一種基于精密整流電路的新型電流檢測研究

 　　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。