一种新型无桥BoostPFC电路_王慧贞

王慧贞等 一种新型无桥 Boost PFC 电路
111
模态 1[t0,t1]：t0 时刻，开关管 VT1 仍然导通， 二极管 VD1 关断，开关管电流 iVT1 达到电感电流 iL1， VD1a 反偏截止，VD1a 的反偏电压为
vVD1a
=
vin L1
Lm
+ Vo
=
kn1vin
+ Vo
（5）
模态 2[t1,t2]：t1 时刻，开关管 VT1 关断，vVT1 增加到 Vo 时 VD1 开通，VD1a 在 vVT1 达到以下电压 时导通：
⎨
⎪ diL1a ⎪⎩ dt
=
Lm (Vo − vin ) L1L1a − L2m
=
k(Vo − vin ) n1L1(1− k 2 )
（8）
VD1 上的电流的变化率为
diVD1 dt
=
d(iL1 − iL1a ) dt
=
k + n1 (1− k 2 )n1L1
(vin
−Vo )
（9）
VD1 上的电流在开关管 VT1 开通前下降到 0。 模态 5[t4,t5]：在 t4 时刻，VD1 上电流下降到 0， iVD1a 达到电感电流 iL1，此阶段 iVD1a 下降
(1
k+ − k2
n1 )n1L1
(Vo
−
vin
)
＞
iL1,avg + 0.5ΔiL1 (1− D)Ts
（12）
式中 iL1,avg——电感 L1 的平均电流； ΔiL1——电感 L1 的纹波电流。
假设输入电压为如下形式： vin = 2V sinωt ，则纹 波电流ΔiL1 如下：
ΔiL1 = Vo −
(a) 主电路拓扑
最 后 本 文 还 通 过 Saber 仿 真 比 较 分 析 了 DBPFC、2nd DBPFC 与双耦合电感 2nd DBPFC 这 三种电路的共模噪声的大小。
2 工作原理分析
图 3a 为双耦合电感 2nd DBPFC 原理图，图中 L1、L1a 是一对耦合电感，L2、L2a 是一对耦合电感， 两对耦合电感是完全一样的，正、负半周工作时的 等效原理如图 3b 和图 3c 所示。由于电路正负半周 对称工作，本文以正半周为例，假设两个耦合电感 的匝比相同，为 n1=NL1a/NL1（n1 1），且两个耦合 电感有相同的耦合系数 k。
国家重点基础研究发展计划（973 计划）资助项目（2007CB210303）。 收稿日期 2008-04-15 改稿日期 2009-03-23
方便、效率高而备受关注[4-5]，图 1 为该电路的拓 扑。
图 1 DBPFC 主电路拓扑 Fig.1 The topology of DBPFC
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 DBPFC 拓扑电感位置的特殊性使得它的功率地与 输入母线完全隔离，功率地电平相对于大地的剧烈
阶段的等量关系如下：
⎧ vin = vL1
⎪ ⎪ ⎨
uL1
=
L1
diL1 dt
+
Lm
diL1a dt
⎪ ⎪⎩vL1a
=
Lm
diL1 dt
+ L1a
diL1a dt
= −Vo
（11）
（c）模态 3
（d）模态 4
（e）模态 5
（f）模态 6
图 5 工作模态 Fig.5 Operating modes of the proposed rectifier
关键词：无桥 Boost PFC 二极管反向恢复 软开关 共模噪声 中图分类号：TM461
A Bridgeless Boost PFC Converter
Wang Huizhen Zhang Junda (Nanjing University of Aeronautics and Astronautics Nanjing 210016 China)
2V sin ωt
L1
(1− D)Ts
（13）
PFC 电路的控制目标是控制 DC/DC 变换器的 输入电流 ig 与输入电压 vin 成比例，从而使得输入阻 抗为纯阻性。即
f
(iL1 )
=
vin Re
（14）
输出功率 Po 可以表示为
Po
=
V2 Re
（15）
式中，Re 为输入等效电阻；f(iL1)为输入电感电流 iL1
的函数，单周控制中的每个开关周期内有
f (iL1) = iL1,peak
（16）
电感平均电流 iL1,avg 为
iL1,avg
=
iL1,peak
− 0.5ΔiL1
=
⎛ ⎜⎜⎝
Po V2
− Vo
− 2V sin ωt 2L1 fsVo
⎞ ⎟⎟⎠ Vin
（17）
将式（13）和式（17）代入式（12）整理得
模态 4[t3,t4]：此阶段 iVD1a 持续上升，iVD1 下降， 有下面的等量关系
（a）模态 1 （b）模态 2
⎧⎪⎪vL1a
=
Lm
diL1 dt
+ L1a
diL1a dt
=0
⎨
⎪ ⎪⎩
vL1
=
பைடு நூலகம்
L1
diL1 dt
+ Lm
diL1a dt
= vin
− Vo
（7）
可得
⎧ ⎪ ⎪
diL1 = L1a (vin −Vo ) = vin −Vo dt L1L1a − L2m (1− k 2 )L1
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电工技术学报
2010 年 5 月
变化引起的共模电流不仅造成了强大的电磁干扰， 而且也给电路的稳定工作带来了影响。针对这种缺 陷，文献[6]提出了新的拓扑——2nd Dual Boost PFC (2nd DBPFC)，很好地解决了共模干扰的问题，图 2 为该电路拓扑。
图 2 2nd DBPFC 主电路拓扑 Fig.2 The topology of 2nd DBPFC
L1a + Lm ＞ Vo Po fs
1
L1L1a − L2m
V 2 Vo − 2V sin ωt
vVT1
= Vo L1 + vin Lm L1 + Lm
= Vo + kn1vin 1+ kn1
＜Vo
（6）
模态 3[t2,t3]：t2 时刻 VD1 开始导通，由于 VT1、 VD1、Co 回路中存在寄生电感，则 iVD1 的上升速度 受到限制，在模态 3 结束的时候，iVD1+iVD1a=iL1。
摘要 提出了一种新型无桥 Boost PFC 电路，该电路通过在 2nd Dual Boost PFC (2nd DBPFC) 的基础上增加两条耦合支路来实现升压二极管的自然关断和开关管的 ZCS，大幅度提高了整机的 效率。本文详细分析了该变换器的工作原理，讨论了实现开关管 ZCS 和升压二极管自然关断的条 件，一台 300W 的实验样机验证了理论分析的正确性。由于 DBPFC 的输入母线直接与电感相连, 导致很大的 EMI，本文的新型无桥 Boost PFC 电路很好地解决了 EMI 的难题，Saber 仿真结果表 明该电路与传统 Boost PFC 电路的共模干扰几乎相等。
(b) 正半周
(c) 负半周
图 3 双耦合电感 2nd DBPFC 原理 Fig.3 Dual coupled winding 2nd DBPFC
图 4 双耦合电感 2nd DBPFC 主要波形 Fig.4 The main waveforms of the proposed rectifier
第 25 卷第 5 期
Keywords ： Bridgeless Boost PFC(Power Factor Correction), diode reverse recovery, soft switching, common mode noise
1 引言
近 年 来 由 于 半 导 体 工 业 的 快 速 发 展 ，出 现 了 如 C - MOS、碳 化 硅 二 极 管 等 低 损 耗 的 器 件 ，使 电 路 的 损耗大幅度降低[1]，但是传统 Boost PFC 电路由于 整 流 桥 的 存 在 而 无 法 进 一 步 提 高 整 机 的 效 率 ，特 别 在 低 压 大 电 流 的 场 合 ，过 高 的 导 通 损 耗 和 开 关 损 耗 使 整 机 的 功 率 密 度 无 法 改 善 。为 了 降 低 整 流 桥 的 损 耗 ，人 们 提 出 了 一 些 无 需 输 入 整 流 桥 的 新 拓 扑 [ 2- 9 ]， 在这些拓扑中，DBPFC 拓扑由于结构简单、驱动
diVD1a = − Vo − vin
dt
L1 + L2 + 2Lm
（10）
模态 6[t5,t6]：在 t5 时刻，开关管导通，在导通 期间，VD1a 不是马上关断，而是有个反向恢复过程， 但是由于 L1a 漏感 Lk1a 的存在，iVD1a 的下降率由 Lk1a 决定，则其反向恢复电流可以得到很大的减轻。此
2nd DBPFC 中的损耗主要由开关管与升压二极 管所引起，要进一步地提高系统的效率就必须减小 这两部分的损耗。文献[8-9]提出了几种减小开关管 损耗的方法，但是控制都比较复杂。本文提出了一 种新型的无桥 Boost PFC——双耦合电感 2nd DBPFC， 如图 3a 所示，利用耦合电感将升压二极管的电流转 移到耦合支路上，从而实现升压二极管的自然关断 和开关管的零电流开通，同时利用耦合电感的漏感 减轻耦合支路二极管的反向恢复，可以大幅度提高 整机的效率，且很好地解决了共模干扰的问题。