运用无桥式整流电路实现高效率的PFC设计

引言

近来，不使用桥式电路的功率因数校正(PFC)电路成为人们注意的焦点。设计人员去掉了转换器输入端的常规桥式整流电路，可以减少开关损耗，进一步提高效率。在这样的电路中，不存在由于导通损耗而降低效率的问题，且设计比较简单，需要的元件数量较少。

图1 没有使用桥式整流电路的PFC电路

图2 OCC PFC控制电路

图3 常规PFC电路和无桥式整流的PFC电路的效率

不使用桥式整流电路的

PFC设计

设计没有桥式整流电路的PFC电路有一些难点。如图1所示，电路的输入端没有二极管组成的桥式整流电路，而是在交流输入边有1个升压电感器。在这个电路中，输出和输入并无直接的连接，于是就存在输入电压的感测、电流的感测和电磁干扰噪音等问题。特别是，由于升压电感器放在交流输入这边，因此很难感测作为输入的电网交流电压和电感器上的电流。

在讨论这些问题之前，先介绍一下图1所示的没有使用桥式电路的整流器的工作原理。升压电感器分成两半，形成升压电路。输出电路由2个MOSFET晶体管和2个二极管组成。在交流电网电压的每一个半周中，其中一个MOSFET起有源开关的作用，而另一个MOSFET就起二极管的简单作用。在这对MOSFET晶体管中，处于工作状态的那个晶体管，与一个二极管和输入电感器一起，组成DC/DC升压转换器。输入电流由升压转换器来控制，随着输入电压而变化。

单周控制(OCC)方法

PFC电路中存在的感测电压和电流的问题与设计人员选择的控制策略有关。对于常规的升压PFC电路，最常用的是平均电流控制和峰值电流控制，它们都是使用模拟乘法器的技术。最近，设计人员开始探讨其他的技术，其中包括单周控制(OCC)的方法，如图2所示。

在这些方法中，平均电流的模拟乘法器控制是最流行的技术，因为其性能很好，也容易理解。

采用此方法需要使用某种类型的输入电压感测电路和电感器的电流感测电路。但是，在没有使用桥式电路的情况下，感测电压和感测电流是很复杂的。

因此，在选用了不使用桥式整流的情况下，OCC控制方法就很有优势。OCC使用输出电压和电感器中的电流峰值来计算前后衔接的每个周期的占空比，所以，在使用OCC方法时，需要的所有信息是从直流母线电压和电流那里得到的，不需要感测交流电网的电压，从而最大限度地提高了功率因数。而且，占空比控制着升压电路输入和输出之间的关系，电感器中的电流峰值可以自动地跟随输入电压的波形，这样就实现了功率因数校正的功能。由于所有必要的信息都是从电感器中的电流峰值和电压输出那里得到的，因此不需要感测输入电压。

电磁干扰噪音(EMI)的特性一般与功率级的结构有关。对于常规的PFC，输出的地总是通过桥式整流器与输入电网相连，引起共模噪音的唯一寄生电容是MOSFET晶体管的漏极与地之间的寄生电容。对于不使用桥式整流的PFC电路，其输出相对于作为输入的交流电网来讲是浮动的，这样就有几个寄生参数会引起MOSFET晶体管漏极和地之间的共模噪音，以及地与输出端之间的共模噪音。在这种情况下，共模噪音比常规PFC电路的共模噪音更加严重。为了解决这个问题，可以在不使用桥式整流的电路中增加两只电容器，在输入交流电网与输出电压的地之间形成一个高频通路。

OCC方案的测试

根据上面的分析，在不使用桥式整流的PFC电路中采用OCC方法进行控制，可以将电路简化，同时提高效率。本文使用一个500 W、开关频率为100 kHz输入的电网电压为通用的PFC电路，来测试不使用桥式整流OCC设计的性能。这个电路使用国际整流器公司的IR1150S集成OCC 控制器，该器件具备完善的保护功能。IR1150S的开关频率可以编程，有电压过载保护、软启动、逐周电流限流和欠压保护等功能。它采用8引脚SOIC封装，保留了不使用桥式整流的PFC电路节省空间的优点，同时又实现了OCC控制。在样机中使用了600V、22A、具有超级半导体结的MOSFET晶体管和600V、4A的SiC二极管，为了进行比较，还用相同的骷隽艘桓龀９娴?SPAN lang=EN-US>PFC电路。

对不使用桥式整流的蔖FC电路的输入电压波形和输入电流波形进行了测量，结果表明，输入电流和输入电压的波形彼此之间十分接近。这说明，OCC成功实现了PFC的功能。

在比较上述两种电路时，关键的一项是效率。在不使用桥式整流的PFC电路中，使用1个MOSFET的体内二极管来代替常规电路中2个速度慢的二极管，这两者的导通损耗之间的差别决定了效率的改善程度。理论计算表明，在满载功率的情况下，不使用桥式整流的PFC电路的效率应有大约1 %的提高。

对这两种电路的效率实际地进行了比较，结果与理论计算非常吻合：在输入电网电压为90 V、功率满载时，效率提高了大约1 %，如图3所示。在功率较低(低于200 W)时，效率改善更为明显。

在输出功率最大以及输入电网电压取不同值时，这两种PFC电路的功率因数校正的特性是非常相似的。电磁干扰方面的性能在低频范围也是相似的，在高频时，无桥式整流的PFC电路的噪音略高一些，但在可控制的电平之内。

结语

设计人员将会继续朝着无桥式整流的PFC方向发展，以进一步提高效率。然而，去掉了输入整流器的导通损耗以及简化电路的设计，造成的代价是：输入电压和输入电流的感测较为复杂，而且，输出浮动会导致电磁干扰增大。将无桥式整流的电路与OCC控制方法结合起来，工程师就可以用无桥式整流的方法提高效率、简化设计，并且不需要使用复杂的电流和电压感测电路。同时电磁干扰问题也可以用一种改进版本的电路来克服。