PFC是一種解決傳統AC整流電路引起的電網污染問題的電路. 常規整流濾波電路的整流橋只有在輸入正弦波電壓接近峰值時才會導通, 因此導致了輸入電流程嚴重非正弦性, 導致輸入產生了大量諧波電流成份, 降低了電網的利用率同時有潛在的干擾其他電器的可能.
PFC電路通過對輸入AC電流進行'整形', 使輸入電流為近似和輸入電壓同相位的正弦波, 達到了輸入功率接近1的可能.
常用的PFC電路均為Boost升壓拓撲, 根據Boost拓撲在不同工作模式(DCM\BCM\CCM)下的特性不同, 控制方法可以分為3種. BCM和CCM采用的較多, BCM為變頻控制, 可以實現零電壓開啟(降低開通損耗), 但是較高的開關管有效電流限制了它只能在中小功率的場合, 大功率場合是CCM的天下.
對于CCM的PFC, 主要問題是二極管的反向恢復問題, 在反向恢復期間產生的大反向電流會產生額外的損耗還有潛在干擾電路的風險. 具體可以通過增加RC電路(有損)或者ZVT技術(無損,但是比較復雜)進行解決, 這里暫時不進行討論.
由于PFC通常被設計成寬電壓輸入模式(85-265V輸入)， 在低輸入電壓時輸入電流會比較大, 當輸出功率比較大時, 各功率器件尤其是輸入整流橋的電流壓力和散熱壓力尤為明顯. 如下圖
當開關管開通時, 電流會經過2個低速整流二極管, 1個mos管, 當開關管關閉的時候, 電流會經過2個低速整流管和1個快恢復二極管.
對于110V情況下輸出1500W的PFC來說,整流橋損耗可達30W左右, 是一個相當可觀的數字
如果能通過改進拓撲取消掉整流橋, 將會極大的提高效率. 改進的電路如下圖, 它在每個正周期內和負周期內等效為1個普通的Boost拓撲:
電感電流上升的周期(相當于普通Boost中mos開通時), 電流經過2個mos管(其中一個反向導通), 當電感電流下降時,電流經過1個mos的體二極管和一個快恢復二極管. 由于經過的半導體數目減少了, 而且mos具有更低的導通電阻, 因此能極大的提高效率.
兩個mos管可以直接由傳統CCM控制芯片同時驅動, 也可以加入同步整流邏輯之后驅動, 這樣可以在電感電流下降的時候提供一個mos管的低壓降導通回路, 再提升那么一點點效率.
這種拓撲帶來效率提升的同時, 也帶來了一些新的問題:
1. 由于PFC的主體都在高頻電感之后, 相對于大地(Earth)的電位是高速變化的, 會產生更高的EMI問題, 通過采用雙對稱繞組電感和增加一些高頻回路可以減輕這個問題
2. 由于采用了雙對稱繞組電感, PFC主體和AC線路沒有直接的聯系, 因此對于控制電路來說, 檢測交流線路的有效電壓值和瞬時電壓值都變得極為困難, 由于有兩個mos管, 電流的回路也變得比較復雜, 無論用互感器或者電阻都不能簡單的獲得一個精確的包含電感高頻電流成品的信號. 這使得傳統CCM控制芯片不能發揮用武之地.
IR1150 ICE1PCS01為國際整流器公司和英飛凌公司推出的單周期控制IC, 他們可以不需要檢測AC線路的電壓就完成PFC的任務. 電流檢測仍然是個問題, 并且IR1150對噪聲很敏感, 于是窩準備采用ICE1PCS01, 畢竟素德國人的東西, 以穩定著稱.
注: 本文中的圖片來自Fariborz Musavi的 Efficiency Evaluation of Single-Phase Solutions for
AC-DC PFC Boost Converters for Plug-in-Hybrid
Electric Vehicule Battery Chargers這個文章
下接：大功率無橋PFC研究系列(2):http://m.zg4o1577.cn/bbs/dpj-30913-1.html
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