BuckPFC电路的仿真和改动电感位置的BoostPFC仿真

今天介绍的是BuckPFC和一款改动电感位置的BoostPFC电路。对每款电路的介绍，都先是拓扑结构，而后工作模态分析，最后仿真。

目录

1、buck电路的拓扑结构

1.1 工作模态

1.2 仿真

2、改动电感位置的boost PFC电路

2.1 工作模态

2.2 仿真

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1、buck电路的拓扑结构

 

buck-PFC电路的拓扑结构如下图：

电路中，输入电源为交流电Vac，由二极管D1-D4构成不可控整流桥，由MOS管Q1、二极管D6、电感L1构成了buck电路。本电路想用于LED驱动电路中。因此负载使用两个LED进行模拟。控制策略中，被控对象的参数是输出电压。而LED需要串联电阻，才可以和恒压源连接。

 

1.1 工作模态

Buck电路有以下几种工作模态。

Buck电路的工作模态

工作模态1：MOS管Q1导通

工作模态2：续流阶段

工作模态3：电感释放完毕，由电容C1维持负载电压

1.2 仿真

 

电源也是110V有效值、60Hz的交流电。整流桥中的二极管默认导通压降为0.8V。电感L1取值470uH。电容C1取值4.7uF。这里的电容C1不能取值太大。否则，输入电流的波形形状会变差，即波形偏离60Hz正弦波。这意味着谐波增加。

负载是二极管D6、D7、D8，和一个电阻。二极管D6、D7、D8导通压降设置为12V，负载电阻的阻值为10R。

电流内环的PI控制器，Kp=1，Ki=1，控制器输出限制要-1到1之间。

电压外环的PI控制器，Kp=20，Ki=5，控制器输出限制要-1到1之间。

 

输入电压和输入电流波形：

输入电流波形，其实放大后看得到是断断续续的。

 

 

输出电压和输出电流：

 

2、改动电感位置的boost PFC电路

今天搜索到Infineon的1.6KW服务器电源，得知电源由前级BoostPFC和后级的LLC构成。电源输出为12V。输出电流可达100A。这是官网链接。这是爱板网的评测网站。

常规的boost电路中，在电感储能阶段，负载消耗的能量全部由电容C1发出。而在重载时，电容C1并不足以抵消负载消耗。

因此，较大电流的应用场合中，会在上图中的电感L1+二极管D5两端并联一个二极管，当开关管Q1导通时，由整流桥和D6作为电源到负载之间的供电通道。

观察Infineon提供的资料，PFC部分应用电路为以下拓扑：

拓扑结构中，同样的二极管D1-D4为整流桥。实际应用中，采用了4个引脚的整流桥IC，而不使用4个分立二极管，优点是容易布线。而和传统的拓扑不同的地方是，电感经过双向可控开关Q1+Q2（在这里采用了两个NMOS串联），直接和交流电相连接。同时交流电在开关管Q1+Q2的任何工作情况下，都可以为负载提供整流电。

2.1 工作模态

下面工作模态图中，红色线代表有电流的线路，红色箭头代表电流方向。

 

本拓扑工作模态

工作模态1：AC电流正半周，电感L1无能量	工作模态2：AC电流正半周，Q1+Q2导通，电感L1储能
工作模态3：AC电流正半周，Q1+Q2关断，电感L1释放能量	工作模态4：AC电流负半周，电感L1无能量
工作模态5：AC电流负半周，Q1+Q2导通，电感L1储能	工作模态6：AC电流负半周，Q1+Q2关断，电感L1释放能量

2.2 仿真

参数：交流电源为60Hz的110V有效值的交流电，二极管默认导通压降为0.8V。电感L1为470uH，电容C1为470uF。负载R1是100欧姆。

控制回路：

PID控制器参数：电压外环的Kp=1，Ki=0.6，Kd=0。PID控制器输出限制为-1到1之间。

电流内环的参数Kp=500，Ki=10，Kd=0。PID控制器输出限制为-1到1之间。

输入电流对输入电压的跟踪效果：

整流桥的输出电压和输出电流：

 

负载两端的电压和负载电流：

小结：这款BoostPFC电路，比传统的BoostPFC电路，差别在于电感的摆放位置。传统的拓扑中，电感放置于直流侧，电感磁芯一直工作在直流，容易饱和。磁芯利用率较低。而在本拓扑中，电感放置在交流侧，每一个工频周期都进行了电流换向。电流换向能对磁芯进行消磁。能提高磁芯利用的效率。缺点是所串联的开关管的驱动电路需要单独的隔离电源供电。