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如何为图腾柱PFC减少AC过零点上的电流尖峰
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2025-07-04
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内容概要:文章介绍了图腾柱功率因数校正(PFC)电路在AC/DC电源中应用的重要性及其面临的挑战,特别是AC过零点处的电流尖峰问题。文中详细探讨了几种导致电流尖峰的具体情况,并提出了通过优化开关顺序和引入软启动机制来减少电流尖峰的新控制方法。实验结果显示,采用这种方法后,电流波形更加平稳,总谐波失真(THD)从8.1%降低到了3.7%,证明了该方法的有效性。 适合人群:从事电力电子领域研究和技术开发的专业人士,尤其是对PFC电路设计有一定了解的研发工程师。 使用场景及目标:①理解和解决图腾柱PFC电路中存在的电流尖峰问题;②掌握通过优化开关顺序和软启动机制来提高PFC电路性能的方法;③应用于实际项目中,提升系统的稳定性和效率。 其他说明:文章提供了详细的理论分析和实验验证,包括具体的电路结构图和波形对比图,有助于读者深入理解图腾柱PFC的工作原理和改进措施。此外,还提到了一些相关的参考文献,方便有兴趣的读者进一步查阅资料。
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Texas Instruments 23 AAJ 4Q 2015
CommunicationsAnalog Applications Journal
How to reduce current spikes at AC
zero-crossing for totem-pole PFC
Introduction
Power factor correction (PFC) is widely used in AC/DC
power supplies with an input power of 75 watts or greater.
PFC forces the input current to follow the input voltage so
that any electrical load appears like a resistor. Amongst all
the different PFC topologies, the totem-pole PFC
[1, 2]
has
recently received more attention because it uses the least
number of components, has the smallest conduction loss,
and has the highest efficiency. Typically, a totem-pole PFC
cannot operate in continuous-conduction mode (CCM)
because of the slow reverse recovery of the MOSFET’s
body diodes. However, with the advent of the gallium-
nitride (GaN) FET, its diode-free structure makes the
CCM totem-pole PFC possible. Figure 1 is a totem-pole
PFC structure.
In Figure 1, Q3 and Q4 are GaN FETs. Depending on
V
AC
polarity, they alternatively operate as a PFC active
By Bosheng Sun
Systems Engineer, High Power Controller Solutions
switch or a sync switch. To further improve efficiency, D1
and D2 are replaced with regular MOSFETs because the
conduction loss for MOSFETs is lower than for diodes.
The revised structure is shown in Figure 2 where Q1 and
Q2 are regular MOSFETs and are driven at AC frequency.
The current flow paths for a totem-pole PFC are shown
in Figures 3 and 4. During the positive AC cycle, Q4 is the
active switch, while Q3 works as a sync FET. The driving
signals for Q4 and Q3 are complementary: Q4 is controlled
by D (duty cycle from control loop) and Q3 is controlled
by 1 – D. When Q4 turns on, the current goes through the
AC line, inductor, Q4, Q2, and then back to AC neutral.
When Q4 turns off, Q3 turns on, the current goes through
the AC line, inductor, Q3, load, Q2, and then back to AC
neutral. Q2 stays on for the whole positive AC half-cycle
and Q1 remains off.
Figure 1. Totem-pole PFC with GaN
FETs and line-rectification diodes
D1
D2
Q3
Q4
V
AC
Figure 2. Totem-pole PFC with GaN
FETs and line-rectification MOSFETs
Q1
Q2
Q3
Q4
V
AC
Figure 4. Current paths for negative AC cycle
Q3 On, Q4 Off
Q3 Off, Q4 On
Q1
NL
+
–
Q2
Q3
Q4
V
AC
Figure 3. Current paths for positive AC cycle
Q3 On, Q4 Off
Q3 Off, Q4 On
Q1
NL
+
–
Q2
Q3
Q4
V
AC
AAJ 2015
年第四季度
德州仪器
模拟应用期刊
通信
如何为图腾柱
PFC
减少
AC
过零点上的电流尖峰
作者:
Bosheng Sun
应用工程师,精密型模拟产品
图
1
:采用
GaN FET
和线性整流
二极管的图腾柱
PFC
图
2
:采用
GaN FET
和线性整流
MOSFET
的图腾柱
PFC
图
3
:正
AC
周期的电流路径
图
4
:负
AC
周期的电流路径
引言
功率因数校正
(PFC)
在具有
75 W
或更大输入功率的
AC/DC
电源中得到了广泛的使用
。
PFC
强制输入电流跟
随输入电压
,
以使任何电负载都看似一个电阻器
。
在所
有不同的
PFC
拓扑中
,
图腾柱
PFC
[1
、
2]
最近受到了更多
的关注
,
因为其所用的组件数量最少
,
具有最少的传导
损耗
,
而且拥有最高的效率
。
由于
MOSFET
的体二极管
反向恢复缓慢
,
因此图腾柱
PFC
通常不能工作于连续导
通模式
(CCM)
。
然而
,
随着氮化镓
(GaN) FET
的出现
,
其无二极管的结构使得
CCM
图腾柱
PFC
成为可能
。
图
1
是一种图腾柱
PFC
结构
。
在图
1
中
,
Q3
和
Q4
是
GaN FET
。
视
V
AC
极性的不同
,
它们交替地起一个
PFC
有源开关或同步开关的作用
。
为了
进一步改善效率
,
用普通的
MOSFET
取代了
D1
和
D2
,
因为
MOSFET
的传导损耗低于二极管
。
经过改进的结构示
于图
2
,
其中的
Q1
和
Q2
是普通的
MOSFET
,
并以
AC
频率进行驱动
。
图腾柱
PFC
的电流流动路径示于图
3
和图
4
。
在正
AC
周
期中
,
Q4
是有源开关
,
而
Q3
起一个同步
FET
的作用
。
用于
Q4
和
Q3
的驱动信号是互补的
:
Q4
由
D
(
控制环路
的占空比
)
控制
,
Q3
则由
1
-
D
控制
。
当
Q4
接通时
,
电流通过
AC
线路
、
电感器
、
Q4
、
Q2
、
然后返回至
AC
中
性线
。
当
Q4
关断时
,
Q3
接通
,
电流穿过
AC
线路
、
电感
器
、
Q3
、
负载
、
Q2
、
然后回到
AC
中性线
。
Q2
在整个正
AC
半周期中处于导通
,
而
Q1
保持断开状态
。
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