单周控制无桥Pseudo-Boost PFC变换器

曹太强， 黄俊， 王军， 孙章， 游芳， 罗谦

(1.西华大学电气信息学院，四川成都610039;2.国家电网公司西藏尼洋河流域水电开发公司，西藏灵芝，860000;3.中国民用航空总局民第二研究所信息公司，四川成都610041)

0 引言

在电力电子设备中，为满足IEEE－519和IEC 1000－3－2标准，抑制谐波污染，改善电网品质，电网侧需要采用功率因数校正(Power Factor Correction，PFC)技术［1－5］。

目前已提出大量PFC变换器电路［1－15］，如桥式Boost PFC 变换器［1］、无桥 Dual－Boost PFC 变换器［2，10－15］等。传统的桥式 Boost PFC 变换器已得到广泛应用，但由于存在二极管整流桥，导致变换器的效率较低。Dual－Boost PFC变换器用两个开关管代替二极管，部分消除了二极管整流桥并提高了变换器的效率，但变换器的电磁干扰问题严重。本文研究的无桥Pseudo－Boost PFC［3］变换器，拓扑结构简单且开关器件数量少，完全消除了二极管整流桥，极大地提高了变换器的效率。

文献［4］和文献［13］提出的单周控制技术，开关频率恒定，能够实现快速的动态响应，鲁棒性好，目前得到广泛应用［5－8］。文献［5 －7］和文献［12 －15］将单周控制应用于PFC变换器，消除了传统平均电流控制器中的乘法器并降低了成本。由文献［2］和文献［8］可知，由于 Dual－Boost PFC变换器输入电压电流采样困难而限制了其在实际中的应用。基于单周控制独特的优点，适合应用于无桥PFC 变换器［8，13－15］。

本文首先分析了无桥Pseudo－Boost PFC变换器的工作原理及其单周控制的实现原理，给出了数字单周的实现方案。最后通过仿真和实验结果验证了无桥Pseudo－Boost PFC变换器可实现功率因数校正功能且效率高。

1 无桥Pseudo－Boost PFC变换器分

如图1所示无桥Pseudo－Boost PFC变换器由1个开关管S、2个快恢复二极管D1、D2和一个谐振支路Lr、Cr组成。从图1可知，该变换器拓扑电路完全消除了传统Boost PFC变换器中的整流桥。

图1 无桥Pseudo-Boost PFC变换器Fig.1 The converter of bridgeless Pseudo-Boost PFC

在交流输入电压正半周和负半周，无桥Pseudo－Boost PFC变换器具有不同的工作模式。在分析时假设:

1)所有器件是理想的;

2)输出电压保持恒定;

3)开关频率远大于电网频率;

4)输入电压在一个开关周期内可认为恒定不变。

1.1 交流输入电压正半周

在交流输入电压正半周，无桥 Pseudo－Boost PFC变换器具有3个开关工作模态，如图2所示。在开关周期开始时刻，谐振电容上的电压vcr=Δvcr，且存在 Vc＞Δvcr＞0。

1)模态1:如图2(a)所示，开关周期开始时刻，开关管S导通，升压电感L两端电压等于输入电压，电感电流线性上升;谐振电容电压vcr使二极管D1导通;二极管D2承受直流输出电压的反向电压而关断，谐振支路发生谐振。

2)模态2:如图2(b)所示，当谐振电感电流谐振到0时，二极管D1实现零电流关断，二极管D2承受反压而不能导通。

3)模态3:如图2(c)所示，开关管S关断，由于电感电流iL不能突变，二极管D2为电感电流iL提供续流通路而导通，二极管D1承受反压而关断，电感L放电，电容Co充电，谐振电容充电，当谐振电容两端电压上升到 Δvcr时，变换器进入下一个开关周期。

图2 交流输入电压正半周变换器工作模态Fig.2 Operating modes with positive input voltage

1.2 交流输入电压负半周

在交流输入电压负半周，无桥Pseudo－Boost PFC变换器同样具有3个开关工作模态，如图3所示。在开关周期开始时刻，谐振电容上的电压vcr=－Vc－Δvcr。

1)模态1:如图3(a)所示，开关周期开始时刻，开关管S导通，升压电感L两端电压等于输入电压－vg，电感电流iL线性下降;二极管D2承受正向电压Δvcr而导通，二极管D1承受直流输出电压的反向电压而关断，谐振支路发生谐振。

2)模态2:如图3(b)所示，当谐振电感电流iLr谐振到0，二极管D2实现零电流关断，二极管D1仍承受反压而不能导通。

3)模态3:如图3(c)所示，开关管S关断，由于电感电流iL不能突变，二极管D1为电感电流iL提供续流通路而导通，二极管D2承受直流输出电压的反向电压而关断，电感L放电，电容Co放电，谐振电容放电，当谐振电容两端电压下降到－Vc－Δvcr时，变换器进入下一个开关周期。

图3 交流输入电压负半周变换器的工作模态等效电路Fig.3 Equivalnet circuit of the converter’s operation mode with negative input voltage

2 稳态分析及单周期控制

2.1 稳态分析

应用文献［9］提出的时间平均等效分析方法，将开关管S和二极管D1等效为受控电压源，二极管D2等效为受控电流源，其等效电路如图4所示。分析可知，在交流输入电压正半周和负半周内均有

式中:vs1在一个周期内的平均值为Vs1;iD2在一个周期内的平均值为Id2;D为开关管S的稳态占空比;IL为电感电流在一个开关周期内的平均值;Vo为输出电压。对无桥Pseudo－Boost PFC变换器进行直流稳态分析，即将电感短路、电容开路，可得

由式(3)可知，无论在交流输入电压正半周或是负半周内，无桥Pseudo－Boost PFC变换器的电压传输比与谐振支路参数无关，具有与传统桥式Boost PFC变换器同样的特性。

图4 无桥Pseudo-Boost PFC变换器的受控源等效电路Fig.4 Controllabe source equivalnet circuit of the converter of bridgeless Pseudo-Boost PFC

2.2 数字单周控制原理

由直流稳态分析可知，无论在交流输入电压正半周或是负半周内，无桥Pseudo－Boost PFC变换器的电压传输比与谐振支路参数无关，且其电压传输比为|vg|=(1－D)Vo，具有与传统Boost变换器一样的特性。假设单位功率因数输入，则变换器输入交流侧满足

其中:Re为等效交流输入电阻;ig为交流侧输入电流。

又|vg|=(1－D)Vo，将式(4)代入，且方程两边同乘Rs可得

式中，Rs为电感电流采样电阻。

令 Vm=RsVo/Re，代入式(5)可得

因此，如果在每个开关周期内占空比D均满足式(6)，则式(4)成立，即可实现无桥Pseudo－Boost PFC变换器输入交流侧的单位功率因数。由此给出了数字单周控制无桥Pseudo－Boost PFC变换器的实现框图5。采样输出电压与参考电压进行比较后，产生误差电压e(n)，误差电压e(n)经过数字PI调节器后产生控制信号Vm。采样经过绝对值电路处理后的输入电流，并送入占空比计算单元，由数字控制算法产生数字PWM。最后经过隔离驱动放大电路，驱动开关管S工作。

图5 单周控制无桥Pseudo-Boost PFC变换器框图Fig.4 Block diagram of One Cycle Controlled bridgeless Pseudo-Boost PFC convert

2.3 电路实现条件

1)单周控制稳定的条件

由文献［8］可知，后沿调制单周控制的稳定条件为

式中:d为瞬态占空比;fs为开关频率。又 Re=，RMS/Po，代入式(7)，可得

由式(8)可知，单周控制变换器在轻载和较高输入电压时，可能存在不稳定。

2)绝对值电路

如式(6)所示，要实现无桥Pseudo－Boost PFC变换器的功率因数校正功能，需要对输入电流取绝对值。采用一种可适用于高频宽输入范围的绝对值电路，如图6所示。该绝对值电路由2个运算放大器、2个二极管和若干个电阻电容组成。实验电路参数:R1=4.7 kΩ，R2=4.7 kΩ，R3=4.7 kΩ，R4=470 Ω，R5=470 Ω，R6=5.3 kΩ，R7=5.6 kΩ，R8=5.6 kΩ，R9=5.6 kΩ，C1=10 pF，C2=10 pF，二极管D1、D2的型号是FR106，运放选用LT1357。绝对值电路的实验测试波形如图7所示，可知该电路可实现高频信号的绝对值功能。

图6 绝对值电路Fig.6 Absolute value circuit

图7 绝对值电路的输入输出波形Fig.7 The input/output waveform of the absolute value circuit

3 仿真与实验验证

对无桥Pseudo－Boost PFC变换器进行了仿真和实验研究，实验电路参数为:负载功率Po=100 W，输入电压有效值Vin，RMS=50 V，直流输出电压Vc=100 V，储能电容 C=470 μF，电网频率 fline=50 Hz，开关频率f=50 kHz，升压电感L=1 mH，谐振电感Lr=7.8 μH，谐振电容Cr=330 nF。代入式(8)计算可知，本文设计的变换器在全范围内稳定。

图8分别为变换器的输入电压、输入电流及输出电压的仿真和实验波形。从图可知，变换器的直流输出电压稳定，交流输入电流与输入电压波形相位相同，实现了PFC变换器的功能。

图8 输入电压输入电流和直流输出电压的仿真与实验波形Fig.8 Waveforms of DC output voltage，AC input voltage and AC input current

4 结论

本文研究了一种无桥Pseudo－Boost功率因数校正变换器，理论分析可知该变换器无论在交流输入电压正半周或是负半周内，变换器的电压传输比与谐振支路参数无关，具有与传统Boost变换器的特性，同时具有Boost PFC同样的升压功能。详细分析了该变换器在数字单周控制的实现方案，重点分析了单周期控制的稳定条件及其高频绝对值电路的实现，通过绝对值电路的实验测试波形验证了该电路可实现高频信号的绝对值功能。

本文搭建了一台100 W的实验样机，实验表明，该拓扑电路及其单周控制策略的数字控制，具有传统Boost PFC变换器的特性，变换器直流输出电压稳定，交流输入电流与输入电压波形相位相同，能实现功率因数校正，达到单位功率因数。本文所研究的拓扑电路及其控制思想对整流直流电源，特别是LED恒流控制具有一定的指导作用。

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