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二極管在PFC電路中有什么保護作用?

作者:海飛樂技術 時間:2018-05-23 21:17

  為了提高電網的功率因數,減少干擾,平板電視的大多數電源都采用了有源PFC電路,盡管電路的具體形式繁多,不盡相同,工作模式也不一樣(CCM電流連續型、DCM不連接型、TCM臨界型),但基本的結構大同小異,都是采用BOOST升壓拓撲結構。如圖1所示,這是一典型的升壓開關電源,基本的思想就是把整流電路和大濾波電容分割,通過控制PFC開關管的導通使輸入電流能跟蹤輸入電壓的變化,獲得理想的功率因數,減少電磁干擾EMI和穩定開關電源中開關管的工作電壓。

圖1 升壓型二次開關電源電路 
圖1 升壓型二次開關電源電路
  圖1的電路是不是似曾相識啊?沒錯!這就是一個在影顯中廣泛應用的升壓型二次開關電源,只不過其輸入的電壓是沒有經過濾波的脈動電壓,相信大家并不陌生。在這個電路中,PFC電感L在MOS開關管Q導通時儲存能量,在開關管截止時,電感L上感應出右正左負的電壓,將導通時儲存的能量通過升壓二極管D1對大的濾波電容充電,輸出能量。不知大家注意到沒有,平板電視大部分PFC電感L上大都并連著一個二極管D2。關于這個二極管的作用,在維修技術人員中有一些不同的看法:
  說法一:減少浪涌電壓對電容的沖擊
  在開機瞬間限制PFC電感L因浪涌電流產生巨大的自感電勢,從而造成電路故障。每次電源開關接通瞬間加到電感上的可以是交流正弦波的任意瞬時值,如果在電源開關接通的瞬間是在正弦波的最大值峰點附近,那么給電感所加的是一個突變的電壓,會引起電感L上產生極大的自感電勢,該電勢是所加電壓的兩倍以上,并形成較大的電流對后面的電容充電,輕則引起輸入電路的保險絲熔斷,重則引起濾波電客及斬波開關管Q擊穿。設置保護二極管D2后在接通電源的瞬間,由D2導通并對C充電,使流過PFC電感L的電流大大減小,產生的自感電勢也要小得多,對濾波電客和開關管的危害及保險絲的熔斷可能要小得多。
  說法二:減少浪涌電壓對升壓二極管的沖擊
  該二極管分流一部分PFC電感和升壓二極管支路的電流,因而能對升壓二極管起保護作用。
  以上的觀點都提到了該二極管D2的保護作用。都有一定的道理,但筆者認為上述的有些解釋有值得商榷的地方。
  大家知道:PFC電路后面大的儲能濾波電容C和PFC電感L是串聯的,由于電感L上的電流不能突變,PFC電感本身對大的濾波電容C的浪涌電流起限制作用,不會出現觀點一提到的“電源開關接通的瞬間電感L1上產生極大的自感電勢對電容的充電的情況,”因為自感電勢的方向也是左正右負,此觀點令人費解。井聯保護分流二極管D2以后,這一路由于沒有電感的限制作用,對濾波電容的沖擊反而會更大,不會減小。實踐也證明,去掉二極管D2后,電容C上的浪涌沖擊反而減小。觀點二保護升壓管D1說法,有一定的道理,因為D1是快恢復二極管承受浪涌電流的能力較弱,減小反向恢復電流和提高浪涌電壓承載力是相互牽制的,而D1所采用的普通整流二極管承受浪涌電流的能力很強,如1N5407的額定電流3A,浪涌電流可達200A。不過由于升壓二極管D1有串接的PFC電感L的限流作用,筆者認為保護二極管D2的最主要作用還不僅僅是保護升壓管D1。一些資料也有說明井聯二極管D2是減少開機過程的浪涌電壓,這個總體的說法沒錯,但我認為該保護二極管D2表面降低的是對PFC電感和升壓二極管的浪涌沖擊,但實際上還有一個重要的作用保護PFC開關管。
  在開機的瞬間,濾波電容的電壓尚未建立,由于要對大電容充電,通過PFC電感的電流相對比較大,有可能在電源開關接通的瞬間是在正弦波的最大值,在對電容充電的過程中PFC電感L有可能會出現磁飽和的情況,如果此時PFC電路工作,就麻煩了,流過PFC開關管的電流就會失去限制,燒壞開關管。為防止悲劇發生,一種方法是對PFC電路的工作時序加以控制,即當對大電容的充電完成以后,再啟動PFC電路;另一種比較簡單的辦法就是并接在PFC線圈和升壓二極管上一個旁路二極管,啟動瞬間給大電容的充電提供另一個支路,防止大電流流過PFC線圈造成飽和,避免PFC電路工作瞬間造成開關管過流,保護開關管,同時該保護二極管D2也分流了升壓二極管D1上的電流,保護了升壓二極管。另外,D2的加入使得對大電容充電過程加快,其上的電壓及時建立,也能使PFC電路的電壓反饋環路及時工作,減小開機時PFC開關管的導通時間,使PFC電路盡快正常工作。
  綜上所述,以上電路中二極管D2的作用是在開機瞬間或負載短路、PFC輸出電壓低于輸入電壓的非正常狀況下給電容提供充電路徑,防止PFC電感磁飽和對PFC MOS管造成的危險,同時也減輕了PFC電感和升壓二極管的負擔,起到保護作用。該二極管的作用仍然可以說是減少浪涌電壓的沖擊,但主要是為了減少浪涌電壓對開關管造成的威脅,對升壓二極管也有分流保護作用,而不是保護濾波電容的。在開機正常工作以后,由于D2右面為B+PFC輸出電壓,電壓比左面高,D2呈反偏截止狀態,對電路的工作沒有影響,D2可選用可承受較大浪涌電流的普通大電流的整流二極管。
  在有些電源中,PFC后面的電容容量不大,也有的沒有接入保護二極管D2,但如果PFC后面是使用大容量的濾波電容,此二極管是不能減少的,對電路的安全性有著重要的意義。  
 
 
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