抛砖引玉 浅析CCM PFC BOOST电路设计

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简介:本文从最常用的PFC拓扑的角度来探讨电源设计的方法,希望电源设计尽可能变得透明,科学和合理,最大限度的提高产品开发效率,降低系统设计风险。

相信很多工程师在设计时都有这样的困惑:电路拓扑的原理我都有所了解,但是如何能够根据客户的需求设计出好的产品呢?大多数时候我们都是在抄袭和模仿,或者根据IC厂家的典型设计进行简单的更改,我们会设计简单的变压器,电感,会根据经验选择电阻,电容,二极管,MOSFET等器件,我们往往是知其然不知其所以然。

首先,我们要考虑的是,客户的需求是什么?产品的功率等级是多少?输入范围和输出范围是什么?还要满足哪些标准?体积,成本(价格),效率,开发周期等也都要考虑进来。因此在进行设计时,要根据实际需要进行选择。

对于中小功率(200W以下)如果想要同时考虑到多个方面(如成本,体积等),可以选择DCM BOOST PFC电路。它可以实现MOSFET零电流开通,无需任何辅助电路即可实现软开通,二极管零电流关断,用普通的Ultra-fastrecovery二极管即可基本消除反向恢复问题,由于每一个开关周期中,电感电流都会从零开始,再归于零,没有直流偏置问题,可以用铁氧体磁芯代替昂贵的铁硅铝等粉芯类磁环,降低成本,缩小体积,提高效率,同时IC厂家的解决方案丰富,开发周期短。

当考虑到200W-400W中小功率等级电路设计时,BCM BOOST PFC电路则更为合适。它的临界导通模式,既有DCM的优点,又可以克服其某些缺点,同时由于是变频控制,EMI的频谱很宽,单个频率点的能量幅值就小得多(在定频控制中,所有的能量都集中在开关频率的基波,二次谐波,三次谐波等谐波频率点上,所以幅值很大),电磁兼容性设计会更容易解决。

当要设计400W-1000W中大功率电路时,我们认为interleaved BCM BOOST PFC电路更为受用。对于400W以上的应用而言,单路BCM/DCM BOOST PFC电路的峰值电流太大,MOSFET的关断损耗会随之增加,电感的最大磁通密度也会增加,在饱和磁通密度和电感损耗之间很难找到折中的平衡,同时由于峰值电流的增大,滤波器的优化设计渐渐变得困难。所以采用两路BCM BOOST PFC交错并联更合适一些,两路纹波对消,输入的总纹波电流大大减小,从而又起到了简化滤波器设计的效果。同时由于每一路电路的功率只有总功率的一半,器件选型和优化设计都较容易实现。实际上,虽然IC厂家和一些专家宣称interleaved BCM BOOST PFC电路最大只能应该用到1000W的功率等级,但是经过精心的设计,最大可拓展到2000W的功率等级,单级效率可以达到98.4%,而成本却低于CCM BOOST PFC电路。

CCM BOOST PFC广泛应用于1kW功率等级以上的应用。这种电路结构简单,相关论文众多,控制策略成熟,解决方案也很多。在CCM BOOST PFC电路的基础上衍生出很多的软开关电路,用以提升效率,但需要指出的是,这些软开关电路都增加了电路的复杂性,使得控制策略变得复杂,降低了产品的可靠性,而实际的效率提升并不明显,所以并不是合适的选择。通过对CCM BOOST PFC电路的优化设计,效率可以提升97%以上,并不需要画蛇添足的增加软开关电路。

三相PFC电路和interleaved CCM BOOST PFC电路两种方案都可以用于3kW功率等级以上的应用。其中三相相位差120°,对于6kW以上功率等级尤为适合,每一相的功率只有总功率的三分之一,优化设计并不难,但缺点是三相的控制策略非常复杂,目前还没有专门的IC解决方案,需要通过DSP软件控制来实现,技术实力一般的公司难以做到。在第二种方案中,交错并联总是能把复杂的问题简单化,当然交错并联不是两个电路的简单并联,而是存在相位差的并联,目的是最大程度的对消两路电路的纹波,简化EMC滤波电路的设计。Interleaved BCM BOOST PFC电路已有成熟的IC解决方案,就设计难度来说要小于三相PFC电路。

另外我们还要注意无桥PFC电路。所谓的无桥PFC就是在任何时刻,整流桥只有一个二极管导通,整流桥的损耗只有其他PFC电路的一半,对于整机效率来说,大约可以提升0.5%的效率。但无桥PFC也有缺点,那就是其每一路电路在正负半波中交替导通,每一路都要承担所有的功率。以3kW的PFC电路设计而论,如果采用无桥PFC电路,那么两个支路的设计都要按照3kW来进行,关键器件数量都要乘2,所占用的空间体积也是两倍。所以bridgeless PFC的优化设计是个难题,很难在性能和成本之间达到一个折中,而且控制策略也较为复杂,还有很多的专利需要避开,对于技术实力一般的公司或工程师而言,选择这个方案将面临巨大的挑战。

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