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关于图腾柱PFC 你需要了解这些方面

关于图腾柱PFC 你需要了解这些方面

在电源研发领域,PFC拓扑的设计在最近几年中越发重要,这一关键因素直接关系到电力转换系统的效率的高低。为了进一步提升电源的工作效率,科研人员和工程师们已经研究了多种不同的PFC拓扑,我们所熟悉的传统PFC、半无桥式PFC、双向无桥PFC等拓扑结构也已经大范围的应用在设计过程中。

作为一种新的PFC形式,图腾柱PFC凭借着自身的独特优势,已经开始崭露头角。在设计研发过程中,图腾柱PFC所使用的组件数量是目前已知的PFC拓扑中最少的,同时还具有最低传导损耗、最高效率等优点,图腾柱PFC引起了人们越来越多的关注。

图腾柱PFC基础结构


图1 图腾柱PFC基础结构

上图中,图1所显示的是一个标准的图腾柱PFC的基础结构。从图1所提供的这一电路结构中我们可以很明显的看到,与传统的PFC相比,这一PFC结构中的电力传导路径只包含一个二极管,而不是两个。此外,碳化硅(SiC)二极管被MOSFET所取代,这一设计能够实现同步整流,而电力传导损耗也因此降低。除此之外,可用普通MOSFET取代D1和D2,以进一步提高效率。

那么,图腾柱PFC的概念早已经被人们所提出,这一技术也得到了普遍的关注,可为什么这一PFC拓扑形式在最近几年才开始悄然成为研究室中的重点领域呢?答案很简单,技术方面的应用挑战妨碍了它的广泛使用。作为制约图腾柱PFC拓扑研究的第一大阻力,MOSFET体二极管的慢反向恢复问题一直以来得不到解决,这也使得图腾柱PFC无法在连续传导模式(CCM)中运行。其次,图腾柱PFC拓扑中有一个固有问题,即输入电流在AC零交叉上有一个巨大尖峰。这些尖峰破坏了电流波形,并且使总谐波失真(THD)无法达到技术规格的要求。第三,Q3和Q4在每半个AC周期内的PFC激活开关与同步整流开关之间交替切换。这个交替切换需要控制器能够根据正或负的AC周期提供一个具有D(占空比)或1-D的脉宽调制(PWM)波形。

好在电源技术的发展最近有了明显的加快,借助UCD3138等现代数字控制器,更加高级的控制算法被开发出来,其中的开关以特殊的顺序打开,并且每个开关执行一个软启动机制。因此电流尖峰被大大地减少,为图腾柱PFC的普及提供了有利条件。此外,数字PWM输出是很灵活的,可以根据运行条件生成D或1-D。同时,随着氮化镓(GaN)FET的问世,这种二极管的结构也使得CCM图腾柱PFC成为可能。

CCM图腾柱PFC的电流波形


图2 CCM图腾柱PFC的电流波形

在具备了实现的条件后,可以预见,图腾柱PFC取代传统的PFC拓扑形式是一个电源发展过程中的必然事件。这种全新的PFC拓扑形式,能够提供更高的效率,并将传导损耗降至最低。上图中,图2显示的由UCD3138控制的CCM图腾柱PFC的电流波形,可以看出其波形是多么的平滑,与传统PFC之间的高下对比立现。

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