今天介绍的是BuckPFC和一款改动电感位置的BoostPFC电路。对每款电路的介绍,都先是拓扑结构,而后工作模态分析,最后仿真。
目录
1、buck电路的拓扑结构
buck-PFC电路的拓扑结构如下图:
电路中,输入电源为交流电Vac,由二极管D1-D4构成不可控整流桥,由MOS管Q1、二极管D6、电感L1构成了buck电路。本电路想用于LED驱动电路中。因此负载使用两个LED进行模拟。控制策略中,被控对象的参数是输出电压。而LED需要串联电阻,才可以和恒压源连接。
1.1 工作模态
Buck电路有以下几种工作模态。
工作模态1:MOS管Q1导通 |
工作模态2:续流阶段 |
工作模态3:电感释放完毕,由电容C1维持负载电压 |
1.2 仿真
电源也是110V有效值、60Hz的交流电。整流桥中的二极管默认导通压降为0.8V。电感L1取值470uH。电容C1取值4.7uF。这里的电容C1不能取值太大。否则,输入电流的波形形状会变差,即波形偏离60Hz正弦波。这意味着谐波增加。
负载是二极管D6、D7、D8,和一个电阻。二极管D6、D7、D8导通压降设置为12V,负载电阻的阻值为10R。
电流内环的PI控制器,Kp=1,Ki=1,控制器输出限制要-1到1之间。
电压外环的PI控制器,Kp=20,Ki=5,控制器输出限制要-1到1之间。
输入电压和输入电流波形:
输入电流波形,其实放大后看得到是断断续续的。
输出电压和输出电流:
2、改动电感位置的boost PFC电路
今天搜索到Infineon的1.6KW服务器电源,得知电源由前级BoostPFC和后级的LLC构成。电源输出为12V。输出电流可达100A。这是官网链接。这是爱板网的评测网站。
常规的boost电路中,在电感储能阶段,负载消耗的能量全部由电容C1发出。而在重载时,电容C1并不足以抵消负载消耗。
因此,较大电流的应用场合中,会在上图中的电感L1+二极管D5两端并联一个二极管,当开关管Q1导通时,由整流桥和D6作为电源到负载之间的供电通道。
观察Infineon提供的资料,PFC部分应用电路为以下拓扑:
拓扑结构中,同样的二极管D1-D4为整流桥。实际应用中,采用了4个引脚的整流桥IC,而不使用4个分立二极管,优点是容易布线。而和传统的拓扑不同的地方是,电感经过双向可控开关Q1+Q2(在这里采用了两个NMOS串联),直接和交流电相连接。同时交流电在开关管Q1+Q2的任何工作情况下,都可以为负载提供整流电。
2.1 工作模态
下面工作模态图中,红色线代表有电流的线路,红色箭头代表电流方向。
工作模态1:AC电流正半周,电感L1无能量 |
工作模态2:AC电流正半周,Q1+Q2导通,电感L1储能 |
工作模态3:AC电流正半周,Q1+Q2关断,电感L1释放能量 |
工作模态4:AC电流负半周,电感L1无能量 |
工作模态5:AC电流负半周,Q1+Q2导通,电感L1储能 |
工作模态6:AC电流负半周,Q1+Q2关断,电感L1释放能量 |
2.2 仿真
参数:交流电源为60Hz的110V有效值的交流电,二极管默认导通压降为0.8V。电感L1为470uH,电容C1为470uF。负载R1是100欧姆。
控制回路:
PID控制器参数:电压外环的Kp=1,Ki=0.6,Kd=0。PID控制器输出限制为-1到1之间。
电流内环的参数Kp=500,Ki=10,Kd=0。PID控制器输出限制为-1到1之间。
输入电流对输入电压的跟踪效果:
整流桥的输出电压和输出电流:
负载两端的电压和负载电流:
小结:这款BoostPFC电路,比传统的BoostPFC电路,差别在于电感的摆放位置。传统的拓扑中,电感放置于直流侧,电感磁芯一直工作在直流,容易饱和。磁芯利用率较低。而在本拓扑中,电感放置在交流侧,每一个工频周期都进行了电流换向。电流换向能对磁芯进行消磁。能提高磁芯利用的效率。缺点是所串联的开关管的驱动电路需要单独的隔离电源供电。