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两级PFC技术的现状和发展趋势

目前,文献上研究的两级PFC技术一般都是指BoostPFC前置级和后随的DC/DC功率变换级。对第一级BoostPFC而言,研究的热点主要有两个:一是功率级的进一步完善;另一个是PFC的控制简化。前一个问题是因为在Boost电路中输出比输入高,因而保持最低的中间母线电压也必须大于最高输入电压的峰值,这由电网电压的范围决定。在我国,如果仅考虑单相电网输入,最高电压为270V,则该母线电压就须设置在385~400V左右。高压输出对MOSFET的开通损耗和二极管的反向恢复损耗而言,在PWM硬开关工作状态下都会相当大。因此,一个最大的问题就是如何减小或者消除这两个损耗,相应就有许多软开关Boost变换器理论的研究。现在较具代表性的有两种技术:一种是有源吸收技术;另一种是无源吸收技术。

有源吸收技术是采用附加的一些有源开关,例如辅助MOSFET、无源L.C.、二极管元器件,通过控制开关的时序,使得Boost变换器电路中的主开关和主二极管实现ZVS和ZCS。许多相应的Boost变换器电路已经被发明,如ZVT、ZCTBoost变换器、有源箍位Boost变换器、ZVZCS-Boost变换器等。有源吸收技术虽然能较好地解决主开关的软开关问题,但辅助开关自身往往仍是硬开关,仍会产生很大的功率损耗。再加上复杂的时序控制,使得变换器的成本增加,可靠性降低,在实际的产品设计中并不经常采用这种技术。

无源吸收技术则是采用无损元件L、C和二极管组成的网络,来延缓MOSFET的dv/dt和二极管的di/dt,从而减小开通损耗和反向恢复损耗。这类吸收技术最近又获得新的发展,原因是它的成本较为低廉,不需要复杂的控制,可靠性较高。

除了BoostPFC功率级的软开关技术研究外,另一个较为关注的研究方向是PFC的控制技术。目前,最为常用的控制技术有三种,即工作模式(CCM)平均电流型控制BoostPFC、CCM/DCM边界控制BoostPFC和电流钳位(CurrentClamp)控制BoostPFC,下面分别予以简单介绍。

①平均电流型控制BoostPFC。平均电流型控制BoostPFC,是通过检测Boost电感电流并与正弦电流基准比较、误差放大后,再与斜波信号比较,产生PWM占空比信号,去控制主开关,以实现单位功率因数和稳定输出电压。其中正弦电流基准信号由(A·B)/C获得,A为输出检测信号经误差放大后的输出电压,B是全波正弦输入电压的取样值,C则为输入交流电压取样信号平均值的平方。这种技术的电压环带宽控制小于20Hz,电流环则要求足够快,以保证不失真和低的谐波要求。它有专用控制器芯片,如UC3854。目前通常用于1kW以上的功率级。这种技术的优点是定频控制,功率因数高;缺点是要检测电感电流,控制器外围参数设计和选择较为复杂。

②CCM/DCM边界控制BoostPFC。CCM/DCM边界控制BoostPFC则是一种滞后控制技术。它的上限是一个正弦基准电流,由输出检测信号经误差放大后与输入全波电压的检测信号相乘获得,下限则为零。具体过程是通过检测开关电流与正弦基准电流相比较,当达到该基准电流时关断开关,在电感电流为零时再次开通。这种控制使得电感电流为临界电流工作状态,即CCM/DCM边界。可以消除二极管的反向恢复损耗,大大减小主开关的非零电压开通损耗。但它是一种变频控制技术,EMI滤波器的设计较为困难。另外,由于电感较小,电感纹波电流较大,使得开关器件的通态损耗有所增加。因此,在1kW以内可以采用这种技术。其优点是:控制简单,专用芯片(如MC34262)的外围元件很少。

③电流钳位控制BoostPFC。电流钳位控制BoostPFC则是前几年才引进的一种简单技术,它实际上就是电流型(峰值)控制Boost电路。由于外环是一个带宽非常低的电压环,其输出与开关电流比较后去控制主开关的占空比,由此产生的输入电流介于正弦电流与方波电流之间,但仍有很高的功率因数。只要补偿斜波的参数选择得当,便可相当容易地满足IEC1000-3-2标准。这种技术的控制器就是专门的电流型PWM控制器,如UC3842~UC3845。最大占空比的控制和前馈环节的加入都会明显改善波形和功率因数。这种技术因控制极其简单,但谐波性能指标相对较差而多用于小功率场合(450W以内)。

除了上面三种常用的控制技术外,还有许多其他的控制技术,如OneCycle控制的PFC技术、非线性载波控制的PFC技术等。简化PFC控制,即如何省掉乘法器是目前研究控制的目标。对于两级技术中的后一级,一般是一个隔离DC/DC功率变换器。它的目的是将Bus电压变成所需的负载电压。很多负载对该电压的要求是低纹波、高精度、好的动态响应和小的EMI等。因此,对这一个DC/DC变换器及其控制也会提出很高的要求。作为一个完整的开关电源,高效率和轻量化是最最关键的要求。由于BoostPFC的加入,相应地会降低整个电源的效率,增加总电源的体积,所以这一级的选择、设计和优化就显得非常重要。


本文节选自《开关电源实用技术》,由镭之源激光电源收集整理
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