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                一種基于精密整流電路的新型電流檢測研究

                文章出處:網責任編輯:作者: 人氣:-發表時間:2016-05-24 14:48:00

                   單相PFC中,由于輸入整流橋的存在限制了整個電路效率的提高,為了減小整流橋的損耗,提出了很多新的拓撲,在這些拓撲中,無橋PFC由于其結構、控制簡單而得到廣泛的應用[1][2]。相對于傳統的Boost PFC拓撲,DBPFC由于省略了輸入整流橋,效率可以提高約1%~2%,但是由于電感的特殊位置,使得電流檢測變的困難。本文利用精密整流電路對輸入電流進行檢測,具有簡單可靠的優點。

                  2 DBPFC的工作模式

                圖1 DBPFC拓撲結構

                  圖1為DBPFC拓撲結構,其工作狀態按照輸入電壓的不同可以分成兩個階段。當輸入處于VL>VN的正半周時,L1,L2,S1和D1組成Boost電路,S1開通時流過電感L1,L2的電流增加(方向如圖所示),電感儲能。S1關斷時電流流過D1向負載提供能量,流過電感L1,L2的電流減小。S2在該階段內均流過反向電流處于續流狀態,反向電流流過S2溝道還是它的體二極管要看S2是否有驅動信號。當輸入電壓處于VL

                  由以上分析可知因為DBPFC沒有整流橋,輸入電壓和電感電流的方向都是周期性

                  變化的。這就使得傳統PFC控制所需的輸入電壓、電感電流的檢測較為困難。

                  3 無橋PFC電路的控制方式

                  傳統的連續電流模式PFC控制均需要使用乘法器來實現輸入電流對輸入電壓的跟蹤。這就需要對輸入電壓、電感電流波形的采樣。而對于無橋PFC來說,輸入電壓和電感電流采樣均無法采用傳統的方法。為了避免增加控制的復雜性,采用無須輸入電壓采樣的單周期PFC芯片。

                  而在無橋PFC中電感電流的方向是周期性變化的,這使得電阻采樣輸出是正負變化的信號,不符合單周期控制芯片需要的單極性電流信號,且考慮到大功率應用下采樣電阻的損耗比較大,從而降低了整個電路的效率。圖3是一種利用運放采樣輸入電流的方法,但是由于PFC電路工作在高開關頻率和高輸出電壓下,這種高共模電壓會在輸入電流上疊加一個額外的噪音,這樣輸入電流的PF值就不會太高。另外,這種采樣方式的損耗將比電阻采樣還要高[3]。

                圖3,基于運放的無橋電流檢測電路

                  圖4為文獻[4]中提出的一種較復雜的電流互感器檢測電路來還原電感電流信號。但是由于二極管的導通壓降,使整流后波形的幅值減小,且過零點處波形嚴重失真,這將使PFC電流在過零出嚴重畸變,降低PF值,且采樣電路比較復雜。

                圖4 文獻[4]中提到的電流檢測

                  本文提出將精密整流電路引入DBPFC的控制,消除二極管導通壓降帶來的不利因素。

                  4 精密整流電路的運用

                  精密整流能將微弱的交流電轉換成單向的脈動電,此電路由精密二極管來實現,如圖5

                圖5 精密整流原理圖

                  設圖中運放的增益為A,UD為二極管導通壓降。當二極管導通時,有

                (1)

                  所以可得

                  (2) 式(2)表示與普通二極管整流相比,精密整流將二極管導通壓降UD的影響減小到了

                  ,因此UD的影響可以忽略不計。

                  由以上分析可得,精密整流電路的傳輸特性:

                  當ui>0時,uo1>0,二極管導通,uo≈ui;

                  當ui≤0時,uo1<0,二極管截止,uo=0。

                  試驗中實際采用的精密半波整流電路,如圖6所示。

                圖6 精密半波整流電路

                  其工作原理為:

                  當uif>0時,ua<0,uc<0,D1、D4截止,D2、D3導通。運放A1工作在方向比例放大狀態,有

                ,所以

                  。運放A2工作在深度負反饋狀態,R9上沒有電流流過,因此ud=0。同理,當uif<0時,ua>0,uc>0,D1、D4導通,D2、D3截止。運放A1工作在深度負反饋狀態,R3上沒有電流流過,因此ub=0。運放A2工作在反向比例放大狀態,有

                ,所以

                5 實驗驗證

                  設計研制了一臺基于精密整流電路電流檢測的單周期控制無橋PFC,來驗證理論分析的正確性??刂菩酒荌R1150S,實驗主要參數:輸入交流電壓:115V,最大功率:300W,開關頻率:100KHZ,輸出電壓:380V。開關管選用SPW20N60S5,超快恢二極管D1、D2選用STTA860D,圖7是在輸入90V滿載時候的實驗波形。

                CH1:輸入電壓(100V/格)

                  CH2:輸入電流(5A/格)

                  圖7、輸入電壓和電流波形

                CH1:輸入電壓(200V/格)

                  CH2:檢測電流(5A/格)

                  圖8、輸入電壓和檢測電流波形

                  實驗結果表明輸入電流很好的跟蹤了輸入電壓,波形質量好,PF值高。

                  圖9為PF隨輸出功率變化曲線,可以看出,滿足IEC6000-3-2標準,當輸出額定功率時,其功率因數為0.997。圖10可以看出DBPFC的效率比傳統的Boost PFC高2%,跟理論分析一致。

                圖8、輸出功率----PF曲線

                圖9、傳統Boost PFC與DBPFC效率比較

                  5 結論

                  本文研究了一種基于精密整流電路的無橋Boost PFC,采用新型的單周期控制,其中采樣電路采用新型的精密整流電路,詳細分析了它的工作原理,一臺300W的實驗樣機獲得了良好的輸出電流波形,減小了整機的體積,且取得了較高的PF值。

                 

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