双相PFC电路的工作原理

描述

MOS管

图1 双相PFC主电路拓扑及单个单元单开关周期工作电流波形

该拓扑控制方式的PFC电路,有桥堆整流,为后边的Boost电路提供直流输入,TM的控制方式使高频开关MOS管可以实现VS或者ZVS,续流二极管可以自然关断,也不存在反向恢复损耗,可以降低电路工作的开关损耗。有桥TM PFC主功率电路中没有高频全控开关管组成的桥臂,也不需要做AC极性判断,与TCM控制方式的图腾柱PFC拓扑相比,控制难度大大降低了;而对比CCM控制,又可以获得较高的电能转化效率。

主功率电路拓扑为整流桥+两路交错并联的Boost电路。考虑到器件损耗,整流桥由三个桥堆并联。

后续是两个并联的Boost电路,工作于交错方式,每一路有一个高频工作的MOS和一个超快恢复二极管组成。MOS的VS/ZVS开通判断依靠的是Vds采样,

图2是工作状态图:蓝色线表示电流,箭头代表电流方向,顺时针为正电流。工作状态对应的是VS的情况,也就是说谐振的振幅不足以使Vds在谐振开始后的某一时刻下降到0。

MOS管

图2 VS工作状态图

t0~t1,即ton期间,MOS管Q开通,续流二极管D截至,电感电流线性上升,电感储能;

t1~t2,即toff期间,MOS管关断,续流二极管导通,电感储存的能量通过二极管向电容和负载释放,电感电流线性下降;t2时刻是可以开通MOS的,但是电流下降到零之后,MOS管和二极管的寄生电容会和Boost电感发生谐振,电流反向期间,MOS管漏极电压持续降低,如果适当延迟关断,可以获得较低的关断电压,这也是CRM工作的优势。

t2~t3,tr期间,MOS管关断,续流二极管电流下降到0,MOS管Coss、二极管寄生电容Cdp以及母线电容开始和电感L谐振,谐振负电流电流第一次回到0的时刻t3对应Vds的谷底。选择在这个时刻打开MOS,开始下一个开关周期。

而在输入电压较低的情况下,这种电路结构是可以实现ZVS的。图3展示的是出现ZVS时的工作波形和工作状态,这时,负电流阶段又可以细分成两部分:

tr1期间,状态和VS工作的谐振状态一样,考虑到Ir(负电流峰值)出现在Vds谐振中心,所以Vds下降到0之前,一定可以达到最大负电流;

tr2期间,Vd电压下降到0,这时开始受到MOS寄生二极管的钳位,这一点的电压不可能在继续下降了,电感上的压差不再增加,电感电流会维持当前的斜率线性变化,电感电流第一次回到0,开通MOS,这时就是零电压开通的。

MOS管

图3 ZVS工作状态图

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