Soft start to eliminate current peak of totem Boost PFC circuit

一、工作原理

　　在正半周期中，慢管Q2导通，Q1关断；快管Q4成为主动开关管，Q3则作为同步管。

　　在负半周期中，慢管Q1导通，Q2关断；快管Q3成为主动开关管，Q4则作为同步管。

　　Q4与Q3的驱动信号呈互补关系，确保Boost升压过程的正常运行。

　　基本原理跟Boost PFC类似。慢管Q1，Q2只是输入电压换向时才切换。

二、电流尖峰产生原因

2.1 过零点死区时间不合适

　　以从负半周期向正半周期的过渡过程为例：在负半周期，慢管Q1保持导通，Q2关断；而进入正半周期后，Q2导通，Q1关断。

　　死区时间过短，此时若Q1刚关断，Q2又过早导通，由于Q1体二极管存在较慢的反向恢复效应，可能导致慢管桥臂瞬间直通。

　　死区时间过长，电流在过零点附近将出现断流，导致输入电流波形畸变，尤其是三次谐波分量显著增加，从而恶化总谐波失真（THD）指标。

　　常见的工程设计上死区时间在150～200μs范围内。

2.2 开关管寄生电容

　　当输入电压从负半周向正半周切换后，Q1体二极管存在缓慢的反向恢复电流，且Q2存在较大的Coss，所有Q2的Vds 电压为Vout, Q4 占空比最大且接近1，此时电感电压接近于Vout + Vac, 此时造成上图标识1所示的电流尖峰。

2.3  Q3开关管SR模式

　　当输入电压从负半周向正半周切换后，电感正向电压Vin比较小，反向电压Vout比较大。

　　Q3此时作为同步整流管，有三种工作模式：

　　1.软启动导通

　　当Q4 软启动并限制最大导通占空比时，互补开关管Q3占空比即使为1-D，引起输出电容通过电感L、Q1，Q2结电容回路放电，造成上图标识2的负尖峰电流。

　　2.与Q4互补导通

　　当Q4 软启动并限制最大导通占空比时，互补开关管Q3占空比较大，引起输出电容通过电感L、Q1，Q2结电容回路放电，负尖峰电流更加明显。

　　3.二极管模式

　　在Q4软启动阶段，Q3工作在二极管模式可有效地避免输出电容放电。

2.4  Q2滞后Q4导通的时间过长

 

三、解决办法

3.1 改进控制方式一

　　改进控制方式一如下图所示：

　　　　第一阶段：过零点慢管快管全关断，控制逻辑上实现开关管与同步整流管逻辑交换。

　　　　第二阶段：Q4软启动，且Q3 处于二极管模式

　　　　第三阶段：Q4，Q3 正常闭环模式

　　下图是改进前后控制的对比，由图可知，相对于传统的控制，多了一个开关管软启动的过程。

3.2 改进控制方式二

 

　　改进控制方式一如下图所示：

　　　　第一阶段：过零点慢管快管全关断，控制逻辑上实现开关管与同步整流管逻辑交换。

　　　　第二阶段：Q4软启动，时间至Q1 反向恢复时间结束且Q2的Vds 将为零。

　　　　第三阶段：Q3软启动，时间至1-D为止，Q2导通。

四、改善效果

　　下图是使用改善控制方式1电流波形：

　　下图是使用改善控制方式1电流波形：

 

　　由图可见两种控制方式在过零点处电流波形均能明显改善。