基于精密整流电路的无桥PFC的研究

1 引言

单相PFC中，由于输入整流桥的存在限制了整个电路效率的提高，为了减小整流桥的损耗，提出了很多新的拓扑，在这些拓扑中，无桥PFC由于其结构、控制简单而得到广泛的应用[1][2]。相对于传统的Boost PFC拓扑,DBPFC由于省略了输入整流桥，效率可以提高约1%~2%，但是由于电感的特殊位置，使得电流检测变的困难。本文利用精密整流电路对输入电流进行检测，具有简单可靠的优点。

2 DBPFC的工作模式

图1 DBPFC拓扑结构

图1为DBPFC拓扑结构，其工作状态按照输入电压的不同可以分成两个阶段。当输入处于VL>VN的正半周时，L1，L2，S1和D1组成Boost电路，S1开通时流过电感L1，L2的电流增加（方向如图所示），电感储能。S1关断时电流流过D1向负载提供能量，流过电感L1，L2的电流减小。S2在该阶段内均流过反向电流处于续流状态，反向电流流过S2沟道还是它的体二极管要看S2是否有驱动信号。当输入电压处于VLVN的负半周时，L1，L2，S2和D2组成Boost电路，S1流过反向电流处于续流状态。随着输入电压处于不同时期，两阶段交替出现。

由以上分析可知因为DBPFC没有整流桥，输入电压和电感电流的方向都是周期性

变化的。这就使得传统PFC控制所需的输入电压、电感电流的检测较为困难。

3 无桥PFC电路的控制方式

传统的连续电流模式PFC控制均需要使用乘法器来实现输入电流对输入电压的跟踪。这就需要对输入电压、电感电流波形的采样。而对于无桥PFC来说，输入电压和电感电流采样均无法采用传统的方法。为了避免增加控制的复杂性，采用无须输入电压采样的单周期PFC芯片。

在传统Boost PFC拓扑中，由于存在整流桥，电感电流方向恒定。只需一个电流采样电阻即可获得电感电流信号（如图2）。

图2. 传统PFC的电流检测

而在无桥PFC中电感电流的方向是周期性变化的，这使得电阻采样输出是正负变化的信号，不符合单周期控制芯片需要的单极性电流信号，且考虑到大功率应用下采样电阻的损耗比较大，从而降低了整个电路的效率。图3是一种利用运放采样输入电流的方法，但是由于PFC电路工作在高开关频率和高输出电压下，这种高共模电压会在输入电流上叠加一个额外的噪音，这样输入电流的PF值就不会太高。另外，这种采样方式的损耗将比电阻采样还要高[3]。

图3. 基于运放的无桥电流检测电路

图4为文献[4]中提出的一种较复杂的电流互感器检测电路来还原电感电流信号。但是由于二极管的导通压降，使整流后波形的幅值减小，且过零点处波形严重失真，这将使PFC电流在过零出严重畸变，降低PF值，且采样电路比较复杂。

图4 文献[4]中提到的电流检测

本文提出将精密整流电路引入DBPFC的控制，消除二极管导通压降带来的不利因素。

4 精密整流电路的运用

精密整流能将微弱的交流电转换成单向的脉动电，此电路由精密二极管来实现，如图5

图5 精密整流原理图

设图中运放的增益为A，UD为二极管导通压降。当二极管导通时，有

（1）

所以可得 （2）

式（2）表示与普通二极管整流相比，精密整流将二极管导通压降UD的影响减小到了，因此UD的影响可以忽略不计。

由以上分析可得，精密整流电路的传输特性：

当ui>0时，uo1>0,二极管导通，uo≈ui;

当ui≤0时，uo10,二极管截止，uo=0。

试验中实际采用的精密半波整流电路，如图6所示。

其工作原理为：

当uif>0时，ua0,uc0,D1、D4截止，D2、D3导通。运放A1工作在方向比例放大状态，有，所以运放A2工作在深度负反馈状态，R9上没有电流流过，因此ud=0。

同理，当uif0时，ua>0,uc>0,D1、D4导通，D2、D3截止。运放A1工作在深度负反馈状态，R3上没有电流流过，因此ub=0。运放A2工作在反向比例放大状态，有 ，所以

5 实验验证

设计研制了一台基于精密整流电路电流检测的单周期控制无桥PFC，来验证理论分析的正确性。控制芯片是IR1150S，实验主要参数：输入交流电压：115V，最大功率：300W，开关频率：100KHZ，输出电压：380V。开关管选用SPW20N60S5，超快恢二极管D1、D2选用STTA860D，图7是在输入90V满载时候的实验波形。

CH1：输入电压（100V/格）

CH2：输入电流（5A/格）

图7、输入电压和电流波形

CH1：输入电压（200V/格）

CH2：检测电流（5A/格）

图8、输入电压和检测电流波形

实验结果表明输入电流很好的跟踪了输入电压，波形质量好，PF值高。

图9为PF随输出功率变化曲线，可以看出，满足IEC6000-3-2标准，当输出额定功率时，其功率因数为0.997。图10可以看出DBPFC的效率比传统的Boost PFC高2%，跟理论分析一致。

图8、输出功率----PF曲线

图9、传统Boost PFC与DBPFC效率比较
5 结论

本文