基于UC3852的圖騰柱Boost PFC電路的研究

　引 言

　　電力電子裝置的大量頻繁使用給電網(wǎng)造成了很嚴重的諧波污染，因此必須引入功率因數(shù)校正（PFC）電路，使其輸入電流諧波滿足現(xiàn)有的諧波要求。在小功率應用中，工作于臨界連續(xù)電流模式下的傳統(tǒng)Boost PFC拓撲[1~2]，因其結構簡單，穩(wěn)定性好，開關應力小得到了廣泛的應用。　　　

　　隨著對轉(zhuǎn)換效率的要求提高，由傳統(tǒng)Boost PFC拓撲衍生而來的無橋Boost拓撲逐漸成為研究的熱點。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。但其相對嚴重的EMI[3]效果是阻礙其廣泛應用的很大因素。

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

　　
圖1　Totem-Pole Boost拓撲

　　Totem-Pole Boost的主電路如圖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。

　　分析這個拓撲可以看出，在電源輸入電壓的正半周，電感電流為二極管D2截止，D1導通，可以分為兩個模態(tài)，如圖2所示。開關管S2的體二極管構成導通給負載供電，電感儲能減少，開通S1時，S2的體二極管截止，電感儲能增加。于是開關管S1和S2的體二極管構成Boost PFC結構。

同樣的，在電源的負半周，電感電流為負，D2導通，如圖3示。開關管S2和S1的體二極管構成Boost PFC結構。

　　
綜合電源正負極性下的各種模態(tài)，兩只開關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)樨摃r，S1由開通為電感儲能轉(zhuǎn)變?yōu)槠潴w二極管導通為負載供電，而S2的功能變化正好相反。所以兩只開關管的功能是互補的，并隨極性變化而互換。

　　兩只開關管的體二極管起到了與傳統(tǒng)Boost PFC中快恢復二極管相似的作用。但是開關管體二極管的反向恢復時間目前最快也只能達到100n相比于快恢復二極管的幾十甚至十幾ns，差距十分明顯。因此，假如此電路用于連續(xù)電流模式，其反向恢復損耗將會非常嚴重，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問題，故而能發(fā)揮該拓撲的最大優(yōu)勢。

　　控制策略

　　1.主電路拓撲

　　研究此拓撲的文獻多采用滯環(huán)控制的策略[4~6]。針對此拓撲，滯環(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拓撲的控制電路。

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。但對于圖騰柱Boost拓撲，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，由于開關管S1和S2的體二極管構成Boost PFC結構，所以S1可以看作傳統(tǒng)Boost PFC的開關管，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，開關管在輸入電壓過零時要轉(zhuǎn)變其功能，所以必須快速準確檢測出輸入電壓的極性變化進而切換兩只開關管的驅(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)動上下兩只開關管。這樣每當電源極性變化時，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)了兩只開關管的功能。該控制策略的主要波形由圖5示出。

2.臨界電流模式PFC控制芯片UC3852

　　臨界電流模式PFC控制芯片UC3852是一種性能優(yōu)良而應用相當便捷的PFC控制芯片。UC3852為8腳芯片，具體的內(nèi)部結構圖如圖6所示。其中1腳為電壓采樣，與內(nèi)部5V電壓基準比較。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頻率。2腳為電流采樣，通過內(nèi)部比較器-10mV基準來實現(xiàn)臨界電流控制的功能。

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

　　
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)動上下兩只開關管。針對圖騰柱Boost電路的類似半橋結構特點，特選用意法半導體的半橋驅(qū)動芯片L6384。L6384將一路輸入信號分相處理后分別驅(qū)動上下兩只開關管且外圍接有自舉電容設計，其具體結構框圖如圖7所示。

　　
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。仿真結果表明，系統(tǒng)穩(wěn)定，功率因數(shù)較高，滿足預先的設計要求。

　　
以交流Vin＝85~265V，Vo＝400V的150W功率因數(shù)校正電路作為試驗模型，IRF840作為開關管。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％。

結 論

　　本文分析了圖騰柱Boost PFC拓撲的典型工作模態(tài)，提出了一種利用現(xiàn)有Boost PFC芯片UC3852實現(xiàn)其拓撲功能的簡單方法。通過系統(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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