電子行業(yè)--不使用橋路的升壓PFC(PDF 23頁)(1).pdf

1 不使用橋路的升壓不使用橋路的升壓PFC： 單周控制的突破 ： 單周控制的突破 作者：Stephen Oliver，負(fù)責(zé)AC- DC的市場經(jīng)理 國際整流器公司，El Segundo, USA. soliver1 在深圳的講演人：Israel Serrano，應(yīng)用工程師 國際整流器公司，新加坡， iserran1 在上海的講演人： Peter Chen，現(xiàn)場應(yīng)用工程師 國際整流器公司，中國深圳， pchen2 來自 中國最大的資料庫下載 2 摘要摘要 用于功率因數(shù)校正(PFC) 的“無橋路升壓” (BLB)電路是在 1983年提出來的，用于 AC- DC開關(guān)型電源和馬達(dá)驅(qū)動(dòng)。 不過，要在效率和功率密度方面作出應(yīng)有的改進(jìn)，是非常困難的，這是因?yàn)榭刂?技術(shù)十分復(fù)雜 用老式的“乘法器”實(shí)現(xiàn)的控制集成電路，為了得到很好的功率因數(shù)，需要檢測電壓 和檢測電流的電路，價(jià)錢很高。 這表示，無橋路升壓太復(fù)雜，也太貴，不能在實(shí)際生產(chǎn)中使用。 現(xiàn)在，出現(xiàn)了新的“單周控制” (OCC)技術(shù)，它工作在“峰值電流連續(xù)導(dǎo)通模式”，電 壓和電流的檢測變得非常簡單，可以把無橋路升壓用于生產(chǎn)，從而提高效率和功 率密度。 扼要地介紹無橋路升壓的歷史，并且對使用“乘法器”的老式控制與單周控制進(jìn)行了 比較。 介紹用模型得到的效率、功率因數(shù)數(shù)據(jù)和電磁干擾的和實(shí)際測試的數(shù)據(jù)。 來自 中國最大的資料庫下載 3 普通的普通的 PFC 普通的升壓普通的升壓 PFC與 無橋路升壓 與 無橋路升壓 PFC的對比的對比 不使用橋路的不使用橋路的 PFC 低速二極管低速二極管高速二極管高速二極管MOSFET導(dǎo)通路徑 通 導(dǎo)通路徑 通/（斷）（斷） 普通的PFC2個(gè)低速二極管、個(gè)低速二極管、1個(gè)個(gè)MOSFET/ （2個(gè)低速二極管、個(gè)低速二極管、1個(gè)高速二極管）個(gè)高速二極管） 無橋路無橋路PFC1個(gè)體內(nèi)二極管、個(gè)體內(nèi)二極管、1個(gè)個(gè)MOSFET/ （1個(gè)個(gè)MOSFET體內(nèi)二極管、體內(nèi)二極管、1個(gè)二極管）個(gè)二極管） 來自 中國最大的資料庫下載 4 050010001500 0 10 20 30 40 Output Power (W) Conduction Loss (W) Conventional PFC Bridgeless PFC 無橋路升壓無橋路升壓PFC： 關(guān)于效率的模型 ： 關(guān)于效率的模型 在1kW的系統(tǒng)中 節(jié)電10W 低速二極管低速二極管高速二極管高速二極管MOSFET導(dǎo)通路徑 通 導(dǎo)通路徑 通/（斷）（斷） 普通的PFC2個(gè)低速二極管、個(gè)低速二極管、1個(gè)個(gè)MOSFET/ （2個(gè)低速二極管、個(gè)低速二極管、1個(gè)高速二極管）個(gè)高速二極管） 無橋路無橋路PFC1個(gè)體內(nèi)二極管、個(gè)體內(nèi)二極管、1個(gè)個(gè)MOSFET/ （1個(gè)個(gè)MOSFET體內(nèi)二極管、體內(nèi)二極管、1個(gè)二極管）個(gè)二極管） 來自 中國最大的資料庫下載 5 無橋路升壓：性能優(yōu)良，但是無橋路升壓：性能優(yōu)良，但是. 用無橋路升壓 (BLB) 可以得到優(yōu)良的性能 效率較高 (%) 功率密度較高 (瓦/英寸3) 在行業(yè)中為何不是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的電路 ? 元件 ? 控制 ? 電磁干擾? 讓我們從BLB的簡短歷史開始講罷 來自 中國最大的資料庫下載 6 無橋路升壓無橋路升壓 (BLB)方案的簡短歷史： 元件 方案的簡短歷史： 元件 美國專利 US 4,412,277，Daniel M. Mitchell，羅克威爾公司， 1983 在1983年用的元件： 開關(guān) 雙極晶體管或者第一個(gè) HEXFET功率 MOSFET晶體管 二極管 “標(biāo)準(zhǔn)的”恢復(fù)二極管 在2005年用的元件： 開關(guān) SuperJunctionMOSFET 晶體管 二極管 超快速恢復(fù)二極管或者SiC肖特基二極管 由于元件方面的改進(jìn)，可以實(shí)現(xiàn)更好的性能 來自 中國最大的資料庫下載 7 無橋路升壓無橋路升壓 : 原先提出的辦法原先提出的辦法 （羅克威爾，（羅克威爾，19831） 專利號(hào)： US 4,412,277 檢測電流 檢測電壓 乘法器 BLB 控制系統(tǒng)非常復(fù)雜，MOSFET/超快速二極管還剛開始出現(xiàn) 仍然是“大學(xué)里”進(jìn)行的項(xiàng)目 來自 中國最大的資料庫下載 8 無橋路升壓無橋路升壓 :后來的工作后來的工作 (ST L4981, 20022) 檢測電壓 用SO20封裝的乘法器 BLB 檢測電流 有了新的功率元件，但是控制電磁干擾的問題仍然非常復(fù)雜 未被產(chǎn)業(yè)界所采用 來自 中國最大的資料庫下載 9 無橋路升壓無橋路升壓 :后來的工作后來的工作 (Tyco,模擬模擬 , 20053) BLB 乘法器 檢測電壓 檢測電流 基本上一樣，仍然使用復(fù)雜的電壓 與電流測量系統(tǒng)和基于乘法器的控 制器 來自 中國最大的資料庫下載 10 無橋路升壓控制無橋路升壓控制 需要檢測交流電網(wǎng)電壓 需要檢測交流電網(wǎng)電壓 BLB的問題是，很難測量交流電網(wǎng)的電壓 用平均值的方式進(jìn)行控制 檢測電流是問題 需要一個(gè)新的辦法來控制功率因數(shù)： 單周控制 (OCC) 來自 中國最大的資料庫下載 11 何謂單周控制何謂單周控制? 5,6 ( 讓我們從標(biāo)準(zhǔn)升壓讓我們從標(biāo)準(zhǔn)升壓PFC開始講開始講 ) 占空比的大小是按需要 不需要檢測輸入電壓 只需要檢測峰值電流 Vm Vm- Iin*Rs Vm*t/Ts v Ts 2 0 spkmm RIVDV= ()DVRI mspk =1 ()DVV oin =1 Clock generator Q Q SET CLR S R + - + - Vm I*Rs OCC控制器控制器 Vm- I*Rs 來自 中國最大的資料庫下載 12 傳統(tǒng)的傳統(tǒng)的 乘法器乘法器 CCM： 標(biāo)準(zhǔn)的升壓 ： 標(biāo)準(zhǔn)的升壓 PFC4 乘法器乘法器: 控制復(fù)雜控制復(fù)雜 元件很多元件很多 需要檢測交流電網(wǎng)電壓需要檢測交流電網(wǎng)電壓 設(shè)計(jì)時(shí)間長設(shè)計(jì)時(shí)間長 印刷電路板尺寸大印刷電路板尺寸大 Vin VoIin DRIVER + - CLOCK Q/ QR S Rs Vm Vref - + Voltage Loop Error Amp Comparator Zf + - Multiplier CBA Fixed Ramp Generator Vo=AB/C Zf Current Error Amp Vin VoIin DRIVER + - CLOCK Q/ QR S Rs Vm Vref - + Voltage Loop Error Amp Comparator Zf + - Multiplier CBA Vin VoIin DRIVER + - CLOCK Q/ QR S Rs Vm Vref - + Voltage Loop Error Amp Comparator Zf + - Multiplier CBA Fixed Ramp Generator Vo=AB/C Zf Current Error Amp 用乘法器的用乘法器的PFC子板子板 - 20 腳的連接器腳的連接器 來自 中國最大的資料庫下載 13 單周控制單周控制 (OCC)： 標(biāo)準(zhǔn)的升壓 ： 標(biāo)準(zhǔn)的升壓 PFC7 OCC: 包含復(fù)位功能的積分器 設(shè)計(jì)簡單設(shè)計(jì)簡單 元件減少元件減少40%* 印刷電路板的面積減少印刷電路板的面積減少50% * 不需要檢測交流電網(wǎng)不需要檢測交流電網(wǎng) 只需要一個(gè)電流互感器只需要一個(gè)電流互感器 (控制峰值電流控制峰值電流) 與與UC3854相比，節(jié)省相比，節(jié)省1美元美元* Vin VoIin Rs Vin VoIin Rs Vin VoIin Vref - + Voltage Loop Error Amp Integrator with Reset Comparator Zf + - CLOCK Q/ QR S - + Vm + - CLOCK Q/ QR S Rs DRIVER IR1150: - 300W 演示板演示板 - 1 ” x 1”子板子板 -設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)軟件 來自 中國最大的資料庫下載 14 無橋路單周控制（無橋路單周控制（OCC）PFC: IR1150, 20058 不需要檢測輸入電壓 電流互感器 T1, T2 的信號(hào)加起來形成完整的開關(guān)電流信息 容易實(shí)現(xiàn) 產(chǎn)業(yè)界可以采用 T1T2 Clock generator + - + - R SQ Q1 V(S) T2T1 VREF 檢測電壓 具有復(fù)位功能 的積分器 BLB 檢測電流 全部控制功能都在標(biāo)準(zhǔn)的SO8封裝中 來自 中國最大的資料庫下載 15 無橋路升壓無橋路升壓 :電磁干擾電磁干擾 ? 共模噪音的來源共模噪音的來源 AC Cd1 Cd2 CpCn 所有電壓的波動(dòng)都是相對于地而言 預(yù)計(jì)有大的共模電流9 好的設(shè)計(jì)可以抵消掉一部分共模電流 A B C D 49.20000ms49.20500ms49.21000ms49.21500ms49.22000ms49.22500ms49.23000ms49.19546ms49.23636ms V(d1) - V(earth)V(d2) - V(earth) 0V 200V - 122V 338V Vd2 Vd1 V(n)- V(earth)V(p)- V(earth) - 400V 0V 400V 800V SEL Vp Vn VA VB VC VD 來自 中國最大的資料庫下載 16 AC AC 對電磁干擾性能的評(píng)估對電磁干擾性能的評(píng)估 只有 Cd會(huì)引起共模噪音 所有寄生電容都會(huì)引起共模噪音 Cd Cs1Cs2 Cd1Cd2 Cs1Cs2 普通普通 PFC 無橋路的無橋路的 PFC 來自 中國最大的資料庫下載 17 降低電磁干擾噪音的技術(shù)降低電磁干擾噪音的技術(shù) C1C2 S1 D1D2 S2 L1 L2 用電容器來穩(wěn)定電壓 電磁干擾方面的性能與普通PFC相似 來自 中國最大的資料庫下載 18 實(shí)驗(yàn)結(jié)果： 輸入電壓與輸入電流 實(shí)驗(yàn)結(jié)果： 輸入電壓與輸入電流 用具有單周控制（ OCC）的無橋路PFC實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正 輸入電壓輸入電壓 輸入電流輸入電流 來自 中國最大的資料庫下載 19 實(shí)驗(yàn)結(jié)果：效率實(shí)驗(yàn)結(jié)果：效率 效率提高了1%，證明理論分析是正確的 0.92 0.93 0.94 0.95 0.96 0100200300400500 普通普通PFC 無橋路無橋路 PFC 輸出功率輸出功率 (W) 效率 來自 中國最大的資料庫下載 20 實(shí)驗(yàn)結(jié)果：功率因數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果：功率因數(shù) 0.96 0.97 0.98 0.99 1 90 V140 V190 V240 V 無橋路無橋路 PFC 普通普通PFC (UC3854) 輸入電壓輸入電壓 (V) 功率因數(shù) 來自 中國最大的資料庫下載 21 實(shí)驗(yàn)結(jié)果： 電磁干擾性能 實(shí)驗(yàn)結(jié)果： 電磁干擾性能 普通的普通的PFC 試驗(yàn)板試驗(yàn)板 簡單的 BLB EMI噪音電平遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過標(biāo)準(zhǔn) (雖然使用了濾波器) 原先的無橋路原先的無橋路 PFC技術(shù)技術(shù) 改進(jìn)后普通的改進(jìn)后普通的PFC 試驗(yàn)板 的無橋路 試驗(yàn)板 的無橋路 PFC技術(shù)技術(shù) 新的BLB電路大幅度降低了電磁干擾 預(yù)計(jì)會(huì)進(jìn)一步改善 電路板樣機(jī)沒有屏蔽/未針對電磁干擾進(jìn)行優(yōu)化 預(yù)計(jì)會(huì)進(jìn)一步改善 來自 中國最大的資料庫下載 22 無橋路升壓小結(jié)無橋路升壓小結(jié) 在普通的升壓PFC電路中，導(dǎo)通損耗大，在交流輸入電壓低時(shí)，降低 效率 用簡單的結(jié)構(gòu)，無橋路PFC可以降低PFC電路的導(dǎo)通損耗 單周控制簡化了無橋路PFC控制的設(shè)計(jì) 用這理提出的辦法可以降低無橋路PFC的電磁干擾噪音 謝謝 來自 中國最大的資料庫下載 23 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn) 1.Patent No. US 4,412,277, “AC- DC Converter Having An Improved Power Factor”, Daniel M. Mitchell, Rockwell Corp. 1983 2.ST L4981 Application Note, 2002 3.“2nd Generation of PFC Solutions”; Michael Frisch, TemesiErn , Yu JinghuiTyco Electronics / Power Systems; power.switches 4.TI (Unitrode) UC3817 / UC3854 application notes 5.Patent No. US 5,278,490; “One- Cycle Controlled Switching Circuit”, KeyueM. Smedley, 1994 6.“A Family of Continuous- Conduction- Mode Power- Factor- Correction Controllers Based on the General Pulse- Width Modulator”; ZherenLai Ron Brown Bing Lu (CPES), Ron Brown, MarcoSoldano(International Rectifier), APEC 2005