采用双升压斩波拓扑的PFC解决方案

1万 · 2013-12-24 17:13

在所有的功率电子应用中最优先考虑的之一是获得高效率。随着新标准的出现，在许多应用中有源功率因数校正（PFC）是必需的。电子元件的附加损耗可能增加散热片和和整个应用的尺寸，其目标是把损耗减到最小而不增加成本。

　　标准 EN61000-3-2 对接到公共电网中的功率应用是强制的。对许多应用而言一个外加的有源PFC的功能不得不被集成到已存在的功能中。这些应用的尺寸大小常常由用于散热的散热片决定。通过把外加的PFC功能集成起来获得尽可能小的散热片是一个重要的手段。
　　功率损耗产生在半导体芯片和电抗中。通过选择低损耗的元件来优化电路是必需的。采用新概念的一个高效PFC拓扑，4个输入整流管中的2个被省掉了，在每个半波中有一个半导体结的损耗被消除了。

　　标准的 PFC升压拓扑

　　在大多情况下升压拓扑结构被用于有源功率因数校正。电流在向输出供电时每半波必须通过至少3个半导体结。
　　输入整流器把AC电压转换成一个波动的DC电压。PFC电路把两个半波升到DC输出电压。
　　在一种改进的高效PFC中，PFC电抗被分成了2个电感量各为一半的电感。对每个半波而言省掉了输入整流器，只需一个升压斩波。在每个半波电流只需通过2个半导体器件。
　　在理论上这个新的拓扑看起来好像是减小有源PFC应用中损耗的高效的替换方案。但是下一步我们将采用仿真来检验这个理论。
　　从仿真结果看，所有的PFC输出信号相对于输入端（参考地）都随着PWM频率而震荡。
　　这个问题是系统性的，原因是所有的输入都接有一个PFC电抗。这个结果是输出相对输入电源而高频震荡。因此采用外部的滤波器是不可能解决EMI问题的。
　　DC输出和被连接的电路相对于输入电网高频震荡。由此而产生的高的EMC发射对许多应用而言是不可接受的。用这种拓扑结构，采用隔离变压器的应用设计是很困难的，象电机驱动这样没有变压器的应用是完全不可能的。
　　因此，人们希望获得一个高效的PFC解决方案，同时没有EMC的缺点。

　　双升压斩波拓扑结构
　　一个由泰科电子发明的新的拓扑解决了这个问题。与第一个设计理念不同的是电抗没有被分开，2个电感与标准升压斩波拓扑使用的电感具有相同的电感量。但是在每个半波中只有一个电感被使用。另一个被另加的整流二极管旁路掉了。

1万 · 2013-12-24 17:13

采用这种方案，输出并不相对于AC输入或GND而高频震荡。动

作方式与标准的结构是相同的。但是用在标准升压斩波中的输入整流二极管的损耗被砍掉了一半。
　　1，第一个半波使用第一部分PFC电路升压到DC输出电压。第二个电抗被第一个整流二极管旁路掉。
　　2，第二个半波期间，第二个PFC电路把输入升到DC输出电压。在这儿第一个电抗被旁路掉了。
　　采用第二代拓扑结构，仅用一个电抗就可能获得高效PFC的好处：
　　在这儿流经PFC电抗的电流是双向的。
　　1，正半波被低侧的开关和高侧的升压二极管升压。低侧的整流二极管建立了一个返回通路。
　　2，负半波被通过高侧的开关和低侧的升压二极管而升压。高侧的整流二极管建立了返回路径。
　　同样采用这个拓扑结构，标准升压斩波的拓扑结构中的输入整流二极管的损耗被砍掉了一半。这个电路的优点是采用和标准升压斩波拓扑结构中同样的PFC电抗。

1万 · 2013-12-24 17:13

高效拓扑结构的效率

　　在一个采用230VAC输入电压系统，新的高效的HE-PFC的整流二极管的损耗被计算，是0.5%的总的输入功率 (Vout = 400VDC, Pout = 6kW)。在一个110VAC系统, 新的高效HE-PFC的整流二极管损耗被计算出来，是1%(Vout = 400VDC, Pout = 3kW)。见下图：
　　在230V系统中半导体的效率是：97.4% (Vout = 400VDC, Pout = 6kW, fPWM = 80kHz)。效率的优势被计算，是0.5%。见图7：