一种双二极管式无桥Boost PFC电路

刘运欢，韦熹

(广西大学电气工程学院，广西　南宁　530004)



一种双二极管式无桥Boost PFC电路

刘运欢，韦熹

(广西大学电气工程学院，广西南宁530004)

针对在中大功率应用时传统Boost PFC电路的整流桥损耗较大的问题，采用双二极管式无桥Boost PFC电路代替传统PFC，它省去了整流桥，导通器件少，能有效提高变换器效率。详细分析了该电路原理和传导损耗，通过平均电流模式控制芯片UCC28070制作了实验样机，实验结果表明，与传统Boost PFC电路相比，效率提高了一个百分点左右，电路整体效率得到了较好改善。

双二极管式无桥Boost电路；导通损耗；功率因数校正；平均电流模式

1　引言

由于传统的有源功率因数校正电路(APFC)结构简单、控制方法成熟，是目前使用最多的功率因数校正拓扑[1]。APFC由桥式整流电路和Boost升压变换器构成，在任一时刻电路中总有三个开关器件处于工作状态，随着变换器功率等级和开关频率的提高，系统的通态损耗显著增加，整体效率降低[2]。为了减小整流桥所带来的损耗，多种新型的PFC拓扑不再使用前级整流桥[3]。文献[4]中对比讨论了多种无桥PFC拓扑，其中双二极管式无桥Boost PFC电路因具有较高效率和最低的共模干扰成为目前主要研究的拓扑之一。本文详细分析了双二极管式无桥Boost PFC电路高效率的特点，在平均电流模式控制基础上改进了电流检测电路，并通过实验验证了理论的正确性。

2　双二极管式无桥Boost PFC电路

2.1双二极管式无桥Boost PFC电路分析

双二极管式无桥Boost PFC拓扑结构如图1所示，与传统Boost PFC相比，最大的不同就是去掉了传统的整流桥，用两个MOSFET开关管S1和S2代替传统整流桥上的两个二极管，同时增加了两个二极管D3和D4，二极管的阴极与交流电源侧相连，阳极和公共地相连。图中，L1和L2为升压电感，Co为输出储能电容，Ro为负载电阻。在电路工作过程中，Boost PFC的参考地与交流输入的低压侧始终相连通，这样就能有效降低共模干扰[5]。

为了简化分析，将一个工频周期内正弦交流输入电压分为正半周和负半周，假设：(1)开关管S1和S2，电感L1和L2，二极管D1-D4，电容Co等都是理想器件；(2)L1=L2=L，其值足够大，每个开关周期可以看做是恒流源；(3)Co足够大，在一个开关周期内输出电压恒定，可以看做是恒压源。

图1　双二极管式无桥Boost PFC拓扑结构

(1)正半周工作过程

在输入电压的正半周，电路工作模态有4种，每个工作模态的等效电路如图2所示。

①工作模态1：开关管S1关断和S2导通，如图2(a)所示，电源和电感L1与L2通过L1、D1、S2和L2向负载提供能量，此时流过串联电感L1和L2中的电流线性减小。

②工作模态2：开关管S1导通和S2关断，如图2(b)所示，电源通过L1、S1、S2的体二极管和L2将能量存储在L1和L2中，流过L1和L2的电流线性增加，同时L1和L2存储能量，Co向负载提供能量。

图2　正半周各种工作模态电路图

③工作模态3：开关管S1和S2都导通，如图2(c)所示，电源通过L1、S1、S2和L2存储能量在L1和L2中，流过L1和L2中的电流线性增加，同时L1和L2存储能量，Co向负载提供能量。这个工作模态只出现在D大于0.5的情况。

④工作模态4：开关管S1和S2都关断，如图2(d)所示，电源和电感L1与L2通过L1、D1、S2的体二极管和L2向负载提供能量，流过L1和L2中的电流线性减少。这个模态只出现在D小于0.5的情况。

(2)负半周与正半周工作过程类似，也分为4种工作模态，这里不再做介绍。

2.2传导损耗分析

图3为传统Boost PFC电路，在输入电压正半周，在一个开关周期内，当开关管导通时，电源通过D1、L、S和D3向L存储能量，电容C向负载提供能量；当开关管关断时，电源和电感L通过D1、L、D和D3向负载提供能量。由此可知，在任意时刻，电路工作过程中总存在三个导通器件。

由双二极管式无桥Boost PFC电路工作原理可知，在任意时刻，电路工作过程中导通器件有三个，但是等效导通器件实际上只有两个。图2中可以看到，在任意工作模态电流返回时都是通过两条支路流回到电源低压侧，以图2(b)为例，返回电流一部分是通过S2的体二极管，一部分是通过二极管D3，由于两个二极管特性不同，其流过的电流也不相同，但是总电流是不变的，故在两个器件上产生的损耗可以等效为在一个二极管上产生的损耗。如果二极管D3的正向导通压降比S2的体二极管小很多的话，基本所有返回电流都会流过D3而不会流过S2的体二极管，这就和传统的Boost PFC返回电流流向相同，但是会比传统的Boost PFC导通器件少一个整流桥上的二极管，同时无桥PFC中二极管的最大电流应力不会超过传统Boost PFC的整流桥中的二极管电流应力。综上可知，虽然双二极管式无桥Boost PFC比传统Boost PFC多出一个MOSFET开关管和快恢复二极管，但是导通器件却少了一个，在相同功率等级和工作条件下传导损耗相应也会减小。

图3　传统Boost PFC电路

3　平均电流控制策略

由于工作频率固定，输入电流纹波小的特点，平均电流控制成为目前中大功率PFC应用中最广泛的控制方法。电流检测是有源PFC 的重要环节,检测的电流应能正确反映升压电感的电流。在双二极管式无桥Boost PFC 电路工作过程中，返回电流不仅流过返回二极管D3或者D4，同时也流过S1或者S2的体二极管，这样传统的电流检测方法就得不到完整输入电流。可用两个电流互感器分别检测开关管电流和二极管电流，但是两个互感器增加了电路尺寸，使得检测电路复杂。为简化电路，采用平均电流控制芯片UCC28070中的电流合成法来解决这个问题，其只需用一个电流互感器就可实现电流完全检测，这样就能减少检测电路元件[6]。

3.1UCC28070电流合成原理

电流合成器通过电流互感器检测MOEFET导通时的瞬时电流，并模拟关断时的电感电流。在图1中，通过将电流互感器串入S1和S2所在支路中，在S1或者S2导通时，电流互感器就能检测L1或者L2的电感电流，然后在各自的关断时间合成电感电流下降延部分。波形如图4所示。

图4　电流合成波形

3.2基于UCC28070的双二极管式无桥Boost PFC

图5是基于平均电流模式控制芯片UCC28070的双二极管式无桥Boost PFC简化应用原理框图。控制环路由慢速电压外环和两个相同并且独立的快速电流内环组成。CSA和CSB分别为两相电路电流互感器输出，VINAC为前馈输入，GDA和GDB为两相电路驱动信号。

图5　基于UCC28070的双二极管式无桥Boost PFC简化应用电路

4　实验验证与分析

设计了一台350W的实验样机，主电路基于双二极管式无桥Boost PFC，控制芯片采用平均电流模式控制芯片UCC28070。

实验电路参数如下：

输入电压范围：AC 120V/50Hz-250V/50Hz，额定输入电压为AC 220V/50Hz；

输出电压：DC 385V；

输出电压纹波：2%；

开关频率：100kHz；

输出功率：350W，Io,max=0.91A；

MOSFET：IRFP460；

功率二极管：MUR3060；

升压电感：350μH；

输出电容：330μF；

图6为额定输入、满载时的两相电路(开关管S1所在相为A相，开关管S2所在相为B相)开关管驱动波形。由图可知AB两相电路分别工作在输入电压的正负半周。

图6　两相电路开关管驱动波形

图7为额定输入、满载时网侧输入电压和输入电流波形。由图可知输入电流与输入电压同相位且基本为正弦波，实现了功率因数校正，测得功率因数为0.99。

图8为额定输入下双二极管式无桥Boost PFC与传统Boost PFC的效率曲线对比图，由图可知由于双二极管式无桥PFC减少了整流桥上的损耗，所以相对于传统Boost PFC电路而言其整体效率提高了1个百分点左右。

图7　网侧输入电压和输入电流波形

图8　两种拓扑的效率曲线对比图

5　结论

本文研究了一种无整流桥PFC变换器，详细分析了它的工作原理和传导损耗，在平均电流模式控制的基础上设计了硬件电路，并通过采用电流合成法减少了检测元件数量，实验结果表明了双二极管式无桥PFC变换器具有高效率的特点，适用于中大功率功率因数校正场合。

[1]冯波,徐德鸿.1kW复合有源箝位功率因数校正变换器[J].中国电机工程学报,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]刘桂花.无桥PFC拓扑结构及控制策略研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,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

刘运欢(1990-)，男，贵州遵义人，硕士研究生，研究方向：电力电子变流技术；

韦熹(1988-)，男，壮族，广西柳州人，硕士研究生，主要研究方向为电力电子变流技术。