大功率无桥PFC研究
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这部分电路利用 NE555 的锁存和比较功能实现，需要结合 NE555 内部原理分析。输入的 AC 经过整流滤波后进行检测，当 6 脚电压大于 5 脚电压时输出变为低电平，光藕得电工作， AC_GOOD 信号传递给 PFC 芯片使之开始工作，当 IC201A 的 5 脚小于 5.2V 之后，2 脚电压 变低，3 脚输出高电平关闭光藕，此时 PFC 芯片被禁止工作以达到保护目的。 然后是同步整流控制电路
窝的电感采用了 1.8mm 的漆包线绕制，因为是 CCM 的，所以高频电流成分很少，基本能按 照工频标准选择线径 磁环采用 90 导磁率的 77442 控制部分和功率部分的参数如下：
C401 和 C402 用于提供高频回路并降低 EMC 问题 D407 和 D408 用于在启动的时候给高压电容充电，防止电流冲击电感 继电器用于在 PFC 正常工作之后短路启动限流的 NTC 电阻，降低损耗
这种拓扑带来效率提升的同时, 也带来了一些新的问题: 1. 由于 PFC 的主体都在高频电感之后, 相对于大地(Earth)的电位是高速变化的, 会产生更高的 EMI 问题, 通过采用双对称绕组电感和增加一些高频回路可以减轻这个问题 2. 由于采用了双对称绕组电感, PFC 主体和 AC 线路没有直接的联系, 因此对于控制电路来说, 检测交流 线路的有效电压值和瞬时电压值都变得极为困难, 由于有两个 mos 管, 电流的回路也变得比较复杂, 无论 用互感器或者电阻都不能简单的获得一个精确的包含电感高频电流成品的信号. 这使得传统 CCM 控制芯 片不能发挥用武之地。IR1150 ICE1PCS01 为国际整流器公司和英飞凌公司推出的单周期控制 IC, 他们可 以不需要检测 AC 线路的电压就完成 PFC 的任务. 电流检测仍然是个问题, 并且 IR1150 对噪声很敏感, 于 是窝准备采用 ICE1PCS01, 毕竟素德国人的东西, 以稳定著称.
电感电流上升的周期(相当于普通 Boost 中 mos 开通时), 电流经过 2 个 mos 管(其中一个反向导通), 当电 感电流下降时,电流经过 1 个 mos 的体二极管和一个快恢复二极管. 由于经过的半导体数目减少了, 而且 mos 具有更低的导通电阻, 因此能极大的提高效率。两个 mos 管可以直接由传统 CCM 控制芯片同时驱动, 也可以加入同步整流逻辑之后驱动, 这样可以在电感电流下降的时候提供一个 mos 管的低压降导通回路, 再提升那么一点点效率.
这里有 L1 和 L2 两个电感，L1 对功率管电流进行采样，L2 对二极管电流采样，合成之后便 是含有高频成分的电感电流波形。 当 AC 上正下负的时候，当 M2 开启时 L1b 和次级传感了 M2 的电流，M2 关闭之后 L2 则传 感了二极管波形 当 AC 上负下正的时候，当 M1 开启时 L1b 和次级传感了 M1 的电流，M2 关闭之后 L1a 和 L1b 产生了相反的磁通，互相抵消，此时 L2 传感了二极管的电流波形 Q1 的作用是为了防止 L1 的磁芯通过次级的二极管进行磁复位，防止输出的信号含有复位电 流成分 由了这个检测方法，就可以准确的反应出电感电流的波形，从而提供给芯片进行功率因数校 正
的采用互感器的方法
双 Boost 无桥 PFC 这种拓扑由标准无桥 PFC 改良而来, 增加了 D3 和 D4 作为低频电流的回路, S1 和 S2 只作为 高频开关而不参与低频续流 同标准无桥 PFC, S1 和 S2 能同时驱动, 而在两个低频二极管 D3 和 D4 之后插入取样电阻又 可以像普通 PFC 简单地传感电流 同时这种拓扑具有更低的工模电流 但是这种拓扑必须使用两个电感, 电流流向有不确定性, 低频二极管和 mos 的体二极管可 能同时导通, 增加了不稳定因素
图腾柱 PFC 由标准无桥 PFC 演化而来, 但是原理稍微改变 D1 和 D2 为低频二极管, S1 和 S2 的体二极管提供高频整流开关作用 这种电路具有较低的 EMI, 使用元件较少, 设计可以很紧凑 但是 S1 和 S2 需要使用不同的驱动信号, 工频周期不同信号也不一样, 增加了控制的复杂性, S2 不容易驱动(可以尝试 IR2110 等自举驱动芯片) S1 和 S2 如果采用 mos, mos 的体二极管恢复较慢(通常数百 ns)会产生较大的电流倒灌脉冲, 引起很大的损耗, 足以抵消无桥低损耗的优势 S1 和 S2 如果采用 IGBT, 虽然其体二极管的性能没问题, 但是其导通压降比较大, 也会产生 很高的损耗, 尤其是在低电压输入的情况下 现在有一些国外公司在研制 GaN 和 SiC 高性能开关管, 开关速度极快, 没有体二极管反向恢 复问题, 这些技术尚在研发中, 现在是在市场上见不到这些产品的. 如果未来这些高性能器 件能大规模普及, 图腾柱 PFC 将有机会成为最流行最高效的 PFC 拓扑
稳压管用于保护比较器，电容用于滤波。之所以用输入 AC 分压后和一个非零电压比较是为 了在 Sync1 和 Sync2 之间产生一定死区时间避免同时长时间导通引起炸鸡 最后是软起动电路
窝选择 UCC28019 作为核心控制芯片，这是一款单周期平均电流控制的 PFC 芯片，单周期 控制技术只需要采样输入电流和输出电压即可完成 PFC 功能，传统的 CCM 模式的 PFC 芯片 需要额外采样输入电压的瞬时值和有效值，这俩在无桥 PFC 中很难直接采样。因此单周期 控制方案成为了首选。
这是给控制电路供电的开关电源电路，AG_15V 用于给软起动电路、同步整流控制电路和低 压保护电路供电，电路采用了无光藕的形式，保证了 AG_15V 那路的输出稳定，反激变换器 有交叉调整问题，为了保证 PFC 芯片得到稳定供电，IC102 充当了稳压的作用。
下面介绍其他的一些控制电路 首先是低压保护功能，防止在电网电压过低时 PFC 输入过大电流而烧毁
当开关管开通时, 电流会经过 2 个低速整流二极管, 1 个 mos 管, 当开关管关闭的时候, 电流会经过 2 个低速整流管和 1 个快恢复二极管。对于 110V 情况下输出 1500W 的 PFC 来说,整流桥损耗可达 30W 左 右, 是一个相当可观的数字，如果能通过改进拓扑取消掉整流桥, 将会极大的提高效率. 改进的电路如下图, 它在每个正周期内和负周期内等效为 1 个普通的 Boost 拓扑:
' 双向开关无桥 PFC S1 和 S2 组成了双向开关, 他们可以同时驱动, 采用电流互感器可以很容易的检测电流, D1 和 D3 为超快恢复二极管, D2 和 D4 可以采用低频二极管 缺点在于整个电路的电势相对于大地都在剧烈变化, 会产生比标准无桥 PFC 更严重的 EMC 问题, 输出电压无法直接采样, 需要隔离采样(使用光耦, 但是会增加复杂度)
对于 CCM 的 PFC, 主要问题是二极管的反向恢复问题, 在反向恢复期间产生的大反向电流会产生额 外的损耗还有潜在干扰电路的风险. 具体可以通过增加 RC 电路(有损)或者 ZVT 技术(无损,但是比较复杂) 进行解决, 这里暂时不进行讨论。由于 PFC 通常被设计成宽电压输入模式(85-265V 输入)， 在低输入电压 时输入电流会比较大, 当输出功率比较大时, 各功率器件尤其是输入整流桥的电流压力和散热压力尤为明 显. 如下图
窝计算得到的电流采样电阻为 0.018 欧，因此互感器就采用 1：260 的，而次级的负载电阻 为 4.7 欧，较高的互感器初次级比有助于抵消二极管的非线性影响。两个电流互感器用 0.2 的漆包线绕 260 圈，然后穿过粗漆包线制成，结构如下：
采用互感器之后，功率回路和信号回路更独立，因此得到的电流信号更纯净 主功率电感和 UCC28019 的反馈和补偿回路的设计与传统的有桥 PFC 完全一致，因此可以 方便的采用 TI 公司提供的 excel 表格进行快速计算。 为了降低 EMC 问题，输出电感采用双绕组耦合工艺，圈数和传统 PFC 所需的一样，只不过 分成两部分来绕：
上ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ次 说 到 无 桥 PFC, 实 际 上 有 很 多 种 不 同 样 式 的 无 桥 PFC. 详 见 ： http://www.51hei.com/bbs/dpj-29074-1.html
做产品需要考虑效率, 稳定性, 成本, EMC(电磁兼容) 等不同因素, 有的时候必须在这之 间进行取舍.
假图腾柱 PFC 在图腾柱 PFC 基础上演化而来 D2 和 D4 代替了原来 S1 和 S2 内部的体二极管的续流作用 控制方式和图腾柱 PFC 完全相同 这种拓扑需要两个电感, 利用率不高, 体积较大, S2 极难驱动 这种拓扑只能算在高性能开关器件诞生前的一种这种方案
介绍了这六种 PFC, 每一时刻电流只通过两个功率开关器件, 比传统 PFC 的三个少, 在不使 用软开关和交错技术的情况下, 理论上这些拓扑的损耗几乎相差无几, 都比传统 PFC 高 剩下的主要就从 EMC 和易于实现的角度考虑了
上接： 大功率无桥 PFC 研究系列(2):http://www.51hei.com/bbs/dpj-30913-1.html 经过之前的讨论和权衡，最终决定试制标准无桥 PFC 的样机。
设计指标输入 85-265VAC，输出 400VDC，最大输出功率 1.5kw，在 85V 输入时也达到 1.5kw
这里有六种无桥 PFC, 分别是:
标准无桥 PFC 这种 PFC 在正负半周的时候, 两个管子一个续流一个充当高频开关 这种拓扑的优点是使用功率元件比较少, 两个管子可以一起驱动, 这简化了驱动电路的设 计, 同时让直接使用传统 APFC 的控制芯片成为可能. 但它同时存在几个问题, 电流流向复杂而且不共地, 电流采样困难, 有较大的共模干扰因此 输入滤波器要仔细设计 针对头一个问题, ST 公司和 IR 公司的一些应用文档中已经比较详细的介绍了两种比较可行
注: 本文中的图片来自 Fariborz Musavi 的 Efficiency Evaluation of Single-Phase Solutions for AC-DC PFC Boost Converters for Plug-in-Hybrid Electric Vehicule Battery Chargers 这个文章
UCC28019 的开关频率为固定的 65KHz，对于这个 1.5kw 级别的应用正好，是在电感体积和 开关损耗之间的一个不错的平衡 芯片带有超压保护、开环保护、输入电压过低保护、过流保护、过热保护等功能
比较难攻克的地方就是电流采样，幸运的是 ST 公司的一片应用文档已经给出了不错的解决 方案，在这里感谢他们！ 图来自 ST 公司的 AN1606 文档
综合考虑下来还是 采用标准无桥 PFC 作为现阶段的拓扑, GaN 开关器件普及之后采用图腾 柱 PFC
图片来源: Conduction Losses and Common Mode EMI Analysis on Bridgeless Power Factor Correction By Qingnan Li, Michael A. E. Andersen, Ole C. Thomsen
PFC 是一种解决传统 AC 整流电路引起的电网污染问题的电路. 常规整流滤波电路的整流桥只有在输 入正弦波电压接近峰值时才会导通, 因此导致了输入电流程严重非正弦性, 导致输入产生了大量谐波电流 成份, 降低了电网的利用率同时有潜在的干扰其他电器的可能.PFC 电路通过对输入 AC 电流进行'整形', 使 输入电流为近似和输入电压同相位的正弦波, 达到了输入功率接近 1 的可能.
常用的 PFC 电路均为 Boost 升压拓扑, 根据 Boost 拓扑在不同工作模式(DCM\BCM\CCM)下的特性不 同, 控制方法可以分为 3 种。 BCM 和 CCM 采用的较多, BCM 为变频控制, 可以实现零电压开启(降低开 通损耗), 但是较高的开关管有效电流限制了它只能在中小功率的场合, 大功率场合是 CCM 的天下。
窝的电感采用了 1.8mm 的漆包线绕制，因为是 CCM 的，所以高频电流成分很少，基本能按 照工频标准选择线径 磁环采用 90 导磁率的 77442 控制部分和功率部分的参数如下：
C401 和 C402 用于提供高频回路并降低 EMC 问题 D407 和 D408 用于在启动的时候给高压电容充电，防止电流冲击电感 继电器用于在 PFC 正常工作之后短路启动限流的 NTC 电阻，降低损耗
这种拓扑带来效率提升的同时, 也带来了一些新的问题: 1. 由于 PFC 的主体都在高频电感之后, 相对于大地(Earth)的电位是高速变化的, 会产生更高的 EMI 问题, 通过采用双对称绕组电感和增加一些高频回路可以减轻这个问题 2. 由于采用了双对称绕组电感, PFC 主体和 AC 线路没有直接的联系, 因此对于控制电路来说, 检测交流 线路的有效电压值和瞬时电压值都变得极为困难, 由于有两个 mos 管, 电流的回路也变得比较复杂, 无论 用互感器或者电阻都不能简单的获得一个精确的包含电感高频电流成品的信号. 这使得传统 CCM 控制芯 片不能发挥用武之地。IR1150 ICE1PCS01 为国际整流器公司和英飞凌公司推出的单周期控制 IC, 他们可 以不需要检测 AC 线路的电压就完成 PFC 的任务. 电流检测仍然是个问题, 并且 IR1150 对噪声很敏感, 于 是窝准备采用 ICE1PCS01, 毕竟素德国人的东西, 以稳定著称.
电感电流上升的周期(相当于普通 Boost 中 mos 开通时), 电流经过 2 个 mos 管(其中一个反向导通), 当电 感电流下降时,电流经过 1 个 mos 的体二极管和一个快恢复二极管. 由于经过的半导体数目减少了, 而且 mos 具有更低的导通电阻, 因此能极大的提高效率。两个 mos 管可以直接由传统 CCM 控制芯片同时驱动, 也可以加入同步整流逻辑之后驱动, 这样可以在电感电流下降的时候提供一个 mos 管的低压降导通回路, 再提升那么一点点效率.
这里有 L1 和 L2 两个电感，L1 对功率管电流进行采样，L2 对二极管电流采样，合成之后便 是含有高频成分的电感电流波形。 当 AC 上正下负的时候，当 M2 开启时 L1b 和次级传感了 M2 的电流，M2 关闭之后 L2 则传 感了二极管波形 当 AC 上负下正的时候，当 M1 开启时 L1b 和次级传感了 M1 的电流，M2 关闭之后 L1a 和 L1b 产生了相反的磁通，互相抵消，此时 L2 传感了二极管的电流波形 Q1 的作用是为了防止 L1 的磁芯通过次级的二极管进行磁复位，防止输出的信号含有复位电 流成分 由了这个检测方法，就可以准确的反应出电感电流的波形，从而提供给芯片进行功率因数校 正
的采用互感器的方法
双 Boost 无桥 PFC 这种拓扑由标准无桥 PFC 改良而来, 增加了 D3 和 D4 作为低频电流的回路, S1 和 S2 只作为 高频开关而不参与低频续流 同标准无桥 PFC, S1 和 S2 能同时驱动, 而在两个低频二极管 D3 和 D4 之后插入取样电阻又 可以像普通 PFC 简单地传感电流 同时这种拓扑具有更低的工模电流 但是这种拓扑必须使用两个电感, 电流流向有不确定性, 低频二极管和 mos 的体二极管可 能同时导通, 增加了不稳定因素
图腾柱 PFC 由标准无桥 PFC 演化而来, 但是原理稍微改变 D1 和 D2 为低频二极管, S1 和 S2 的体二极管提供高频整流开关作用 这种电路具有较低的 EMI, 使用元件较少, 设计可以很紧凑 但是 S1 和 S2 需要使用不同的驱动信号, 工频周期不同信号也不一样, 增加了控制的复杂性, S2 不容易驱动(可以尝试 IR2110 等自举驱动芯片) S1 和 S2 如果采用 mos, mos 的体二极管恢复较慢(通常数百 ns)会产生较大的电流倒灌脉冲, 引起很大的损耗, 足以抵消无桥低损耗的优势 S1 和 S2 如果采用 IGBT, 虽然其体二极管的性能没问题, 但是其导通压降比较大, 也会产生 很高的损耗, 尤其是在低电压输入的情况下 现在有一些国外公司在研制 GaN 和 SiC 高性能开关管, 开关速度极快, 没有体二极管反向恢 复问题, 这些技术尚在研发中, 现在是在市场上见不到这些产品的. 如果未来这些高性能器 件能大规模普及, 图腾柱 PFC 将有机会成为最流行最高效的 PFC 拓扑
稳压管用于保护比较器，电容用于滤波。之所以用输入 AC 分压后和一个非零电压比较是为 了在 Sync1 和 Sync2 之间产生一定死区时间避免同时长时间导通引起炸鸡 最后是软起动电路
窝选择 UCC28019 作为核心控制芯片，这是一款单周期平均电流控制的 PFC 芯片，单周期 控制技术只需要采样输入电流和输出电压即可完成 PFC 功能，传统的 CCM 模式的 PFC 芯片 需要额外采样输入电压的瞬时值和有效值，这俩在无桥 PFC 中很难直接采样。因此单周期 控制方案成为了首选。
这是给控制电路供电的开关电源电路，AG_15V 用于给软起动电路、同步整流控制电路和低 压保护电路供电，电路采用了无光藕的形式，保证了 AG_15V 那路的输出稳定，反激变换器 有交叉调整问题，为了保证 PFC 芯片得到稳定供电，IC102 充当了稳压的作用。
下面介绍其他的一些控制电路 首先是低压保护功能，防止在电网电压过低时 PFC 输入过大电流而烧毁
当开关管开通时, 电流会经过 2 个低速整流二极管, 1 个 mos 管, 当开关管关闭的时候, 电流会经过 2 个低速整流管和 1 个快恢复二极管。对于 110V 情况下输出 1500W 的 PFC 来说,整流桥损耗可达 30W 左 右, 是一个相当可观的数字，如果能通过改进拓扑取消掉整流桥, 将会极大的提高效率. 改进的电路如下图, 它在每个正周期内和负周期内等效为 1 个普通的 Boost 拓扑:
' 双向开关无桥 PFC S1 和 S2 组成了双向开关, 他们可以同时驱动, 采用电流互感器可以很容易的检测电流, D1 和 D3 为超快恢复二极管, D2 和 D4 可以采用低频二极管 缺点在于整个电路的电势相对于大地都在剧烈变化, 会产生比标准无桥 PFC 更严重的 EMC 问题, 输出电压无法直接采样, 需要隔离采样(使用光耦, 但是会增加复杂度)
对于 CCM 的 PFC, 主要问题是二极管的反向恢复问题, 在反向恢复期间产生的大反向电流会产生额 外的损耗还有潜在干扰电路的风险. 具体可以通过增加 RC 电路(有损)或者 ZVT 技术(无损,但是比较复杂) 进行解决, 这里暂时不进行讨论。由于 PFC 通常被设计成宽电压输入模式(85-265V 输入)， 在低输入电压 时输入电流会比较大, 当输出功率比较大时, 各功率器件尤其是输入整流桥的电流压力和散热压力尤为明 显. 如下图
窝计算得到的电流采样电阻为 0.018 欧，因此互感器就采用 1：260 的，而次级的负载电阻 为 4.7 欧，较高的互感器初次级比有助于抵消二极管的非线性影响。两个电流互感器用 0.2 的漆包线绕 260 圈，然后穿过粗漆包线制成，结构如下：
采用互感器之后，功率回路和信号回路更独立，因此得到的电流信号更纯净 主功率电感和 UCC28019 的反馈和补偿回路的设计与传统的有桥 PFC 完全一致，因此可以 方便的采用 TI 公司提供的 excel 表格进行快速计算。 为了降低 EMC 问题，输出电感采用双绕组耦合工艺，圈数和传统 PFC 所需的一样，只不过 分成两部分来绕：
上ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ次 说 到 无 桥 PFC, 实 际 上 有 很 多 种 不 同 样 式 的 无 桥 PFC. 详 见 ： http://www.51hei.com/bbs/dpj-29074-1.html
做产品需要考虑效率, 稳定性, 成本, EMC(电磁兼容) 等不同因素, 有的时候必须在这之 间进行取舍.
假图腾柱 PFC 在图腾柱 PFC 基础上演化而来 D2 和 D4 代替了原来 S1 和 S2 内部的体二极管的续流作用 控制方式和图腾柱 PFC 完全相同 这种拓扑需要两个电感, 利用率不高, 体积较大, S2 极难驱动 这种拓扑只能算在高性能开关器件诞生前的一种这种方案
介绍了这六种 PFC, 每一时刻电流只通过两个功率开关器件, 比传统 PFC 的三个少, 在不使 用软开关和交错技术的情况下, 理论上这些拓扑的损耗几乎相差无几, 都比传统 PFC 高 剩下的主要就从 EMC 和易于实现的角度考虑了
上接： 大功率无桥 PFC 研究系列(2):http://www.51hei.com/bbs/dpj-30913-1.html 经过之前的讨论和权衡，最终决定试制标准无桥 PFC 的样机。
设计指标输入 85-265VAC，输出 400VDC，最大输出功率 1.5kw，在 85V 输入时也达到 1.5kw
这里有六种无桥 PFC, 分别是:
标准无桥 PFC 这种 PFC 在正负半周的时候, 两个管子一个续流一个充当高频开关 这种拓扑的优点是使用功率元件比较少, 两个管子可以一起驱动, 这简化了驱动电路的设 计, 同时让直接使用传统 APFC 的控制芯片成为可能. 但它同时存在几个问题, 电流流向复杂而且不共地, 电流采样困难, 有较大的共模干扰因此 输入滤波器要仔细设计 针对头一个问题, ST 公司和 IR 公司的一些应用文档中已经比较详细的介绍了两种比较可行
注: 本文中的图片来自 Fariborz Musavi 的 Efficiency Evaluation of Single-Phase Solutions for AC-DC PFC Boost Converters for Plug-in-Hybrid Electric Vehicule Battery Chargers 这个文章
UCC28019 的开关频率为固定的 65KHz，对于这个 1.5kw 级别的应用正好，是在电感体积和 开关损耗之间的一个不错的平衡 芯片带有超压保护、开环保护、输入电压过低保护、过流保护、过热保护等功能
比较难攻克的地方就是电流采样，幸运的是 ST 公司的一片应用文档已经给出了不错的解决 方案，在这里感谢他们！ 图来自 ST 公司的 AN1606 文档
综合考虑下来还是 采用标准无桥 PFC 作为现阶段的拓扑, GaN 开关器件普及之后采用图腾 柱 PFC
图片来源: Conduction Losses and Common Mode EMI Analysis on Bridgeless Power Factor Correction By Qingnan Li, Michael A. E. Andersen, Ole C. Thomsen
PFC 是一种解决传统 AC 整流电路引起的电网污染问题的电路. 常规整流滤波电路的整流桥只有在输 入正弦波电压接近峰值时才会导通, 因此导致了输入电流程严重非正弦性, 导致输入产生了大量谐波电流 成份, 降低了电网的利用率同时有潜在的干扰其他电器的可能.PFC 电路通过对输入 AC 电流进行'整形', 使 输入电流为近似和输入电压同相位的正弦波, 达到了输入功率接近 1 的可能.
常用的 PFC 电路均为 Boost 升压拓扑, 根据 Boost 拓扑在不同工作模式(DCM\BCM\CCM)下的特性不 同, 控制方法可以分为 3 种。 BCM 和 CCM 采用的较多, BCM 为变频控制, 可以实现零电压开启(降低开 通损耗), 但是较高的开关管有效电流限制了它只能在中小功率的场合, 大功率场合是 CCM 的天下。