Dual Boost PFC电路的电磁干扰建模和仿真分析

1、Dual Boost PFC电路的电磁干扰建模和仿真分析张军达 王慧贞（南京航空航天大学航空电源航空科技重点实验室，江苏 南京 210016）摘要：本文分析了几种高效率的Dual Boost PFC共模噪声的产生和传播，由于Dual Boost PFC省略了整流桥,效率明显提高,但是由于输入母线直接与电感相连,导致很大的EMI。文中推导出了不同Dual Boost PFC拓扑的共模噪声等效电路模型,然后通过Saber仿真验证以上的模型和分析的结论。关键词：共模噪声；无桥PFC；电磁干扰EMI Modeling and Analysis of Dual Boost PFCJunda Zhang

2、Huizhen Wang(Aro-Power Sci-tech Center,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing,210016)Abstract：This paper focuses on the generation and propagation of the CM noise of several high efficiency Dual Boost PFC(DBPFC),it shows higher efficiency compared with traditional Boost PFC,but i

3、t by nature bings higher EMI noise.Their equivalent circuits is deduced in this paper.Saber simulation is performed to validate the EMI model and analysis.Keywords：common mode(CM)；Dual Boost PFC;EMI1引言相对于传统的Boost PFC拓扑,DBPFC由于省略了输入整流桥，效率可以提高约1%2%，但是DBPFC拓扑电感位置的特殊性使得它的功率地与输入母线完全隔离，功率地电平相对于大地的剧烈变化引起的共

4、模电流不仅造成了强大的电磁干扰，而且也给电路的稳定工作带来了影响。针对这种缺陷，Tyko公司提出了新的拓扑1，很好的解决了共模干扰的问题，但是由于加了两个续流二极管，效率明显降低。由于DBPFC电路和传统Boost PFC电路的差模干扰几乎相同2，所以只要看共模电压就可以看出各个电路的EMI的严重程度。本文对各种DBPFC电路的共模等效模型进行了推导和分析，为了方便比较同时给出了传统PFC电路共模噪声3。首先本文简单的介绍了各种不同Dual PFC拓扑的工作原理。接着详细的分析它们的共模噪声等效电路，在此基础上，对以上四种电路产生的共模干扰进行比较分析，通过saber仿真，最后给出了各种不同电

5、路的共模干扰波形，和理论分析基本一致。2工作原理分析2.DBPFC的工作模式 图1为DBPFC拓扑结构，其工作状态按照输入电压的不同可以分成两个阶段。当输入处于VL>VN的正半周时，L1，L2，S1和D1组成Boost电路，S1开通时电流流过电感L1，L2的电流增加（方向如图所示），电感储能。S1关断时电流流过D1向负载提供能量，流过电感L1，L2的电流减小。S2在该阶段内均流过反向电流处于续流状态，反向电流流过S2沟 图1 DBPFC拓扑结构道还是它的体二极管要看S2是否有驱动信号。当输入电压处于VL<VN的负半周时，L1，L2，S2和D2组成Boost电路，S1流过反向电流处于

6、续流状态。随着输入电压处于不同时期，两阶段交替出现。2.2 Totem-pole PFC的工作模式图2（a）为Totem-pole PFC电路4，S1，S2分别工作在正负半周，D3是为了防止桥臂直通，虽然增加了损耗，但是大大的简化了控制电路，S1，S2可以同时驱动。电路的正负半周等效电路如图2（b）和图2（c）。 （a）拓扑结构 （b）正半周等效电路 （c）负半周等效电路图2 Totem-pole PFC拓扑结构及正、负半周等效电路2.3 2nd DBPFC的工作模式分析以上两种DBPFC拓扑的输出功率地都通过PFC电感与输入线电压相连，与工频相比输出电压的振荡频率很大，不仅在MOSFET源极

7、与大地间的分布电容上产生共模噪声，而且还在输出与大地间产生很大的共模噪声5，图3（a）1是Tyco 公司提出的第二代DBPFC很好的解决了这方面的问题。和2.1中DBPFC不同，这里的两个电感分别工作在半个周期，所以电感值是它的两倍。其工作模态分成两个阶段：1、正半周（VL>VN）时L1，S1和D1组成Boost电路，L2被D3短接，如图3（b）。2、负半周（VL<VN）时L2，S2和D2组成Boost电路，L1被D4短接，如图3（c）。 （a）拓扑结构 （b）正半周等效电路 （c）负半周等效电路图3 2nd DBPFC拓扑结构和正、负半周的等效电路3共模等效电路的建立3.1 To

8、tem-pole PFC的共模等效电路假设频率在1M以下，则线路中的寄生电感和寄生电阻均可以忽略，但是各个节点与大地间的寄生容不可以忽略。考虑各电气节点和大地间的寄生容的电路如图4（a）所示，假设L1=L2=L。（a）>（b）由2.2中的模态分析可知，输入电压正负半周电路对称工作，假设工作在正半周VL>VN,则S2反向导通，D2承受反压截止，有S2短路，D2开路，如图4（b）。（b）>（c）由于假设频率很高，则X电容CX和输出滤波容的阻抗很小，可以短接，如图4（c）。（c）>（d）虚线框内为开关部分，由MOSFET和续流二极管组成，S1两端电压Uds变化时，只对D3的结

9、电容有影响，所以D3可以等效为其结电容。如图4（d）。（d）>（e）开关管S1可以等效为以脉冲电压源，如图4(e)。（e）>（f）由戴维南等效定理有图4（f）。其中Vequ，Cequ和Lequ如下：，,，Lequ=L/2（f）>（g）由于频率在 1M以下，电感的感抗远远小于电容的容抗，则Lequ可以省略。如图4（g）。 (a)step1 （b）step2 (c)step3 (d)step4 （e）step5 （f）step6 （g）step7图4 Totem-pole PFC共模等效电路3.2 2nd DBPFC的共模等效电路2nd DBPFC的共模等效电路的分析方法与Tot

10、em-pole PFC共模等效电路的分析方法相似，下面给出简单的推导过程。（a）>（b）由2.3的工作模态可知，2nd DBPFC工作正负半周对称，只要考虑输入为正半周（VL>VN），如图5（b）。（b）>（c）与Totem-pole PFC相似，CX和输出滤波容CO短路，同时L1由于其高阻抗短路。如图5（c）。（c）>（d）与Totem-pole PFC类似处理，D可以等效看作其结电容，如图5（d）。（d）>（e）开关管S1可等效为一个电压脉冲源如图5（e）, 其中Vequ，Cequ和Lequ如下：，（e）>（f）由戴维南等效定理可得图5（f）。 （a）s

11、tep1 （b）step2 （c）step3 （d）step4 （e）step5 （f）step6图5 2nd DBPFC 共模等效电路经过上面的推导不难发现，它们的等效电路模型的形式一样，表1给出了三种电路的共模等效电路中参数，由于CS<<CB，所以各电路的等效电容基本相等，但是Vequ的不同使的各个电路的共模信号相差很大，如表1，Boost PFC和2nd DBPFC的Vequ的幅值很小，而DBPFC和Totem-pole PFC的共模噪声幅值接近Vds/2，明显比Boost PFC和2nd DBPFC要大的多。VequCequBoost PFC3DBPFC3Totem-pol

12、e PFC2nd DBPFC表14仿真分析通过saber仿真给出各个电路的共模干扰波形。由于仿真模型很难和现实电路一摸一样，所以仿真的精确性并不高，但是基本上反映电路的共模噪声的大小。图6，7，8，9是它们的的仿真结果，可以看出DBPFC和Totem-pole PFC的共模噪声基本相同，传统Boost PFC和2nd DBPFC的共模噪声也基本相同，但是却比前两种明显要小很多。仿真结果验证理论推导的正确性。 图6 传统Boost PFC共模噪声 图7 DBPFC共模噪声 图8 Totem-pole PFC共模噪声 图9 2nd DBPFC共模噪声5结论本文通过对几种不同DBPFC电路等效模型的

13、推导，分析了各种电路电磁干扰的大小，与传统Boost PFC相比，Totem-pole PFC和DBPFC的共模噪声明显较大，而2nd DBPFC的共模噪声几乎和传统Boost PFC相同。同时通过Saber仿真验证了以上理论分析的正确性。参考文献（References）：1Michael Frisch,Temesi Ernö,Yu jinghu,“2nd Generation of PFC Solutions ,” Tyco Electronics Power Systems.2Shuo Wang, “Characterization and Cancellation of Hig

14、h-Frequency Parasitics for EMI Filters and Noise Separators in Power Electronics Applications”,Virginia May 11,2005.3Haoyi Ye,Zhihui Yang,Jingya Dai,Chao Yan,Xianni Xin,Jianping Ying.“Common Mode Noise Modeling and Analysis of Dual Boost PFC Circuit,”Telecommunications Energy Conference.2004.INTELEC 2004.26th Annual International.4Yaoping Liu,Keyue Smedley, “Control of A Dual Boost Power Factor Corrector for High Power Applications,”Industrial Electronics Society,The 29th Annual Conference of the IEEE. 5Bing Lu,Ron Brown,M