【应用】Vincotech第二代PFC解决方案，损耗降低约19％

时间： 2019-01-21 来源：Vincotech

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IGBT功率模块,双向升压拓扑IGBT功率模块,fastPACK 0-PFC,flowPFC 0-HE

实现更高的效率是所有电力电子应用中最重要的需求之一。对于新标准下的电力电子应用，有源功率因数校正（PFC）电路是开关电源等多数应用中不可或缺的组成部分。电子元件的额外功耗可能会增加散热器乃至整个元件的尺寸。而工程师的目标是在不增加元件成本的情况下将损失降至最低。基于此本文将详细介绍第二代PFC解决方案。

引言

电子电气设备对公共电网造成的电压波动必须要满足新标准EN61000-3-2的限值要求。因此有源PFC成为许多电力电子应用的重要组成部分。该应用的尺寸通常由散热器的大小决定，而散热器必然会导致功率损耗。PFC是保持或减小散热器的尺寸的一种有效手段。电路中，半导体和扼流圈会产生功率损耗。而为了降低其损耗，必须要选择正确的元件来优化电路。在改进的高效率PFC的电路中，输入端整流二极管的数量由4个变为2个，使得每半波的1个半导体二极管的损耗被消除。

标准升压拓扑PFC

在大多数情况下，有源功率因数校正电路采用升压拓扑结构。除了输出负载外，电流必须通过至少3个半导体结层（如图1所示）。输入整流器将交流（AC）电压转换为脉冲直流（DC）电压。 PFC电路把两个半波升到直流输出电压。

图1 标准升压拓扑PFC电路及输出波形

改进的高效PFC

为了进一步降低电路损耗，PFC电路进行了优化。改进的PFC电路中电感分为2个电感器，分别承担电抗阻值的一半。移除每个半波的输入整流器后，电路中必须附加升压结构。但目前电流仅需要通过2个半导体结层，进一步提高了效率。

图2 改进的高效PFC电路

仿真结果

从理论上讲，这种新拓扑结构似乎是减少有源PFC应用中损耗的有效替代方案。但我们需要通过仿真来验证该理论结构的可行性。仿真电路如图3所示。

图3 仿真电路

图4 仿真结果

根据图4仿真结果，PFC电路的所有输出信号都相对于输入端随着PWM频率振荡。

这个问题是系统性的，其原因是两条输入端都连接到PFC电感上。结果导致相对于输入端以高频率振荡输出。因此我们无法通过采用外部滤波器来解决EMI问题。

DC输出和连接的电路相对于公共电网以高频振荡，其对应产生的高EMC辐射对多数应用而言是不可接受的。采用这种拓扑结构的隔离变压器应用设计将非常困难。而在电机驱动应用中变压器是不可或缺的。因此PFC电路将进一步优化以获得没有EMC的高效PFC解决方案。

双升压拓扑PFC

VINCOTECH公司发明的新拓扑结构解决了这一问题。与第一个设计理念不同，电感并不需要分开，这里需要2个与标准升压拓扑具有相同电抗阻值的电感器。但每半波只使用一个电感器。另一个则被附加的整流器旁路。

图5 双升压拓扑PFC电路及输出波形

使用此解决方案，输出不会相对于AC输入或GND以高频率振荡。其输出结果与标准升压拓扑结构相同。但是标准升压拓扑中使用的输入整流器的损耗被分成两半。

1.正半波通过第一个PFC电路升压到直流输出电压。第一个整流器旁路第二个电感器。

2.负半波通过第二个PFC电路升压到直流输出电压。第一个电感器被旁路。

双向升压拓扑PFC

采用第二种拓扑结构，只需1个电感器就可以获得高效率PFC的优势（如图6所示）：

图6 双向升压拓扑PFC电路及输出波形

这里PFC-电感器中的电流是双向的。

1.正半波通过低侧开关和高侧升压二极管升压。低压侧整流器构建返回通路。

2.负半波通过高侧开关和低侧升压二极管升压。高压侧整流器构建返回通路。

此外，采用这种拓扑结构，标准升压拓扑结构中使用的输入整流器的损耗也减少了一半。该电路的优势在于使用与标准升压拓扑中相同电抗的PFC电感器。

高效的HE-拓扑PFC

在具有230V交流输入电压的系统中，新HE-PFC的整流器损耗约为总输入功率的 0.5％（V_out= 400V_DC，P_out= 6kW）。在110V交流输入电压的系统中，新型HE-PFC的整流器损耗大约为 1％（V_out= 400V_DC，P_out= 3kW），如图7所示。

图7 不同系统中HE-PFC的整流器损耗

230V系统中半导体的效率为：97.4％（Vout = 400VDC，Pout = 6kW，fPWM = 80kHz）。效率为 0.5％（如图8a所示）。

110V系统中半导体的效率为：94.8％（Vout = 400VDC，Pout = 3kW，fPWM = 80kHz）。效率为 1％（如图8b所示）。

在110V 和230V交流输入的情况下，与标准升压拓扑相比，半导体损耗降低了约19％。

图8 a. 230V 交流系统中半导体的效率; b. 110V 交流系统中半导体的效率

模块解决方案

Vincotech公司提供两种拓扑结构的模块，分别为flowPFC 0-HE和fastPACK 0-PFC。

flowPFC 0-HE

Vincotech的flowPFC 0-HE模块支持新的双升压拓扑结构（如图9所示）：

图9 flowPFC 0-HE模块及电路示意图

特征：

•100kHz时高达4.5kW

•可用于双升压级的功率半导体集成

•集成电容，用于低电感输出

•用于电流检测的分流电阻器

• 温度感应器

fastPACK 0-PFC

Vincotech的fastPACK 0-PFC模块中H-Bridge配置支持新的高效双向升压拓扑结构（如图10所示）。

图10 fastPACK 0-PFC模块及电路示意图

特征：

•高达6kW

•集成了用于双向升压级的所有功率半导体。

•引脚支持DC输出端的外部缓冲电容的低电感连接

• 温度感应器

总结

Vincotech公司可为有源PFC提供2种高效拓扑结构的产品。新拓扑结构能够使半导体的损耗降低约19％。

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