数字控制提高无桥接PFC拓扑结构性能

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1、数字控制提高无桥接PFC拓扑结构性能由于效率要求的不断增长，许多电源制造厂商开始将注意力转向无桥功率因数校正（PFC）拓扑结构。一般而言，无桥接PFC可以通过减少线路电流通路中的半导体组件数目来降低传导损耗。尽管无桥接PFC的概念已经提出了许多年，但因其实施的难度和控制的复杂程度，阻碍了其成为一种主流。一些专为电源而设计的低成本、高性能数字控制器上市以后，越来越多的电源公司开始为PFC设计选择使用这些新型数字控制器。相比传统的模拟控制器，数字控制器拥有许多优势，例如：可编程配置、非线性控制、低组件数目，以及最为重要的复

2、杂功能实施能力（模拟方法通常较难实现）。大多数现今的数字电源控制器，例如：TI的融合数字电源（FusionDigitalPower™）控制器UCD30xx等都有许多集成电源控制外设和一个电源管理内核，例如：数字环路补偿器、快速模数转换器（ADC）、内置停滞时间的高分辨率数字脉宽调制器（DPWM）、低功耗微控制器等。它们是如无桥接PFC等复杂高性能电源设计的较好选择。数字控制无桥接PFC在其他一些无桥接PFC拓扑结构中［1］［2］，图1是一个已经为业界所广泛采用的无桥接PFC实例。它具有两个DC/DC升压电路［3］［4］

3、，一个由L1、D1和S1组成，而另一个则由L2、D2和S2组成。D3和D4为慢速恢复二极管。通过参考内部电源接地单独检测线压和中性点电压，测量得到输入AC电压。通过对比检测线压信号和中性点信号，固件便知道其为一个正半周期，还是一个负半周期。在一个正半周期期间，第一个DC/DC升压电路即L1-S1-D1有效，同时升压电流回到二极管D4的AC中性点。在一个负半周期期间，第二个DC/DC升压电路即L2-S2-D2有效，同时升压电流回到二极管D3的AC线。像UCD3020这样的数字控制器用于控制这种无桥接PFC。图1数字控制无

4、桥接PFC无桥接PFC基本都由两个相升压电路组成，但在任何时候都只有一个相有效。对比使用相同功率器件的传统单相PFC，无桥接PFC和单相PFC的开关损耗应该是一样的。但是，无桥接PFC电流在任何时候都只通过一个慢速二极管（正半周期为D4，负半周期为D3），而非两个。因此，效率提高的多少取决于一个二极管和两个二极管之间的传导损耗差异。另外，通过完全开启关闭的开关可以进一步提高无桥接PFC效率。例如，在一个正周期期间，S1通过PWM信号控制，而S2则可以完全开启。当流动的电流低于某个值时，MOSFETS2的压降可能会低于二

5、极管D4，因此返回电流部分或者全部流经L1-D1-RL-S2-L2，然后返回AC源。传导损耗可以降低，电路效率也可以得到提高，特别是在轻负载的情况下。同样，在一个负周期期间，S2开关时，S1被完全开启。图2显示了S1和S2的控制波形。图2无桥接PFC的PWM波形自适应总线电压和开关频率控制传统上，效率指的是满负载状态下高线压和低线压的效率。现在，如计算服务器和远距离通信电源等大多数应用，除满负载状态效率以外，还要求10%-50%负载范围状态的效率也必须满足标准规范。大多数AC/DC应用中，系统有PFC和下游DC/DC级

6、，因此我们根据整个系统来测量效率。若想提高轻负载状态下的总系统效率，一种方法是降低PFC输出电压和开关频率。这要求了解负载信息，而这项工作通常是通过使用一些额外电路测量输出电流来实现的。但是，利用数字控制器，便不再需要这些额外电路。输入AC电压和DC输出电压相同时，输出电流与电压环路输出成正比。因此，如果我们知道电压环路的输出，我们便可以相应地调节频率和输出电压。使用数字控制器以后，电压环路通过固件来实现，其输出已知，所以实现这种特性便十分容易，并且成本比使用模拟方法要低得多。通过变流器实现电流检测无桥接PFC的难题之

7、一是如何检测整流后的AC电流。如前所述，AC返回电流（部分或者全部）可能会流经处于非活动状态的开关，而非慢速二极管D3/D4。因此，在接地通路中使用一个分路器来检测电流（通常在传统PFC中使用），已不再适用。取而代之的是，使用一个变流器（CT），每相一个（图1）。这两个变流器的输出被整流，然后组合在一起，产生电流反馈信号。由于在任何时候都只有一个变流器整流输出信号，即使在其组合时也是如此，因此任何时候都只有一个反馈电流信号。图3连续导通模式的检测电流波形图4非连续导通模式的检测电流波形如图3-4所示，由于变流器放置在开

8、关的右上方，因此其只检测开关电流（只是电感电流的上升部分）。数字控制实施时，在时间Ta的PWM中间测量该开关电流信号。它是一个瞬时值，在图3-4中以Isense表示。仅当该电流为连续电流时，测得开关电流Isense才等于平均PFC电感电流（请参见图3）。该电流变为如图4所示非连续电流时，Isense不再等于平均PFC电感电流。为了