一種雙二極管式無橋Boost PFC電路

劉運歡，韋熹

(廣西大學電氣工程學院，廣西　南寧　530004)

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一種雙二極管式無橋Boost PFC電路

劉運歡，韋熹

(廣西大學電氣工程學院，廣西南寧530004)

針對在中大功率應用時傳統Boost PFC電路的整流橋損耗較大的問題，采用雙二極管式無橋Boost PFC電路代替傳統PFC，它省去了整流橋，導通器件少，能有效提高變換器效率。詳細分析了該電路原理和傳導損耗，通過平均電流模式控制芯片UCC28070制作了實驗樣機，實驗結果表明，與傳統Boost PFC電路相比，效率提高了一個百分點左右，電路整體效率得到了較好改善。

雙二極管式無橋Boost電路；導通損耗；功率因數校正；平均電流模式

1　引言

由于傳統的有源功率因數校正電路(APFC)結構簡單、控制方法成熟，是目前使用最多的功率因數校正拓撲[1]。APFC由橋式整流電路和Boost升壓變換器構成，在任一時刻電路中總有三個開關器件處于工作狀態，隨著變換器功率等級和開關頻率的提高，系統的通態損耗顯著增加，整體效率降低[2]。為了減小整流橋所帶來的損耗，多種新型的PFC拓撲不再使用前級整流橋[3]。文獻[4]中對比討論了多種無橋PFC拓撲，其中雙二極管式無橋Boost PFC電路因具有較高效率和最低的共模干擾成為目前主要研究的拓撲之一。本文詳細分析了雙二極管式無橋Boost PFC電路高效率的特點，在平均電流模式控制基礎上改進了電流檢測電路，并通過實驗驗證了理論的正確性。

2　雙二極管式無橋Boost PFC電路

2.1雙二極管式無橋Boost PFC電路分析

雙二極管式無橋Boost PFC拓撲結構如圖1所示，與傳統Boost PFC相比，最大的不同就是去掉了傳統的整流橋，用兩個MOSFET開關管S1和S2代替傳統整流橋上的兩個二極管，同時增加了兩個二極管D3和D4，二極管的陰極與交流電源側相連，陽極和公共地相連。圖中，L1和L2為升壓電感，Co為輸出儲能電容，Ro為負載電阻。在電路工作過程中，Boost PFC的參考地與交流輸入的低壓側始終相連通，這樣就能有效降低共模干擾[5]。

為了簡化分析，將一個工頻周期內正弦交流輸入電壓分為正半周和負半周，假設：(1)開關管S1和S2，電感L1和L2，二極管D1-D4，電容Co等都是理想器件；(2)L1=L2=L，其值足夠大，每個開關周期可以看做是恒流源；(3)Co足夠大，在一個開關周期內輸出電壓恒定，可以看做是恒壓源。

圖1　雙二極管式無橋Boost PFC拓撲結構

(1)正半周工作過程

在輸入電壓的正半周，電路工作模態有4種，每個工作模態的等效電路如圖2所示。

①工作模態1：開關管S1關斷和S2導通，如圖2(a)所示，電源和電感L1與L2通過L1、D1、S2和L2向負載提供能量，此時流過串聯電感L1和L2中的電流線性減小。

②工作模態2：開關管S1導通和S2關斷，如圖2(b)所示，電源通過L1、S1、S2的體二極管和L2將能量存儲在L1和L2中，流過L1和L2的電流線性增加，同時L1和L2存儲能量，Co向負載提供能量。

圖2　正半周各種工作模態電路圖

③工作模態3：開關管S1和S2都導通，如圖2(c)所示，電源通過L1、S1、S2和L2存儲能量在L1和L2中，流過L1和L2中的電流線性增加，同時L1和L2存儲能量，Co向負載提供能量。這個工作模態只出現在D大于0.5的情況。

④工作模態4：開關管S1和S2都關斷，如圖2(d)所示，電源和電感L1與L2通過L1、D1、S2的體二極管和L2向負載提供能量，流過L1和L2中的電流線性減少。這個模態只出現在D小于0.5的情況。

(2)負半周與正半周工作過程類似，也分為4種工作模態，這里不再做介紹。

2.2傳導損耗分析

圖3為傳統Boost PFC電路，在輸入電壓正半周，在一個開關周期內，當開關管導通時，電源通過D1、L、S和D3向L存儲能量，電容C向負載提供能量；當開關管關斷時，電源和電感L通過D1、L、D和D3向負載提供能量。由此可知，在任意時刻，電路工作過程中總存在三個導通器件。

由雙二極管式無橋Boost PFC電路工作原理可知，在任意時刻，電路工作過程中導通器件有三個，但是等效導通器件實際上只有兩個。圖2中可以看到，在任意工作模態電流返回時都是通過兩條支路流回到電源低壓側，以圖2(b)為例，返回電流一部分是通過S2的體二極管，一部分是通過二極管D3，由于兩個二極管特性不同，其流過的電流也不相同，但是總電流是不變的，故在兩個器件上產生的損耗可以等效為在一個二極管上產生的損耗。如果二極管D3的正向導通壓降比S2的體二極管小很多的話，基本所有返回電流都會流過D3而不會流過S2的體二極管，這就和傳統的Boost PFC返回電流流向相同，但是會比傳統的Boost PFC導通器件少一個整流橋上的二極管，同時無橋PFC中二極管的最大電流應力不會超過傳統Boost PFC的整流橋中的二極管電流應力。綜上可知，雖然雙二極管式無橋Boost PFC比傳統Boost PFC多出一個MOSFET開關管和快恢復二極管，但是導通器件卻少了一個，在相同功率等級和工作條件下傳導損耗相應也會減小。

圖3　傳統Boost PFC電路

3　平均電流控制策略

由于工作頻率固定，輸入電流紋波小的特點，平均電流控制成為目前中大功率PFC應用中最廣泛的控制方法。電流檢測是有源PFC 的重要環節,檢測的電流應能正確反映升壓電感的電流。在雙二極管式無橋Boost PFC 電路工作過程中，返回電流不僅流過返回二極管D3或者D4，同時也流過S1或者S2的體二極管，這樣傳統的電流檢測方法就得不到完整輸入電流。可用兩個電流互感器分別檢測開關管電流和二極管電流，但是兩個互感器增加了電路尺寸，使得檢測電路復雜。為簡化電路，采用平均電流控制芯片UCC28070中的電流合成法來解決這個問題，其只需用一個電流互感器就可實現電流完全檢測，這樣就能減少檢測電路元件[6]。

3.1UCC28070電流合成原理

電流合成器通過電流互感器檢測MOEFET導通時的瞬時電流，并模擬關斷時的電感電流。在圖1中，通過將電流互感器串入S1和S2所在支路中，在S1或者S2導通時，電流互感器就能檢測L1或者L2的電感電流，然后在各自的關斷時間合成電感電流下降延部分。波形如圖4所示。

圖4　電流合成波形

3.2基于UCC28070的雙二極管式無橋Boost PFC

圖5是基于平均電流模式控制芯片UCC28070的雙二極管式無橋Boost PFC簡化應用原理框圖。控制環路由慢速電壓外環和兩個相同并且獨立的快速電流內環組成。CSA和CSB分別為兩相電路電流互感器輸出，VINAC為前饋輸入，GDA和GDB為兩相電路驅動信號。

圖5　基于UCC28070的雙二極管式無橋Boost PFC簡化應用電路

4　實驗驗證與分析

設計了一臺350W的實驗樣機，主電路基于雙二極管式無橋Boost PFC，控制芯片采用平均電流模式控制芯片UCC28070。

實驗電路參數如下：

輸入電壓范圍：AC 120V/50Hz-250V/50Hz，額定輸入電壓為AC 220V/50Hz；

輸出電壓：DC 385V；

輸出電壓紋波：2%；

開關頻率：100kHz；

輸出功率：350W，Io,max=0.91A；

MOSFET：IRFP460；

功率二極管：MUR3060；

升壓電感：350μH；

輸出電容：330μF；

圖6為額定輸入、滿載時的兩相電路(開關管S1所在相為A相，開關管S2所在相為B相)開關管驅動波形。由圖可知AB兩相電路分別工作在輸入電壓的正負半周。

圖6　兩相電路開關管驅動波形

圖7為額定輸入、滿載時網側輸入電壓和輸入電流波形。由圖可知輸入電流與輸入電壓同相位且基本為正弦波，實現了功率因數校正，測得功率因數為0.99。

圖8為額定輸入下雙二極管式無橋Boost PFC與傳統Boost PFC的效率曲線對比圖，由圖可知由于雙二極管式無橋PFC減少了整流橋上的損耗，所以相對于傳統Boost PFC電路而言其整體效率提高了1個百分點左右。

圖7　網側輸入電壓和輸入電流波形

圖8　兩種拓撲的效率曲線對比圖

5　結論

本文研究了一種無整流橋PFC變換器，詳細分析了它的工作原理和傳導損耗，在平均電流模式控制的基礎上設計了硬件電路，并通過采用電流合成法減少了檢測元件數量，實驗結果表明了雙二極管式無橋PFC變換器具有高效率的特點，適用于中大功率功率因數校正場合。

[1]馮波,徐德鴻.1kW復合有源箝位功率因數校正變換器[J].中國電機工程學報,2005,3:35-39.

[2]KOO K W,KIM D H,WOO D G,et al.Topology comparison for 6.6 kW On board charger:Performance,efficiency,and selection guideline

[C]//Proc.IEEE Vehicle Power Propulsion Conf,2012:1520-1524.

[3]KIM Y,LEE B,SUNG W.Comparative Performance Analysis of High Density and Efficiency PFC Topologies[J].Power Electronics,IEEE Transactions on,2014,29(6):2666-2679.

[4]LI Q,ANDERSEN M A E,THOMSEN O C.Conduction losses and common mode EMI analysis on bridgeless power factor correction[C]//International Conference on Power Electronics and Drive Systems,2009.PEDS,2009:1255-1260.

[5]劉桂花.無橋PFC拓撲結構及控制策略研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業大學,2009.

[6]T INSTRUMENTS.Interleaving Continuous Conduction Mode PFC Controller[J].UCC28070,SLUS794C,Nov,2007.

A Bridgeless Boost PFC Circuit with Two Diode

LIUYun-huan,WEIXi

(College of Electrical Engineering,Guangxi University,Nanning 530004,China)

The traditional Boost PFC circuit is not suitable for higher power applications because of its large rectifier bridge losses.To improve the efficiency of conversion,double diode type power factor correction circuit without a rectifier bridge was employed.Based on analyzing principle and conduction losses of bridgeless Boost PFC with two diode in detail,a prototype was designed through using control chip UCC28070 applying average current control technology.Experimental results show that,compared to conventional Boost PFC circuit,efficiency of bridgeless Boost PFC with two diode is increased by one percent or so ,and efficiency is better improved.

bridgeless boost circuit with two diode;conduction losses;power factor correction;average current mode

1004-289X(2016)02-0047-04

TM461

B

2015-03-06

劉運歡(1990-)，男，貴州遵義人，碩士研究生，研究方向：電力電子變流技術；

韋熹(1988-)，男，壯族，廣西柳州人，碩士研究生，主要研究方向為電力電子變流技術。