详解无桥PFC的EMI电容箝位方案
电路一点通 2023-06-09

图5给出了传统Boost PFC和无桥PFC抖动电平点的比较示意图,从图中可以看出,传统Boost PFC仅有A点是抖动的,而无桥PFC的A、B、C和D点都是抖动的,这将带来严重的共模EMI问题,由此也产生了很多相关解决方案(专利),比较常见的有电容箝位方案,二极管箝位方案及CPES提出的对称结构和平衡方式解决方案,本文仅对电容箝位方案进行详细分析,其他方案不在此项详细分析。


传统Boost PFC

无桥PFC

上两图,即图5 传统Boost PFC和无桥PFC抖动电平点比较

通常情况下,模块的原边控制地都选择为PFC电解电容负端;这样,由于交流输入电压相对控制地存在高压抖动电平,无桥PFC的交流输入电压采样和电流采样都比传统Boost PFC困难和复杂,需要特别处理。

下面分析基本无桥PFC母线电压高频抖动情况,由于交流输入正负半周工作情况是完全对称的,因此我们这里只对正半周进行分析,负半周的情况可以类推得到,为简化分析,这里假定PFC电感感量一样,即不考虑电感量的偏差。

在正半周,有两种工作状态,①Q1导通,电路可以简化如图6的“ON”状态,② Q1关断,D1导通对电容充电,电路可以简化如图6的“OFF”状态。

图6 正半周Q1导通和关断状态电路简化

对于“ON”状态,可以很容易看出,对参考地(母线负)的电压为== —

对于“OFF”状态,两个电感上所加电压列方程有++=, 则每个电感上的电压为(-),对参考地(母线负)的电压,== —+, =—+=—(-)+=(+)。

在一个开关周期中,“ON”和“OFF”状态转换一次,“L”和“N”线对参考地(母线负)的电压变化一次,其频率为开关频率,其幅度为

图7 Vll对参考地(母线负)的电压波形

由上述分析,可以知道作为基本无桥PFC拓扑,其面临严重的共模EMI问题,同时由于母线(通常作为控制“地”)对输入及PE(机壳)的高频抖动,对控制电路也会形成很强的共模干扰,因此,需要额外的措施才能在工程上应用。针对上述问题,目前相关文献提到了下面几种主要的解决方案:





图8 上述a、b、c、d四种的解决无桥PFC共模EMI问题的方案

方案a是使用整流二极管箝位的方案,其原理是在续流阶段让整流二极管通过大部分工频电流导通,将母线电压箝位到输入电压,类似于传统的Boost电路。该电路的优点是抖动电平箝位彻底,完全获得和传统Boost相同的效果,同时在浪涌和雷击时,对续流MOS管可以起到保护作用;但是采样复杂(如果使用电阻采样,需要同时采两个MOS和箝位二极管电流进行合成)

方案b是采用的电容箝位方案,其原理是通过电容箝位,将母线对输入的抖动幅值极大降低,同时基本消除高频分量,达到和传统Boost类似的EMI效果,该方案的优点是简单,箝位电容只流过高频电流,无需额外散热器,电流采样相对简单(如果使用电阻采样,也要同时采两个MOS合成即可)。

方案c、d是通过共模电流对消的方式,让共模骚扰不流过LISN达到消除共模EMI的问题(其原理可以参考参考文献《Common mode EMI noise suppression in bridgeless boost PFC converter》),但是对电感量和寄生参数一致性要求较高,在工程应用中较难控制。

综上所述,方案a、b是在工程应用中比较切实可行的方案。


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