賴昌浩，李志忠，趙付立，鄭宏展

（廣東工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，廣東 廣州 510006）

0 引 言

傳統(tǒng)有源功率因數(shù)校正電路以Boost PFC變換器為代表，因其具有高功率因數(shù)、高效率以及結(jié)構(gòu)和控制簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用[1]。然而，前級(jí)整流橋的正向壓降會(huì)導(dǎo)致電路存在較高的導(dǎo)通損耗，限制了變換器整機(jī)效率的提升。為進(jìn)一步提高效率，有學(xué)者提出了無(wú)橋結(jié)構(gòu)來(lái)降低整流橋帶來(lái)的損耗[2]。目前的無(wú)橋PFC多集中于Boost型電路。無(wú)橋Boost PFC變換器存在后級(jí)功率器件電壓應(yīng)力大的問(wèn)題，增加了導(dǎo)通損耗，并且大多數(shù)直流負(fù)載電壓較低且在很寬范圍內(nèi)變化，無(wú)法直接匹配PFC的輸出電壓，需要加入后級(jí)變換器[3,4]。因此，提出了無(wú)橋Buck PFC變換器，但傳統(tǒng)無(wú)橋Buck PFC變換器存在固有的輸入電流死角，會(huì)惡化輸入電流諧波和功率因數(shù)。本文提出了一種基于單周期控制的新型無(wú)橋Buck PFC變換器，可減小輸入電流死角，并具有開(kāi)關(guān)管應(yīng)力低等優(yōu)點(diǎn)。此外，通過(guò)PSIM仿真軟件驗(yàn)證了該變換器的正確性和可行性。

1 變換器的電路結(jié)構(gòu)與工作原理

本文提出的新型無(wú)橋Buck PFC變換器的電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。電路包括功率電感L，金氧半場(chǎng)效晶體管（MOSFET）S1和S2，不帶反并聯(lián)二極管的絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）S3和S4，輸出濾波電容Co1、Co2以及負(fù)載RL。

圖1 新型無(wú)橋Buck PFC變換器電路結(jié)構(gòu)

變換器主要分為4種工作模態(tài)，具體的工作電路如圖2所示。

工作模態(tài)一的工作電路如圖2（a）所示。當(dāng)交流輸入為正半周期時(shí)，S1和S2同時(shí)導(dǎo)通，S3和S4處于關(guān)閉狀態(tài)。輸入電流經(jīng)過(guò)S1、S2以及功率電感L，通過(guò)中性線構(gòu)成回路，對(duì)功率電感L進(jìn)行儲(chǔ)能。同時(shí)直流母線輸出濾波電容Co1和Co2向負(fù)載RL供能。

工作模態(tài)二的工作電路如圖2（b）所示。當(dāng)S1和S2同時(shí)關(guān)斷時(shí)，由輸入電壓檢測(cè)電路檢測(cè)到交流輸入為正半周期，驅(qū)動(dòng)模塊輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)給S3使其導(dǎo)通，此時(shí)S1、S2以及S4處于關(guān)閉狀態(tài)。功率電感L釋放能量，電感電流線性下降，電流經(jīng)過(guò)直流母線輸出濾波電容Co2和S3構(gòu)成回路，對(duì)濾波電容Co2進(jìn)行充電。同時(shí)直流母線輸出濾波電容Co1和Co2向負(fù)載RL供能。

圖2 無(wú)橋Buck PFC變換器工作模態(tài)分析

工作模態(tài)三的工作電路如圖2（c）所示。當(dāng)交流輸入為負(fù)半周期時(shí)與正半周期時(shí)類似，S1和S2同時(shí)導(dǎo)通，S3和S4處于關(guān)閉狀態(tài)。輸入電流經(jīng)過(guò)S1、S2以及功率電感L，通過(guò)中性線構(gòu)成回路，對(duì)功率電感L進(jìn)行儲(chǔ)能。同時(shí)直流母線輸出濾波電容Co1和Co2向負(fù)載RL供能。

工作模態(tài)四的工作電路如圖2（d）所示。當(dāng)S1和S2同時(shí)關(guān)斷時(shí)，由輸入電壓檢測(cè)電路檢測(cè)到交流輸入為負(fù)半周期，驅(qū)動(dòng)模塊輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)給S4使其導(dǎo)通，此時(shí)S1、S2以及S3處于關(guān)閉狀態(tài)。功率電感L釋放能量，電感電流線性下降，電流經(jīng)過(guò)直流母線輸出濾波電容Co1和S4構(gòu)成回路，對(duì)濾波電容Co1進(jìn)行充電。同時(shí)直流母線輸出濾波電容Co1和Co2向負(fù)載RL供能。

2 單周期控制策略

目前，PFC變換器控制策略包括平均電流控制策略、峰值電流控制策略、滯環(huán)電流控制策略、單周期控制策略以及空間矢量PWM控制策略[5]。由于單周期控制策略具有控制算法簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)以及動(dòng)態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，因此本文采用單周期控制策略。

根據(jù)功率因數(shù)校正電路的工作原理，輸入電壓和輸入電流波形都是正弦且同相位，因此可以將變換器輸入阻抗等效為純電阻Req，表達(dá)式為：式中，Req為輸入等效電阻；Uin為整流器輸入電壓；iin為變換器輸入電流。

在電感電流連續(xù)模式下，變換器輸入電壓Uin和輸出電壓Uo之間的關(guān)系為：

式中，D為一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)的占空比。聯(lián)立式（1）和式（2）整理可得：

將式（3）兩邊同時(shí)乘以電感電流檢測(cè)電阻Rs，進(jìn)行整理可得：

由式（4）可知，Rs和Req為定值。設(shè)誤差放大器的誤差電壓值為vm，在理論情況下，vm與輸出電壓Uo成比例關(guān)系，因此vm可表示為：

聯(lián)立式（4）和式（5）可得：

式（6）為基于單周期控制的新型無(wú)橋Buck PFC變換器的核心控制方程。只要占空比D滿足式（6），即可使得變換器輸入電流波形追蹤輸入電壓波形的變化且相位一致，從而實(shí)現(xiàn)單位功率因素的校正。

3 仿真與分析

為了驗(yàn)證拓?fù)涞目尚行裕疚幕赑SIM仿真軟件仿真無(wú)橋Buck PFC變換器，仿真參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 無(wú)橋Buck PFC變換器仿真參數(shù)

根據(jù)表1的電路參數(shù)，利用PSIM仿真軟件進(jìn)行建模，調(diào)節(jié)環(huán)路參數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓，并且與傳統(tǒng)的無(wú)橋Buck PFC變換器進(jìn)行了對(duì)比，具體的仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 仿真結(jié)果

由圖3（b）可知，變換器工作在DCM模式，輸入電流跟隨輸入電壓波形的變化，跟蹤效果比較好。輸入電壓為市電220 V交流，為了方便觀察，輸入電壓波形應(yīng)乘以0.03倍。對(duì)比圖3（a）和圖3（b）可知，傳統(tǒng)的無(wú)橋Buck PFC變換器存在電流死角的問(wèn)題，會(huì)降低變換器的PF值，而本文提出的新型無(wú)橋Buck PFC變換器明顯減小了輸入電流死角，可進(jìn)一步提高功率因數(shù)。由圖3（c）可以看出，變換器可實(shí)現(xiàn)降壓輸出，輸出電壓為48 V，可直接用于設(shè)備的供電。輸出電壓可通過(guò)調(diào)節(jié)控制參數(shù)來(lái)滿足輸出要求。

4 結(jié) 論

傳統(tǒng)無(wú)橋Buck PFC變換器中的輸入電流死角問(wèn)題會(huì)惡化變換器的輸入電流諧波和功率因數(shù)。為了減小輸入電流死角，本文提出了一種基于單周期控制的新型無(wú)橋Buck PFC變換器。仿真結(jié)果表明，該變換器明顯減小了輸入電流死角，并且輸入電流明顯跟隨輸入電壓的變化，可實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正。此外，變換器能在較寬負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)單級(jí)的降壓輸出，無(wú)須加入后級(jí)，降低了設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，適用于多種應(yīng)用場(chǎng)合具有較高的應(yīng)用價(jià)值。