Dual Boost PFC电路拓扑的研究

孙 明

（上海交通大学，上海200240）

1 无桥整流新拓扑概述

传统单管Boost PFC（图1（a））是使用较多的功率校正拓扑，其拓扑结构比较简单，控制方法也相对成熟。它的缺点是拓扑中的整流桥在大功率电路中，随着功率的增加，损耗也越来越大，尤其是在低电压高电流电路，整流桥的导通损耗使电路的效率无法提高。因此，无桥整流新拓扑结构被提出并应用。结构简单，效率又高，控制电路方便的Dual Boost PFC（图1（b））受到大家的关注。在Dual Boost PFC电路中没有了输入整流桥，比传统的Boost PFC电路少了导通二极管，所以大大地降低了导通损耗，效率得以提高。本文就此拓扑结构进行了分析，研究了无桥拓扑的控制电路和无桥拓扑效率的实验验证。

图1 Dual Boost PFC拓扑结构

2 Dual Boost PFC工作原理以及功率损耗

2.1 Dual Boost PFC的电路介绍

图1（b）为Dual Boost PFC拓扑电路，它的工作状态可以按照交流电压的正负特性分为2个阶段。当电压输入为交流的正半周时，开关S1、D1和电感L1、L2组成Boost升压电路。S1导通时，L1、L2上的电流逐渐增加，电感储存能量，如图2（a）。S1断开时电流经过D1向负载供能，L1、L2的储存能量释放，给电容C充电，此时电容两端电压上升，高于输入电压，如图2（b）。在正半周期中，S2均有反向电流经过，处于续流状态，根据S2的驱动信号去判断电流是流过S2的沟道还是体二极管。当电压输入为交流的负半周时，开关S2、D2和电感L1、L2组成Boost升压电路。S2导通时，L1、L2电感上的电流逐渐增加，电感储存能量，如图2（c）。S2断开时电流经过D2向负载供能，电感释放能量给电容C两端充电，电容电压上升，高于输入电压，如图2（d）。在负半周期中，S1处于续流状态。当交流电压正负交替变化时，电容两端可以得到高于输入电压的电压。

2.2 功率损耗分析

开关电源功率损耗分为整流桥损耗，磁性元器件损耗，Mosf et损耗，功率二极管损耗，EMI损耗等等。Dual Boost PFC拓扑结构是一种适用于大功率的Boost电路，是一种高效率的Boost电路。Dual Boost PFC拓扑比传统的Boost PFC拓扑少了整流桥但是多了个Mosfet和快恢复二极管，如表1。

图2 Dual Boost PFC拓扑电路的工作状态

表1 两种电路开关元件对比

现基于输入220 V、输出400 V、额定功率为1 000 W的拓扑研究。传统电路选择RECTRON公司的整流桥RS2507 M，Dual Boost PFC选择Infineon公司的IPW60R075CP作为开关管，Cree公司的CSD10060 A作为快恢复二极管。满载时，整流桥功率损耗为15 W；开关管的功率损耗大约0.2 W，快恢复二极管功率损耗大约5.2 W。在其他电路损耗相同的情况下，Dual Boost PFC拓扑比传统的Boost PFC电路少损耗大约9.6 W，提高功率效率0.98%。

如图3，随着电源电路功率的增大，Boost PFC电路的损耗增加。但是Dual Boost PFC损耗上升斜率远低于传统Boost PFC损耗，因而Dual Boost PFC功率效率高于传统电路。

3 Dual Boost PFC的控制电路和噪声抑制

3.1 控制电路

针对大功率PFC拓扑，连续电流模式控制（CCM）比断续电流模式控制（DCM）有很明显的优点：低电流谐波含量、低峰值电流应力、低磁性元件损耗以及比较好的EMI特性。一般来讲，大功率PFC拓扑采用CCM控制电路。

本拓扑结构采用对输入电压，输出电压以及开关管S1和S2电流波形采样，如图4。比单独检测电感电流具有优越性，单点检测由于噪声影响容易产生误判，而采样S1和S2的电流信息，对误判有一定的纠正能力。在此拓扑中开关管S1和S2的电流方向是周期性变化的，电阻采样输出正负变化的信号，S1和S2的信号加起来是完整的开关电流信息。经过运算放大器后进入PFC的DSP主控芯片。考虑到采样电阻的损耗，采样电阻使用较为精密的1 mΩ的Shunt。处理器采用的是Freescale的MC56F8014，内置时钟为32 MHz高精度的振荡器，工作电压3.3 V。

图4 控制电路框图

3.2 共模噪声抑制

无桥Boost PFC的电路中差模电流几乎是相同的，而因开关管的位置以及二极管加入等原因造成的共模电流是不同的。如图5可知，输出2端以及输入L＆N两端的电位随开关频率浮动，导致电压对地的波动，因此以上各点与输入电源地之间出现较大的寄生电容，共模干扰严重。

如何抑制电压波动？如图6，增加相应的滤波电容，可以稳定电压和抑制共模噪声。

图5 电压波动噪声

图6 共模噪声抑制

4 实验分析

通过实验得到图7所示波形，可以看出Dual Boost PFC实现了功率因数校正。

图7 Dual Boost PFC实现功率因数校正

实验室测试数据如表2。由数据可以看出在输入电压230 V情况下，功率越大功率因数越大，且DSP控制的Dual Boost PFC电路的功率因数可达0.999，几乎接近于1；Dual Boost PFC电路的效率最高可达97.6%。

表2 实验室测试数据

在输出功率1 k W情况下，由DSP控制的Dual Boost PFC与传统的Boost PFC电路的功率接近相同，且在90～230 V输入电压，都能保持0.99的功率因数，如图8。

在输入230 V，满载情况下，样机产生的噪声如图9，Dual Boost PFC的共模噪声抑制效果理想。

图8 功率因数对比

图9 噪声

5 结 论

Dual Boost PFC可以降低PFC电路的导通损耗，能够将PFC的控制效率提升至97.6%，以及功率因数达到0.999；DSP控制使Dual Boost PFC拓扑简单化、数字化，以便进行远程控制；提出电容滤波稳定电压的办法可以降低Dual Boost PFC的电磁干扰噪声。

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