趙犇, 馬瑞卿

(西北工業(yè)大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院, 陜西 西安　710072)

適用于低電壓輸出的單級(jí)式無(wú)橋buck-boost PFC變換器

趙犇, 馬瑞卿

(西北工業(yè)大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院, 陜西 西安710072)

摘要：傳統(tǒng)的boost型功率因數(shù)校正變換器需要額外1級(jí)DC-DC變換器才能實(shí)現(xiàn)低電壓輸出，而buck型拓?fù)溆捎谠陔娋W(wǎng)電壓低于輸出電壓時(shí)沒有輸入電流而導(dǎo)致電流畸變很大，因此buck-boost型拓?fù)渚统蔀樵诘碗妷狠敵鰣?chǎng)合實(shí)現(xiàn)單級(jí)式功率因數(shù)校正的優(yōu)先選擇。相較于經(jīng)典的級(jí)聯(lián)式buck-boost功率因數(shù)校正變換器，文中所提出的單級(jí)式無(wú)橋buck-boost拓?fù)渌璧陌雽?dǎo)體器件數(shù)量更少，且導(dǎo)通回路中的功率器件個(gè)數(shù)也大大減小，從而可以降低導(dǎo)通損耗；加上引入了耦合電感提高了電壓衰減率，因此特別適合低電壓輸出場(chǎng)合；采用了單周期控制作為功率因數(shù)校正的控制方法，具有更好的動(dòng)態(tài)性能，而且電路實(shí)現(xiàn)中無(wú)需乘法器，還可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化控制電路、降低成本。仿真結(jié)果表明，所提的拓?fù)涔ぷ髟砜尚小⒔Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；采用單周期控制實(shí)現(xiàn)的功率因數(shù)校正功能可靠、電流畸變率低、功率因數(shù)高。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)渭?jí)式;無(wú)橋;buck-boost;耦合電感;PFC(power factor correction);OCC(one cycle control)

在電力電子變換器中實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正(power factor correction,PFC)以減小電流諧波污染、提高功率因數(shù)已經(jīng)成為業(yè)界廣泛共識(shí)。其中，boost變換器由于其拓?fù)浜?jiǎn)單、器件少、效率高，被廣泛用于功率因數(shù)校正[1]。然而，由于boost變換器的升壓特性，當(dāng)其用于PFC時(shí)，輸出電壓將高于電網(wǎng)電壓的峰值。因而，若應(yīng)用于低電壓負(fù)載場(chǎng)合時(shí)(如通信電源、電池充電器等)，需要額外增加1級(jí)DC-DC變換器，這就是傳統(tǒng)的2級(jí)式PFC變換器[2]。由于其需要2級(jí)功率變換和2套控制電路，使得其成本較高、效率較低。

相對(duì)于2級(jí)式PFC，單級(jí)式PFC具有更高的性價(jià)比，因而引起了研究者更大的興趣。為了獲得低電壓輸出，2種拓?fù)漕愋涂梢圆捎茫篵uck型和buck-boost型。然而，當(dāng)電網(wǎng)電壓低于輸出電壓時(shí)，buck電路不能提供輸入電流，因而輸入電流具有很大的畸變，通常很難獲得較高的功率因數(shù)性能[3-4]。buck-boost型變換器則可以在全范圍市電電壓內(nèi)持續(xù)從電網(wǎng)提供電流，因而電流畸變小，可以實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)。其中，級(jí)聯(lián)式buck-boost PFC變換器(cascaded buck-boost PFC, CBBPFC)可以分別工作在升壓或降壓模式下，從而達(dá)到在輸入電壓全范圍內(nèi)都能獲得持續(xù)的輸入電流，因而當(dāng)其在低電壓輸出應(yīng)用場(chǎng)合，可以獲得較滿意的功率因數(shù)校正效果[5-6]。文獻(xiàn)[7-8]將buck-boost單元和buck單元組合在一起形成的單級(jí)式拓?fù)湟部梢栽趯捿斎腚妷悍秶鷥?nèi)得到低電壓輸出。文獻(xiàn)[9]使用耦合電感將buck和boost變換器集成為一個(gè)單級(jí)式變換器，可以在寬輸入電壓范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)寬輸出，也取得了較好的功率因數(shù)校正效果。然而，以上幾種單級(jí)式拓?fù)涠疾捎昧藗鹘y(tǒng)的二極管整流橋，其半導(dǎo)體器件個(gè)數(shù)較多，同時(shí)也增加了輸入側(cè)的導(dǎo)通損耗。

本文提出了一種新型單級(jí)式無(wú)橋buck-boost PFC變換器(single stage bridgeless buck-boost PFC,S2B3PFC)拓?fù)?，相較于單級(jí)式有橋PFC變換器，所需要的半導(dǎo)體器件個(gè)數(shù)更少，而且導(dǎo)通路徑中的器件個(gè)數(shù)也大大減小，從而降低了功率器件的導(dǎo)通損耗，加上使用了耦合電感提高電壓衰減率，因而在低電壓輸出場(chǎng)合中具有更高的性價(jià)比。同時(shí)，本文采用了單周期控制(one cycle control, OCC) 來(lái)實(shí)現(xiàn)PFC功能，OCC比傳統(tǒng)的PFC控制方法具有更好的動(dòng)態(tài)性能，而且電路實(shí)現(xiàn)中不需要傳統(tǒng)控制方法所必須的乘法器，可以降低控制電路成本并且提高可靠性。

1新型單級(jí)式無(wú)橋buck-boost變換器

1.1變換器拓?fù)涔ぷ髟?/p>

本文提出的S2B3PFC變換器拓?fù)淙鐖D1所示，由2個(gè)開關(guān)管M1-M2，4個(gè)二極管D1-D4，耦合電感N1∶N2∶N3，輸出電容Co以及負(fù)載RL組成。假設(shè)輸入網(wǎng)側(cè)電壓為正，此時(shí)開關(guān)管M2、二極管D2和D3工作。當(dāng)開關(guān)管M2開通時(shí)，輸入端通過開關(guān)管M2和二極管D2給耦合電感充電；當(dāng)開關(guān)管M2關(guān)斷時(shí)，耦合電感上的能量通過N1繞組經(jīng)過二極管D3給負(fù)載充電。假設(shè)輸入網(wǎng)側(cè)電壓為負(fù)，此時(shí)開關(guān)管M1、二極管D1和D4工作。當(dāng)開關(guān)管M1開通時(shí)，輸入端通過二極管D1和開關(guān)管M1給耦合電感充電；當(dāng)開關(guān)管M1關(guān)斷時(shí)，耦合電感上的能量通過N2繞組經(jīng)過二極管D4給負(fù)載充電。因此通過控制開關(guān)管M1和M2，就可以調(diào)制所需要的輸出電壓以及輸入電流波形。

圖1　新型單級(jí)式無(wú)橋buck-boost變換器

可以看出，在任意正負(fù)半周期內(nèi)，當(dāng)開關(guān)管開通時(shí)，導(dǎo)通回路僅有1個(gè)開關(guān)管和1個(gè)二極管構(gòu)成的導(dǎo)通損耗，當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，導(dǎo)通回路僅有1個(gè)二極管的導(dǎo)通損耗。因此，與級(jí)聯(lián)式Buck-boost PFC變換器相比，其功率器件總個(gè)數(shù)和導(dǎo)通回路中的損耗都有很大減少，具體如表1所示。

表1　CBBPFC與S2B3PFC拓?fù)涔β势骷?shù)量對(duì)比

1.2電壓增益推導(dǎo)

采用傳統(tǒng)的CBBPFC變換器，當(dāng)輸出電壓低于輸入電網(wǎng)電壓時(shí)，其工作于buck狀態(tài)。當(dāng)輸入電壓處于峰值時(shí)，開關(guān)管的占空比將會(huì)變得極小，這對(duì)變換器的工作是不利的。例如，單相市電220 V的峰值電壓為311 V，當(dāng)輸出電壓為48 V時(shí)，該變換器的占空比約為0.15，若輸出電壓進(jìn)一步降低，占空比將會(huì)更小。而采用本文所提出的S2B3PFC拓?fù)?，由于引入了耦合電感，可以大大提高電壓的衰減率。

當(dāng)開關(guān)管開通時(shí)，輸入電網(wǎng)電壓給耦合電感充電；當(dāng)開關(guān)管斷開時(shí)，耦合電感的1個(gè)繞組將能量釋放到負(fù)載中。根據(jù)電感的伏秒平衡特性原則，可以得到：

式中，Vg為輸入電壓，Vo為輸出電壓，D為占空比，Ts為開關(guān)周期，n為耦合電感的匝比。

由(1)式可以得到電壓增益，M為：

由電壓增益表達(dá)式可以看出，由于匝數(shù)比n的引入，電壓衰減率可以大大提高，同時(shí)避免了開關(guān)管的占空比工作于極限狀態(tài)，提高了電路的可靠性。

1.3功率器件電壓應(yīng)力分析

假設(shè)所有功率器件為理想原件，由拓?fù)涔ぷ鞯膶?duì)稱性可知，開關(guān)管M1和M2、二極管D1和D2、二極管D3和D4的電壓應(yīng)力分別相同。在此，以半個(gè)正弦周期內(nèi)協(xié)同工作的開關(guān)管M2、二極管D2和D3為例，可分析其電壓應(yīng)力。

當(dāng)開關(guān)管M2開通時(shí)，輸入電壓Vg給耦合電感充電，此時(shí)二極管D3被反向阻斷，其反向電壓為繞組N1上的電壓與輸出電壓之和，即：

當(dāng)開關(guān)管M2關(guān)斷時(shí)，耦合電感的反向感應(yīng)電壓等于(n+2)Vo。此時(shí)，開關(guān)管M2所承受的電壓為耦合電感感應(yīng)電壓與輸入電壓之和，即：

當(dāng)開關(guān)管M2工作時(shí)，二極管D2不承受電壓應(yīng)力，而當(dāng)開關(guān)管M1關(guān)段時(shí)，二極管D2承受的電壓應(yīng)力為耦合電感與輸入電壓之和，即：

2單周期控制的PFC

單周期控制是由KeyueSmedley教授提出的非線性大信號(hào)PWM控制理論[10]。由于其動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、魯棒性強(qiáng)、抗干擾性強(qiáng)、開關(guān)頻率恒定、電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛運(yùn)用于電力電子變換器中。在其運(yùn)用在PFC應(yīng)用中時(shí)，由于取消了傳統(tǒng)PFC控制需要的乘法器，使得整個(gè)控制電路變得簡(jiǎn)單可靠，成本也大大降低。

單周期控制電路的核心部分如圖2所示，由1個(gè)RS觸發(fā)器、1個(gè)比較器、1個(gè)帶自動(dòng)復(fù)位的積分器組成[11]。時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生周期性脈沖用于在每個(gè)開工周期的開始重置觸發(fā)器，在積分器的輸入端信號(hào)v2被積分，其輸出值與信號(hào)v1比較，當(dāng)比較器的2個(gè)輸入信號(hào)相等時(shí)，比較器輸出狀態(tài)反轉(zhuǎn)，從而復(fù)位觸發(fā)器，同時(shí)復(fù)位積分器為零。

圖2　單周期控制核心電路

其工作過程可表達(dá)為：

通過單周期控制電路，控制開關(guān)的PWM占空比，從而實(shí)現(xiàn)v2斬波信號(hào)在每個(gè)開關(guān)周期的平均值等于或者正比于v1信號(hào)。如果選擇積分常數(shù)等于開關(guān)周期，則v2的斬波信號(hào)的平均值在每個(gè)開關(guān)周期里都等于v1，因而占空比可調(diào)制為：

PFC是通過電網(wǎng)側(cè)電流和電壓同相位且保持正弦來(lái)獲得高功率因數(shù)，因而從電網(wǎng)側(cè)看來(lái)，PFC的控制目的就是使變換器本身保持純阻性，即：

式中，vg為網(wǎng)側(cè)電壓，ig為網(wǎng)側(cè)電流，Re為變換器的等效電阻。

由(2)式可得：

將(9)式帶入(8)式，即可得到在本文所提S2B3拓?fù)渲袑?shí)現(xiàn)PFC的控制目標(biāo)為：

給(10)式乘以系數(shù)Rs/Re，Rs為電流檢測(cè)電阻值，可得：

可見，控制目標(biāo)(11)式與單周期控制規(guī)律(7)式的形式相同，故令：

將(12)式代換到單周期控制電路中，即可實(shí)現(xiàn)該拓?fù)涞墓β室驍?shù)校正功能。實(shí)際電路中，有：

可以為開環(huán)給定值，也可以為輸出電壓閉環(huán)控制的調(diào)制值。

3仿真結(jié)果

為了驗(yàn)證S2B3拓?fù)涔ぷ鞯目尚行约癘CC應(yīng)用在該拓?fù)渲袑?shí)現(xiàn)PFC的有效性，運(yùn)用PSIM仿真軟件對(duì)其進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明，該拓?fù)涔ぷ髟砜尚?，OCC運(yùn)用在該拓?fù)鋾r(shí)能夠達(dá)到PFC的目的，同時(shí)可以獲得較高的功率因數(shù)和較低的電流畸變率。仿真參數(shù)如表2所示。

表2　S2B3 PFC仿真參數(shù)表

如圖3所示為OCC工作仿真波形。當(dāng)時(shí)鐘信號(hào)到來(lái)時(shí)，PWM開始輸出高電平，當(dāng)積分器輸出信號(hào)等于給定的信號(hào)v1時(shí)，PWM輸出低電平，這與OCC的理論分析是一致的。

圖4所示為輸出電壓Vo、輸入電壓Vg和電流Ig的仿真波形，可以看出：輸入電流保持了非常高的正弦性，同時(shí)輸入電流和輸入電壓相位一致，仿真測(cè)得功率因數(shù)PF=0.996。圖5所示為輸入電流的頻譜，從頻譜圖中可以看出，電流諧波非常小，仿真結(jié)果所測(cè)總諧波畸變率THD約為3%。

圖3　OCC工作仿真波形

圖4　輸出電壓Vo、輸入電壓Vg和輸入電流Ig仿真波形

圖5　輸入電流Ig頻譜

圖6和圖7分別為負(fù)載增大50%和輸入電壓減小50%情況下的仿真波形。可以看出，在負(fù)載和輸入電壓大范圍波動(dòng)情況下，輸入電流仍能保持很好的正弦性，同時(shí)功率因數(shù)基本不受影響。

圖6　負(fù)載波動(dòng)下的輸出電流Io和輸入電流Ig仿真波形　　　　　圖7　輸入電壓Vg波動(dòng)下的輸入電流Ig仿真波形

4結(jié)論

本文提出了一種適用于低電壓輸出場(chǎng)合的新型單級(jí)式無(wú)橋buck-boost PFC變換器拓?fù)?，具有以下?yōu)點(diǎn)：

1) 所需半導(dǎo)體器件少，降低了成本；

2) 導(dǎo)通路徑上的器件損耗??；

3) 更高的電壓衰減率，避免開關(guān)管工作于占空比極限狀態(tài)；

同時(shí)，采用了單周期控制實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正，不需要傳統(tǒng)控制方法中的乘法器，簡(jiǎn)化了控制電路，節(jié)省了成本。

通過仿真驗(yàn)證了拓?fù)浜涂刂品椒ǖ目尚行院陀行?。因此，該P(yáng)FC變換器由于其高性價(jià)比可以成為適用于低電壓輸出場(chǎng)合的單級(jí)式PFC解決方案。

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《西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)》第33卷第4期(2015年8月)全部28篇論文

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《西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)》第33卷第4期全部28篇論文為Ei Compendex數(shù)據(jù)庫(kù)收錄，Ei編號(hào)為20153801281542至20153801281569。

胡沛泉

2015年10月

Single Stage Bridgeless Buck-Boost PFC Converter for

Low Output Voltage Application

Zhao Ben, Ma Ruiqing

(Department of Automatic Control, Northwestern Ploytechnical University, Xi′an 710072, China)

Abstract:An additional DC-DC converter is needed for traditional boost power factor correction (PFC) converter to obtain low output voltage. When using buck type topology, the distortion of input current is large because no power is transferred to output when gird voltage is lower than output voltage. Thus, the buck-boost type topology becomes priority in the low output voltage application. Compared with the classic cascaded buck-boost PFC converter, the proposed single stage bridgeless buck-boost topology has lower semiconductors counts, and lower devices counts in the conduction loop which means less conduction losses. The tapped inductor is employed to achieve more attenuation. Thus, the proposed topology suits the low output voltage application very well. The One Cycle Control (OCC) is adopted to achieve good dynamic performance and the elimination of multiplier can simplify the control circuit and reduce the cost. The simulated results and their analysis show preliminarily that: (1) the proposed topology is feasible and has the merits of simple structure and less conduction losses; (2) the power factor correction using OCC is reliable and has the advantages of low current distortion and high power factor.

Key words:control, cost reduction, efficiency, electric conductance, electric converters, inductance, low pass filters, pulse width modulation, reliability, switching frequency, topology; bridgeless, buck-boost, OCC(one cycle control), PFC (power factor correction), single stage

中圖分類號(hào)：TM461

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào):1000-2758(2015)05-0757-06

作者簡(jiǎn)介：趙犇(1987—)，西北工業(yè)大學(xué)博士研究生，主要從事電力電子變換器的研究。

收稿日期：2015-04-16