一种交错图腾PFC过零点控制策略

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提高电源转换效率的交错式PFC控制技术及应用

提高电源转换效率的交错式PFC控制技术及应用多年以来，多种创新型功率因数校正(PFC)技术不断问世。

采用升压拓扑结构的有源功率因数校正就是首批创新技术中的一种。

由于不再需要大体积的无源PFC解决方案，所以有源功率因数校正技术提高了功率密度。

另一个创新技术为转移模式PFC，该技术消除了PFC预调节器的升压二极管中的反向恢复电流，不但降低了转换器的开关损耗，而且还提高了系统效率。

用来增加功率密度并提高系统效率的PFC下一个创新技术为交错式PFC预调节器。

电源设计工程师设计交错式PFC转换器已有数年，但因缺少合适的控制器，所以对电源控制的设计必须非常谨慎。

为使交错式PFC设计变得更轻松，德州仪器(TI)开发出两款交错式PFC控制器：一款为针对平均电流模式预调节器的控制器(UCC28070)，另一款为针对交错式转移模式PFC预调节器的控制器(UCC28060)。

本文将讨论如何利用交错式PFC及其控制技术来增加功率密度、提高系统效率并降低系统成本。

交错式PFC升压预调节器(图1)仅由两个PFC升压转换器组成，这两个升压转换器的工作相位相差180°，可降低由电感电流(IL1和IL2)引起的输入电流(IIN)。

由于电感高频纹波电流为反相，所以二者相互抵销，从而降低由升压电感电流引起的输入纹波电流。

电感纹波电流的消除允许电源设计工程师在减少由升压电感引起的输入纹波的同时并联升压PFC预调节器，这可以降低总的电感升压幅度和/或缩小EMI滤波器尺寸。

此外，与单级拓扑结构相比，交错式PFC预调节器的高频输出电容的均方根(RMS)电流(ICOUT)不到前者的50%。

高频升压电容的RMS电流的减少最多可以使升压电容数量下降25%。

请不要将升压电容数量与设计时所需的电容数量相混淆，转换器所需的电容数量一般由保持时间决定。

图1：交错式PFC升压预调节器仅由两个PFC升压转换器。

与单级预调节器相比，交错式PFC预调节器最多可以将设计所需的总电感能量降低50%。

交错式PFC的优势及解决方案

交错式PFC的优势及解决方案
交错式PFC的优势及解决方案
交错式PFC的主要想法是在原本放置单个较大功率PFC的地方并行放置两个功率为一半的较小功率的PFC，参见图1。

这两个较小功率PFC 以180°的相移交替工作，它们在输入端或输出端累加时，每相电流纹波的主要部分将抵消。

虽然交错式PFC 使用较多的元器件，但其好处也很明显，如150 W 的PFC 就比300W 的PFC 更易于设计，便于采用模块化的方案，且两个DCM PFC 就像一个CCM PFC 转换器，这就简化电磁干扰(EMI)滤波，并减小输入电流有效值。

特别是采用两个较小PFC 的设计能够支持厚度低至10 mm 的超薄型液晶电视设计，且能效极高。

图1：采用两颗NCP1601 PFC 控制器实现的交错式PFC 架构的功能框图。

交错式PFC 有两种具体实现方案：一为主/从(Master/Slave)方案，一为独立相位(Independent Phases)方案。

主/从方案指主分支自由工作，而从分支相对于主分支180°相移工作。

主/从方案的主要挑战在于保持在CrM 工作模式(没有CCM 模式，没有死区)。

独立相位方案指每个相位都恰当地工作在CrM 或FC。

一种新型交错并联BoostPFC技术的研究

西安科技大学硕士学位论文一种新型交错并联BoostPFC技术的研究姓名：郭超申请学位级别：硕士专业：电力电子及电力传动指导教师：韦力 2011
论文题目：一种新型交错并联 Boost PFC 技术的研究专业：电力电子及电力传动超力（签名）（签名）
硕士生：郭指导教师：韦
摘要
随着电力电子技术的发展，改善网侧电流波形，提高装置的功率因数，使 AC/DC 电源在满足谐波标准的同时还能够实现低成本、高性能，日益受到国内外学者的密切关注。本文着重研究 PFC 的并联技术。分析了 Boost PFC 变换器的工作原理，建立了基于平均电流控制的 Boost PFC 实验模块。论文首先简要介绍了本课题的研究背景和功率因数校正技术的发展现状，指出了课题的研究意义和研究内容。本文对无源 PFC 技术、有源两级 PFC 技术和有源单级 PFC 技术进行了分析和对比，指出它们各自的优、缺点和适用范围。并在此基础上，提出一种新型耦合电感交错并联功率因数校正电路拓扑，该电路采用交错并联技术，降低变换器的开关频率，减小电流纹波及功率器件应力。主电路拓扑选用一种耦合电感交错并联 Boost 变换器，使电路结合了工作于连续模式 CCM(Continuous Current Mode)和断续模式 DCM(Discontinuous Current Mode)的优点，实现了二极管零反向恢复损耗和开关管的零电流开通，并且在两路占空比失衡时仍能自动实现良好的均流，从而提高了效率，降低了成本。控制方案以平均电流控制为核心，通过分频来实现交错控制。本文对主要参数的分析和设计进行了详细的介绍，并进行了实验研究，给出了实验结果。实验结果表明该系统性能良好，能够在既定的频率下实现较好地功率因数校正效果。

交错并联临界连续Boost PFC 变换器移相控制策略稳定性分析

ISlave
t
3TM1 2
3TM2 TM1 − 2 2
3TM3 TM2 − 2 2
3TM4 TM3 − 2 2
3TM5 TM4 − 2 2
图 1 移相开通信号
中国电工技术学会电力电子学会第十一届学术年会
IMaster
假设输出电压 uac 和输出电压 U dc 保持不变，下一个开
关周期
TM1
TM2
TM3
TM4
TM5
3TM4 TM3 − 2 2
3TM5 TM4 − 2 2
TM6
t
∆I1 = 1，误差信号不会放大。然而 I Sl
3TM2 TM1 − 2 2
Turn off Turn off
输入电流增大，输入功率增大，而由于电压环的调节作用，开通时间 Ton 就会减小，从而几个周期后，
t
3TM3 TM2 − 2 2
TS1
TS2
TS3
TS4
TS5
图 2 移相关断信号
∆I n < 1 。实验也证明采用这种移相控制方法，从相 ∆I 0
电感电流工作稳定且移相 180°。
利用 FPGA 实现上述两种移相控制方案，并且利用电路中的耦合电感实现了 Boost 电路的二极管零反向恢 4 复损耗。实验发现，采用图 1 移相开通法，两相的电感电流工作稳定，且得到的总输入电流的纹波很小。采用这种控制方法即可以保证从相电感电流工作于 CRM 图 2 移相关断法，当输入电压较低时，两相电感电流工模式又能满足移相的要求，但实际上从相电感电流工作作稳定，但当输入电压上升到一定的幅值时，就会出现不稳定。次谐波振荡现象。于是，分别对这两种控制方法进行了稳定性分析，并得出结论。如图 4，理想的从相电流应该是零电流开通，在 180 ° 控制信号处关断并且从相开通时间等于主相开通时间。假如在某一时刻有一个扰动 ∆Ton ，如图 4 所示。实线是从相电流理想波形，虚线是扰动后电感电流变化的这种控制方法的缺点是从相的电感电流可能工作在曲线。 DCM 或者 CCM 状态。但无论是实验还是仿真，CCM 或者 DCM 现象都不严重。如图 3-3，理想的从相电流应在 180°移相控制信号处零电流开通并且从相开通时间等于主相开通时间。假设某一时刻从相电感电流工作在 CCM 状态，相对于理想的电流波形有个 ∆I 0 ，如图 3 所示。

交错型PFC升压控制开关电源电路设计

价值工程1电源的类型及分析电子设备的电源可分为线性电源和开关电源（SMPS ）：线性电源的设计简单，而SMPS 则较复杂。

从能效方面比较，开关电源的能效等级较高（60%～95%）,线性电源的典型能效值较低（40%～55%）。

SMPS 让设计人员开发出能达到强制性能效标准的新产品。

从成本方面相比，SMPS 更复杂，成本也更高。

在某些拓扑中使用的更先进、容差更小而能效更高的组件往往要比一般性能的组件更贵。

线性电源的设计较简单，但它要使用像铁芯变压器这样的组件，需要大量的铜质线圈也会增加成本。

为了促进更节能的SMPS 电源的应用，必须降低开关电源的成本使其接近或低于线性电源的成本。

SMPS 所增加的成本是有限的，低于线性电源的增量成本。

从尺寸方面，线性电源通常比SMPS 更大、更重。

设计中如果要将电源整合到产品外壳中，线性电源不仅占用了宝贵的空间，而且其较低的能效往往会产生大量的热量，需要散热处理以确保设备更长寿和可靠。

如果是便携式产品，首选开关电源，较重的线性电源也不可取。

能效更高、体积更小而重量更轻的SMPS 代表了未来的发展方向。

2开关电源的电路设计随着开关电源等各种电力电子设备在工业及家庭中的应用日益广泛，电网的电流谐波问题也日益严重，谐波污染给系统本身和周围的电磁环境带来了一系列的危害。

因此功率因数校正（PFC ）技术成为开关电源中必不可少的环节。

同时，随着恒流稳压开关电源的功率等级不断增加,必须考虑系统的输入功率因数、效率和负载能力。

本设计中的SMPS AC/DC 系统包含两大部分：前端是带功率因数调整的AC/DC 转换器，后端是一个全桥DC/DC 转换器。

AC/DC 系统采用交错型PFC 升压控制结构，包括一个全桥整流器、2个平行交错升压PFC 电路和2个辅助开关，用于实现主开关的过零切换（ZVS ）。

软开关技术和拓扑可以克服开关过程中的损耗。

除了改善能效，半桥和全桥的拓扑还帮助提高电源转换器密度。

pfc过零点畸变

PFC过零点畸变是指在功率因数校正（Power Factor Correction，简称PFC）电路中电流波形在过零点附近出现的畸变现象。

这是图腾柱PFC控制中的一个挑战，因为在交流输入的极性切换时，可能会造成过零点的电流发生畸变。

这种畸变可能由多种原因引起，例如当操作由负相变为正相时，如果Q4的占空比为100%，而Q2的Coss没有放完电，仍为Vout，那么当Q4一导通，电压加在电感两端，就会产生Positive CurrentSpike。

为了解决这个问题，可以在过零点后使用软启动，即在电压过零点后的最初一段时间内逐渐放开占空比，以此来控制好这几个开关周期的占空比。

此外，由于图腾柱无桥PFC控制逻辑较为复杂，可能需要修正慢管逻辑、调制逻辑、抑制过零点畸变等。

一种交错图腾PFC过零点控制策略

电子技术・ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
一
种交错图腾ＰＦＣ过零点控制策略
丈／祥，｝
３单路图腾ＰＦＯ过零点换流实验
本文分别分析了单路和双路交错图腾无桥ＰＦＣ在过零点处电；充尖峰的产生过程，找到了交错
乜流连续模』 ℃ 的ｆ１＿；Ｌ路ＰＦＣ，电压过零以后
５过零点电流尖峰减小措施
本文提 … ‘ 种针对交错井联腾ＰＦＣ的过零点控制方法：路１：作过。这样ＬＪ．以消除／ｆ必要的位移电流，就能减小ｌ；ｌｌ和Ｉ『ｌ１的过零点尖峰。［１１』过零点以后的几个带ｌ＿期内
ＴＤＫ公州为减小过零点的Ｉ乜流尖峰，其专 ‘
Ｐｏｔｍ’ ｉｔｖＩ
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ＰＦＣ栩：。
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利ｔｔ捉｝ｉ１种过零点软』【Ｉ｛动方ｊ ℃ ，征电｛ｉ过零后的最幸ＪＪ‘ 段ｔｔ、ｑ内逐渐放开１空比，以限制反向恢复电流火峰。文献［１］过零点之后的最初儿个控制期将【空比限制为最小值。对
尚。足Ｉ：作Ｊ交错并联状态，则必须选择合遁的过零控制方 ‘ 法，
｝人的电流尖峰。

一种交错并联Boost PFC变换器的控制方法

电感电流，或者通过检测电感辅助绕组上的电压，得到
控制开关管导通的电感电流过零信号fl。但这些方法
增加了电路的体积、成本和设计难度。此外，电感电流降
为零之后，电感和MOS管寄生电容谐振会使电感电流
进一步下降*1, 导致电感电流平均值偏低，产生输入电

流波形畸变的现象。
本文针对上述问题，在对交错并联CRM Boost PFC
漏源电压，并经由比较器得到过零信号，实现了开关管的零电压开通或谷底开通，极大地降低了开关损耗。采用开
关管导通时间补偿策略，提高电感电流平均值，改善了由电感和MOS管寄生电容谐振导致的输入电流波形畸变现
象。最后，搭建了一台800 W的样机，实验结果验证了该方法的有效性和可行性。
关键词：交错并联；Boost PFC；电流临界模式；过零信号；零电压开通；谷底开通
交错并联Boost PFC变换器按电感电流是否连续可分为CCM.DCM和CRM三种工作模式。相比于CCM和 DCM模式，CRM模式具有二极管无反向恢复，开关损耗和器件应力较小等优势巾，主要用于中小功率场合。变换器工作在CRM模式时，通常采用电流互感器来检测
106*基金项目：国家自热科学基金(51577074) 欢迎.网上投稿
变换器工作原理分析的基础上，提出了一种新的控制方
法，通过新型开关管电压检测电路对MOS管漏源电压进
行检测，得到控制开关管导通的过零信号ZCD,并采用
开关管导通时间补偿策略。该方法简单高效，实现了开
关管的零电压开通或谷底开通，提高了电感电流平均值，
A control method for interleaved Boost PFC converter
Lin Anna , Xie Yunxiang (School of Electric Power , South China University of Technology , Guangzhou 510640 , China)

一种图腾柱PFC电路及其控制电路和控制方法[发明专利]

专利名称：一种图腾柱PFC电路及其控制电路和控制方法专利类型：发明专利
发明人：李广卓,刘鹏飞,王斯然
申请号：CN202111402582.2
申请日：20211124
公开号：CN114123756A
公开日：
20220301
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：公开了一种图腾柱PFC电路的控制电路和控制方法。

所述图腾柱PFC电路的控制电路，通过设置主控管的导通时长，来达到电感电流上升阶段时对主控管的控制，从而可以在电流检测电阻放置于低端，即接地端时，使图腾柱PFC电路工作在连续电流模式下。

本发明提供的图腾柱PFC电路，无需采用高压器件，有效降低了电路成本，并且图腾柱PFC电路可以工作在连续电流模式、断续电流模式和临界电流模式下，极大地提高了电路效率。

申请人：成都芯源系统有限公司
地址：611731 四川省成都市成都高新综合保税区科新路8号成都芯源系统有限公司
国籍：CN
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