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基于UC3852的圖騰柱Boost PFC電路的研究

作者: 時間:2012-03-26 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

 引 言

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/177686.htm

  電力電子裝置的大量頻繁使用給電網(wǎng)造成了很嚴(yán)重的諧波污染,因此必須引入功率因數(shù)校正(,使其輸入電流諧波滿足現(xiàn)有的諧波要求。在小功率應(yīng)用中,工作于臨界連續(xù)電流模式下的傳統(tǒng) 拓?fù)鋄1~2],因其結(jié)構(gòu)簡單,穩(wěn)定性好,開關(guān)應(yīng)力小得到了廣泛的應(yīng)用?!  ?/p>

  隨著對轉(zhuǎn)換效率的要求提高,由傳統(tǒng) 拓?fù)溲苌鴣淼臒o橋拓?fù)渲饾u成為的熱點。它略掉了Boost PFC前端的整流橋,減少了一個二極管的通態(tài)損耗,提高了效率。但其相對嚴(yán)重的EMI[3]效果是阻礙其廣泛應(yīng)用的很大因素。

  針對這種情況,人們提出了另外一種拓?fù)洌篢otem-Pole Boost PFC拓?fù)?。但其傳統(tǒng)控制較為復(fù)雜而且不可利用現(xiàn)有的傳統(tǒng)Boost PFC控制芯片。本文主要Totem-Pole Boost PFC拓?fù)?,從其原理入手,分析其?yōu)缺點,提出一種相對簡單的控制方案。

Totem-Pole Boost拓?fù)? src=

  
圖1 Totem-Pole Boost拓?fù)?/p>

  Totem-Pole Boost的主如圖1所示,可以看出其元器件數(shù)目上與Bridgeless Boost完全相同,理論上同樣能夠得到較高的效率。

  分析這個拓?fù)淇梢钥闯?,在電源輸入電壓的正半周,電感電流為二極管D2截止,D1導(dǎo)通,可以分為兩個模態(tài),如圖2所示。開關(guān)管S2的體二極管構(gòu)成導(dǎo)通給負(fù)載供電,電感儲能減少,開通S1時,S2的體二極管截止,電感儲能增加。于是開關(guān)管S1和S2的體二極管構(gòu)成Boost PFC結(jié)構(gòu)。

  

輸入電壓為正時的兩種工作模態(tài)

同樣的,在電源的負(fù)半周,電感電流為負(fù),D2導(dǎo)通,如圖3示。開關(guān)管S2和S1的體二極管構(gòu)成Boost PFC結(jié)構(gòu)。

輸入電壓為負(fù)時的兩種工作模態(tài)

  
綜合電源正負(fù)極性下的各種模態(tài),兩只開關(guān)管在輸入電壓極性變化時互換了其功能。例如,電壓過零變?yōu)樨?fù)時,S1由開通為電感儲能轉(zhuǎn)變?yōu)槠潴w二極管導(dǎo)通為負(fù)載供電,而S2的功能變化正好相反。所以兩只開關(guān)管的功能是互補的,并隨極性變化而互換。

  兩只開關(guān)管的體二極管起到了與傳統(tǒng)Boost PFC中快恢復(fù)二極管相似的作用。但是開關(guān)管體二極管的反向恢復(fù)時間目前最快也只能達到100n相比于快恢復(fù)二極管的幾十甚至十幾ns,差距十分明顯。因此,假如此用于連續(xù)電流模式,其反向恢復(fù)損耗將會非常嚴(yán)重,效率的提高也必然有限。而假如工作于臨界電流模式下,由于其沒有反向恢復(fù)問題,故而能發(fā)揮該拓?fù)涞淖畲髢?yōu)勢。

  控制策略

  1.主電路拓?fù)?/strong>

  此拓?fù)涞奈墨I多采用滯環(huán)控制的策略[4~6]。針對此拓?fù)洌瑴h(huán)控制存在穩(wěn)定性不高,不能工作于臨界電流模式下,頻率受滯環(huán)寬度限制,不能利用現(xiàn)有高效PFC芯片等諸多問題。

  為克服上述滯環(huán)控制的缺點,圖4給出一種利用現(xiàn)有的傳統(tǒng)臨界電流PFC控制芯片來實現(xiàn)Totem-Pole Boost拓?fù)涞目刂齐娐贰?/p>

  

Totem-Pole Boost PFC 控制原理圖


對于傳統(tǒng)Boost電路,電流采樣電阻通常置于整流橋輸出共地的一端,就能得到所需的電感電流。但對于柱Boost拓?fù)?,由于省略了整流橋,不能在一條回路上得到極性一致的電流采樣,而最為簡單的是在電源的正負(fù)半周分別在D1和D2上采樣,以此得到符合傳統(tǒng)芯片要求的電流采樣值。

  在輸入電壓為正時,由于開關(guān)管S1和S2的體二極管構(gòu)成Boost PFC結(jié)構(gòu),所以S1可以看作傳統(tǒng)Boost PFC的開關(guān)管,于是Boost 控制IC的信號與S1的驅(qū)動信號相同。S2的驅(qū)動信號與S1互補,示電路電流的大小起到類似同步整流的作用。同樣的,在輸入電壓為負(fù)時,S2的驅(qū)動信號與控制IC的信號相同,S1起類似同步整流的作用。

  由前面的分析得知,開關(guān)管在輸入電壓過零時要轉(zhuǎn)變其功能,所以必須快速準(zhǔn)確檢測出輸入電壓的極性變化進而切換兩只開關(guān)管的驅(qū)動信號。按照這一原理,電壓采樣與0電位進行比較,于是電壓過零檢測輸出是工頻方波,它與的PFC控制芯片輸出進行異或運算得到PWM控制信號。此控制信號經(jīng)分相后得到兩路互補的驅(qū)動信號來驅(qū)動上下兩只開關(guān)管。這樣每當(dāng)電源極性變化時,異或門調(diào)轉(zhuǎn)PFC控制芯片輸出信號的高低電平,從而調(diào)轉(zhuǎn)了兩只開關(guān)管的功能。該控制策略的主要波形由圖5示出。

電壓過零時開關(guān)管驅(qū)動信號波形

2.臨界電流模式PFC控制芯片

  臨界電流模式PFC控制芯片是一種性能優(yōu)良而應(yīng)用相當(dāng)便捷的PFC控制芯片。為8腳芯片,具體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。其中1腳為電壓采樣,與內(nèi)部5V電壓基準(zhǔn)比較。8腳為內(nèi)部比較器補償腳。3腳,4腳分別接電阻和電容來控制開關(guān)頻率。2腳為電流采樣,通過內(nèi)部比較器-10mV基準(zhǔn)來實現(xiàn)臨界電流控制的功能。

  可以看出UC3852外圍電路設(shè)計相當(dāng)簡潔,尤其是其不需要輸入電壓檢測而特別適用于Boost PFC電路。

UC3852內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

  
3.驅(qū)動電路

  從圖4可以看出異或輸出后的信號需經(jīng)過分相處理才能驅(qū)動上下兩只開關(guān)管。針對柱Boost電路的類似半橋結(jié)構(gòu)特點,特選用意法半導(dǎo)體的半橋驅(qū)動芯片L6384。L6384將一路輸入信號分相處理后分別驅(qū)動上下兩只開關(guān)管且外圍接有自舉電容設(shè)計,其具體結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示。

L6384結(jié)構(gòu)圖

  
系統(tǒng)仿真與實現(xiàn)

  按照上面提出的方法,采用UC3852作為Boost PFC控制IC,按照圖4所示的原理圖,進行了仿真。圖8給出了輸入電壓,電壓過零比較以及電感電流的波形。仿真結(jié)果表明,系統(tǒng)穩(wěn)定,功率因數(shù)較高,滿足預(yù)先的設(shè)計要求。

電路仿真波形

  
以交流Vin=85~265V,Vo=400V的150W功率因數(shù)校正電路作為試驗?zāi)P停琁RF840作為開關(guān)管。圖9所示為試驗輸入電壓和輸入電流波形??梢?,電流跟隨電壓效果理想,功率因數(shù)達到99%以上,其效率比傳統(tǒng)臨界電流模式下Boost PFC電路高接近1%。

試驗輸入電壓及輸入電流波形


結(jié) 論

  本文分析了圖騰柱Boost PFC拓?fù)涞牡湫凸ぷ髂B(tài),提出了一種利用現(xiàn)有Boost PFC芯片UC3852實現(xiàn)其拓?fù)涔δ艿暮唵畏椒āMㄟ^系統(tǒng)仿真和試驗驗證,證明了此控制方案穩(wěn)定,可靠。由于本身電路的優(yōu)勢,圖騰柱 Boost PFC電路將有更高的實用價值。

  參考文獻

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