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1、摘要：系统地介绍了目前出现的无桥 Boost PFC 主电路结构，对它们各自导通路径EMI 进行了对比分析。采用两种比较有代表性的无桥拓扑作为主电路结构，控制电路采用单周控制芯片 IR1150，设计了试验样机， 并对两种 PFC 电路的 EMI 进行了测试分析。关键词：功率因数校正（PFC ： Power Factor Correction） 无桥 EMI1 引言目前，功率因数校正一直在朝着效率高结构简单控制容易实现减小 EMI 等方向发展，所以无桥Boost PFC 电路1作为一种提高效率的有效方式越来越受到人们的关注。无桥 Boost PFC 电路省略了传统 Boost PFC 电路的整流
2、桥，在任一时刻都比传统 Boost PFC 电路少导通一个二极管，所以降低了导通损耗，效率得到很大提高，本文就常见的几种无桥 Boost PFC 电路2进行了对比分析，并且对两种比较有代表性的无桥电路进行了实验验证和 EMI 测试分析。2 开关变换器电路的传导 EMI 分析电磁干扰(EMI)可分为传导干扰和辐射干扰两种，当开关变换器电路的谐波电平在高频段(频率范围30 MHz 以上)时，表现为辐射干扰，而当开关变换器电路的谐波电平在低频段(频率范围 0.1530 MHz)表现为传导干扰，所以开关变换器电路中主要是传导干扰。传导干扰电流按照其流动路径可以分为两类：一类是差模干扰电流,另一类是共模
3、干扰电流。以图 1 所示的 Boost 电路为例对开关变换器电路的 EMI 进行分析，该电路整流时产生的脉动电流给电路系统引入了大量的谐波，虽然在整流输出侧有一个电解电容 C 能滤除一些谐波，但是由于电解电容有较大的等效串联电感和等效串联电阻，所以电解电容不可能完全吸收这些谐波电流，有相当一部分谐波电流要与电解电容的等效串联电感和等效串联电阻相互作用，形成差模电流 Idm 返回交流电源侧，差模电流的传播路径如图 1 中带箭头的实线所示。开关管的高频通断产生很高的 dv/dt，它与功率管和散热器之间的寄生电容 Cp 相互作用形成共模电流 Icm，此共模电流通过散热器到达地，地线的共模电流又通过寄
4、生电容 Cg1 和 Cg2 耦合到交流侧的相线和中线，从而形成共模电流回路，共模电流的传播路径如图 1中带箭头的虚线所示。图 1 开关变换器的传导 EMI 传播路径在主电路参数完全相同的情况下，各种常见无桥 Boost PFC 电路中形成的差模电流是相同的。而不同的是因开关管的位置以及二极管加入等原因造成的共模电流。所以本文主要分析的的是各种电路结构中共模干扰的情况，各点的寄生电容大小以各点到输入侧零线之间的电位变化大小和频率变化快慢来代替分析3。3 常见无桥 Boost PFC 电路介绍最基本的无桥 PFC 主电路结构如图 2 所示，由两个快恢复二极管（D1、D2）、两个开关管（S1、S2）
5、电感（L1、L2）等组成。开关管 S1 和 S2 的驱动信号相同，两管同时导通和关断。对于工频交流输入的正负半周期而言，无桥 Boost PFC 电路可以等效为两个电源电压相反的 Boost PFC 电路的组合，一组为由电感 L1 和 L2，开关管 S1，D1 及开关管 S2 的体二极管组成，它的导通模态如图 3a 所示；另一组为由电感 L1 和 L2，开关管 S2，D2 及开关管 S1 的体二极管组成，它的导通模态如图 3b 所示。从图 3 可以看出它在任一时刻只有两个半导体器件导通，比传统带整流桥的 PFC 电路少导通一个二极管，因此降低了导通损耗，效率得到提高。但是它的缺点是电感电流采样
6、困难，由图 3 可知,本电路结构不能在一条回路上得到极性一致的电流采样，所以需要构建复杂的电感电流检测电路4。另外，此电路的最大问题是共模干扰大，对图 2 中的各点与输入零线之间电位进行分析可得出图 4 所示的波形，其中 Vbus 为输出直流母线电压，Vline 为瞬时输入电压。从图 4 中可以看出母线 U-侧A 点B 点与电源的侧之间电位随开关频率而浮动5，所以会在以上各点与输入电源地之间出现大的寄生电容，共模干扰比较严重，EMI问题较为突出。图 2 基本无桥 Boost PFC 电路图 3 导通模态图 4 各点与输入地之间的电压波形因为 EMI 较大等问题，在图 2 的基础上不断提出了新的
7、无桥 Boost PFC 电路结构，它们均在保持导通损耗低效率高的优点的同时在电感电流采样EMI 抑制等方面有了改进。图 5 就是在图 2 基础上提出的新的无桥结构，其中 D1 和 D2 为快恢复二极管。它的导通路径与图2 相似，在任一时刻只有两个半导体器件导通，但它新增加了两个普通二极管 D3 和 D4，在输入电源正半周期，电源 N 侧与母线 U-侧经过二极管 D4 直接连接，在输入电源负半周期，电源 N 侧与母线 U-侧经过二极管 D3 直接连接，改善了图 2 结构中 VU-N 随开关频率有很大波动的情况。图 6 是图 5 的另一种表示方式，其电路结构完全相同。对图 6 中的各点与电源 N
8、 侧之间电位进行分析可得出图 7 所示的波形。其中 Vbus 为输出直流母线电压，Vline 为瞬时输入电压。相比图 4 可以看出只有 A 点与电源 N 侧之间电位随开关频率有波动，因此共模干扰可以大大减小。但它们的缺点是两个开关管的栅极电位不同，所以必须隔离驱动，在驱动电路设计上稍显复杂。而且电感电流采样方面与图 2 一样需要复杂的检测电路。图 5 合成式双向开关型无桥 Boost PFC 电路图 6 双向开关型无桥 Boost PFC 电路图 7 各点与输入地之间电压波形图 8 是在图 2 基础上的一种改进电路6，S1 和 S2 采用不带体二极管的 IGBT，D3 代替 S1 体二极管，D
9、4 代替 S2 体二极管，并且把二极管阴极连接到电感之前，它的导通路径与图 2 基本一致，区别在于每个正负周期内电流只流过一个电感，在图 2 中电流流过体二极管时，在本结构中流过的是 D3 或者D4。这样做的好处是只要在 D3 与 D4 和 S1 与 S2 之间加一采样电阻可以方便进行电感电流采样，可大大减化电感电流检测电路。本结构把 D3 和 D4 的阴极连接到电感之前，不仅使电感电流采样变的简单，而且也使 EMI 大大减小，分析本电路可知，在输入电源正半周期，电源 N 侧与母线 U-侧经过二极管 D4 直接连接，在输入电源负半周期，电源 L 侧与母线 U-侧经过二极管 D3 直接连接，改善
10、了图 2 结构中 VU-N 随开关频率有很大波动的情况。对图 8 中的各点与电源 N 侧之间电位进行分析可得出图 9 所示的波形。其中 Vbus 为输出直流母线电压，Vline 为瞬时输入电压。相比图 4 可以看出共模干扰可以大大减小。但缺点是它在每半个周期都只流通一个电感，电感量增大，电感利用率不高。图 8 改进的无桥结构 Boost PFC 电路图 9 各点与输入地之间电压波形图 10 为另一种比较少用的无桥结构。它与图 8 导通路径大致相同，在输入电压正半周期流通电感L1，负半周期流通电感 L2，同样有电感量大等缺点。区别是 D3 和 D4 直接与输入电源 N 侧相连，使得在输入电压正半
11、周期，电源 N 侧与母线 U-侧经过二极管 D4 直接连接，在输入电源负半周期，电源 N 侧与母线 U+侧经过二极管 D3 直接连接，使 EMI 干扰小，可以从图 11 中得到验证。图 11 是对图 10 中的各点与输入零线之间电位进行分析。其中 Vbus 为输出直流母线电压，Vline 为瞬时输入电压。相比图 4可以看出共模干扰可以大大减小。但缺点与图 5 电路结构一样，电感电流采样复杂，两个开关管驱动需要隔离，需要构建复杂的驱动电路。图 10 Pseudo 图腾式无桥结构图 11 各点与输入地之间电压波形图 12 是在图 2 基础上的一种演变，也称之为图腾式无桥结构，它的导通路径与图 2
12、一致，它的电路结构与图 10 相似，都使输入电源 N 侧经过 D1 和 D2 与母线 U-侧或母线 U+侧直接相连，从图 13 可以看出共模干扰比图 4 要小很多。而且与图 10 电路相比优点是所用器件少，在 EMI 干扰基本相同的情况下，比图 10 结构少用了两个二极管，可降低成本。但此电路结构一般使用在断续模式（DCM）和临界导通模式（CRM）下，对其结构进行分析可知，两只开关管的体二极管起到了与传统 Boost PFC 中快恢复二极管相似的作用。但是开关管体二极管的反向恢复时间目前最快也只能达到 100 ns，相比于快恢复二极管的几十甚至十几纳秒(ns)，差距十分明显。因此，假如此电路用
13、于连续电流模式，其反向恢复损耗将会非常严重，效率的提高也必然有限。而假如工作于临界电流模式下，由于没有反向恢复问题，则能发挥该拓扑的最大优势。在电感电流检测上，本结构与图 2 一样采样电路比较复杂。而且此电路中要求两个开关管分别驱动，并且需要判断正负周期，还要搭建过零点检测电路。另外，两个开关管栅极电位不同，必须隔离驱动，所以驱动电路也比较复杂。图 12 图腾式无桥结构图 13 各点与输入地之间电压波形4 EMI 测试本文分别以图 2 和图 8 为主电路结构设计了试验样机，两主电路的各项参数相同，PCB 布线相似，控制芯片都采用 IR11507，原理图分别如图 14 和图 15 所示。对两种电
14、路在 220 V 输入 1 000 W 输出的条件下进行了 EMI 测试。图 16 为图 14 的 EMI 测试图，从图中可以看出在中频段很大区间内，所设计电路的 EMI 超过 Class C 峰值标准。图 14 以图 2 为主电路结构时原理图图 15 以图 8 为主电路结构时原理图1. Class C 峰值标准 2.为测试波形图 16 对图 14 电路的 EMI 测试图图 17 为图 15 的 EMI 测试图，从图中可以看出采用这种主电路结构时，其 EMI 测试波形在大部分频段内都低于 EMI 测试标准，只在高频段一小区间内超标，通过合理设计 EMI 滤波器可以解决这个问题。因此本电路结构对 EMI 抑制有良好效果。1. Class C 峰值标准 2.为测试波形图 17 对图 15 电路的 EMI 测试图5 结论本文就常见的几种无桥 Boost PFC 电路的导通路径EMI 干扰等进行了对比分析，并以两种比较有特色的无桥 Boost PFC 拓扑结构为主电路设计了实验样机，对两种电路的 EMI 进行了实际测量。总结出了一种导通损耗低、EMI 干扰小的拓扑结构。
