传统PFC和无桥PFC对比分析

百科   2024-12-11 11:38   广东  
根据标准,高于75W的AC/DC电源一定要增加PFC电路,以便让电流波形跟随正弦电压波形,让电网看到的负载就像电阻一样,获得较好的PF和THD。图1是传统有桥 boost PFC电路,控制上相对简单,但是其电流路径需要经过两个整流桥二极管,因此效率相对较低,无法适用于大功率电源的需求,常见的控制芯片为L6562。
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图1-传统有桥 boost PFC电路
为了解决有桥PFC的导通损耗大的问题,演变出了各种无桥PFC结构,应用比较广泛的是双Boost无桥PFC。如图2所示,减小了整流桥造成的导通损耗,其主开关的S极接母线地,驱动相对较容易。但因为增加了交流电压的续流管DN1和DN2,所以其相应的共模干扰特性会比较好,但是这无疑会增加电流路径上的器件,从而降低效率和增加复杂性。
图2-双Boost无桥PFC
图腾柱PFC是器件更少的,如图3所示,在电流路径上只有2个半功率导体器件,其损耗必然会更小,理论上,其效率必然会更高,实际取决于功率半导体器件的发展。
图3-图腾柱PFC
在图4中,假设S1和S2都是普通的Si mosfet的情况下,让图腾柱PFC系统运行在CCM硬开关模式下,在AC正半周期,电感电流一直为正,S1和S2以互补模式运行,为了避免直通,二者之间留有死区。当续流管S1关断、开关管S2开通之前,电感电流通路是续流管S1的体二极管,当结束死区,开关管S2开通时,续流管S1两端的电压需要立即由接近0V变到Vo,从而体二极管由导通状态变到阻断状态。
而传统的硅mosfet的体二极管反向恢复特性是非常差的,所以在这个过程中必然会导致比较大的反向恢复损耗,同时S1会产生较大的关断振荡电压。当AC电压为负时的情况类似,S2会产生较大的震荡电压及反向恢复损耗。为了解决CCM硬开关模式下震荡电压和反向恢复损耗问题,传统的图腾柱PFC多运行于CRM模式,因此限制了功率应用范围。
图4-AC正半周过程涉及的反向恢复
随着宽禁带器件的发展,如氮化镓GaN、SiC碳化硅的出现,对于同样的系统,若用GaN或者SiC替换图腾柱PFC中原有的mosfet组成的S1和S2快管,由于宽禁带器件本身开关损耗较小,且体二极管具有接近于0的反向恢复电荷Qrr,则可以使他们很好的运行于CCM硬开关模式下,且处于较高的频率,使得其应用范围得到了较大的发展,如安森美的模拟控制器NCP1680/1、SiC MOS以及对应的驱动器。
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传统有桥 boost PFC
双Boost无桥PFC
图腾柱PFC
优点
控制上相对简单
驱动相对容易、共模干扰特性会比较好、效率相对高
效率更高、工作在更高频
缺点
效率相对较低,小功率应用
控制相对复杂
控制复杂

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