變化時，電容兩端可以得到高于輸入電壓的電壓。

2.2 功率損耗分析

開關電源功率損耗分為整流橋損耗，磁性元器件損耗，Mosf et損耗，功率二極管損耗，EMI損耗等等。Dual Boost PFC拓撲結構是一種適用于大功率的Boost電路，是一種高效率的Boost電路。Dual Boost PFC拓撲比傳統的Boost PFC拓撲少了整流橋但是多了個Mosfet和快恢復二極管，如表1。

圖2 Dual Boost PFC拓撲電路的工作狀態

表1 兩種電路開關元件對比

現基于輸入220 V、輸出400 V、額定功率為1 000 W的拓撲研究。傳統電路選擇RECTRON公司的整流橋RS2507 M，Dual Boost PFC選擇Infineon公司的IPW60R075CP作為開關管，Cree公司的CSD10060 A作為快恢復二極管。滿載時，整流橋功率損耗為15 W；開關管的功率損耗大約0.2 W，快恢復二極管功率損耗大約5.2 W。在其他電路損耗相同的情況下，Dual Boost PFC拓撲比傳統的Boost PFC電路少損耗大約9.6 W，提高功率效率0.98%。

如圖3，隨著電源電路功率的增大，Boost PFC電路的損耗增加。但是Dual Boost PFC損耗上升斜率遠低于傳統Boost PFC損耗，因而Dual Boost PFC功率效率高于傳統電路。

3 Dual Boost PFC的控制電路和噪聲抑制

3.1 控制電路

針對大功率PFC拓撲，連續電流模式控制（CCM）比斷續電流模式控制（DCM）有很明顯的優點：低電流諧波含量、低峰值電流應力、低磁性元件損耗以及比較好的EMI特性。一般來講，大功率PFC拓撲采用CCM控制電路。

本拓撲結構采用對輸入電壓，輸出電壓以及開關管S1和S2電流波形采樣，如圖4。比單獨檢測電感電流具有優越性，單點檢測由于噪聲影響容易產生誤判，而采樣S1和S2的電流信息，對誤判有一定的糾正能力。在此拓撲中開關管S1和S2的電流方向是周期性變化的，電阻采樣輸出正負變化的信號，S1和S2的信號加起來是完整的開關電流信息。經過運算放大器后進入PFC的DSP主控芯片。考慮到采樣電阻的損耗，采樣電阻使用較為精密的1 mΩ的Shunt。處理器采用的是Freescale的MC56F8014，內置時鐘為32 MHz高精度的振蕩器，工作電壓3.3 V。

圖4 控制電路框圖

3.2 共模噪聲抑制

無橋Boost PFC的電路中差模電流幾乎是相同的，而因開關管的位置以及二極管加入等原因造成的共模電流是不同的。如圖5可知，輸出2端以及輸入L＆N兩端的電位隨開關頻率浮動，導致電壓對地的波動，因此以上各點與輸入電源地之間出現較大的寄生電容，共模干擾嚴重。

如何抑制電壓波動？如圖6，增加相應的濾波電容，可以穩定電壓和抑制共模噪聲。

圖5 電壓波動噪聲

圖6 共模噪聲抑制

4 實驗分析

通過實驗得到圖7所示波形，可以看出Dual Boost PFC實現了功率因數校正。

圖7 Dual Boost PFC實現功率因數校正

實驗室測試數據如表2。由數據可以看出在輸入電壓230 V情況下，功率越大功率因數越大，且DSP控制的Dual Boost PFC電路的功率因數可達0.999，幾乎接近于1；Dual Boost PFC電路的效率最高可達97.6%。

表2 實驗室測試數據

在輸出功率1 k W情況下，由DSP控制的Dual Boost PFC與傳統的Boost PFC電路的功率接近相同，且在90～230 V輸入電壓，都能保持0.99的功率因數，如圖8。

在輸入230 V，滿載情況下，樣機產生的噪聲如圖9，Dual Boost PFC的共模噪聲抑制效果理想。

圖8 功率因數對比

圖9 噪聲

5 結 論

Dual Boost PFC可以降低PFC電路的導通損耗，能夠將PFC的控制效率提升至97.6%，以及功率因數達到0.999；DSP控制使Dual Boost PFC拓撲簡單化、數字化，以便進行遠程控制；提出電容濾波穩定電壓的辦法可以降低Dual Boost PFC的電磁干擾噪聲。

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