單周控制無橋Pseudo-Boost PFC變換器

曹太強， 黃俊， 王軍， 孫章， 游芳， 羅謙

(1.西華大學電氣信息學院，四川成都610039;2.國家電網公司西藏尼洋河流域水電開發公司，西藏靈芝，860000;3.中國民用航空總局民第二研究所信息公司，四川成都610041)

0 引言

在電力電子設備中，為滿足IEEE－519和IEC 1000－3－2標準，抑制諧波污染，改善電網品質，電網側需要采用功率因數校正(Power Factor Correction，PFC)技術［1－5］。

目前已提出大量PFC變換器電路［1－15］，如橋式Boost PFC 變換器［1］、無橋 Dual－Boost PFC 變換器［2，10－15］等。傳統的橋式 Boost PFC 變換器已得到廣泛應用，但由于存在二極管整流橋，導致變換器的效率較低。Dual－Boost PFC變換器用兩個開關管代替二極管，部分消除了二極管整流橋并提高了變換器的效率，但變換器的電磁干擾問題嚴重。本文研究的無橋Pseudo－Boost PFC［3］變換器，拓撲結構簡單且開關器件數量少，完全消除了二極管整流橋，極大地提高了變換器的效率。

文獻［4］和文獻［13］提出的單周控制技術，開關頻率恒定，能夠實現快速的動態響應，魯棒性好，目前得到廣泛應用［5－8］。文獻［5 －7］和文獻［12 －15］將單周控制應用于PFC變換器，消除了傳統平均電流控制器中的乘法器并降低了成本。由文獻［2］和文獻［8］可知，由于 Dual－Boost PFC變換器輸入電壓電流采樣困難而限制了其在實際中的應用。基于單周控制獨特的優點，適合應用于無橋PFC 變換器［8，13－15］。

本文首先分析了無橋Pseudo－Boost PFC變換器的工作原理及其單周控制的實現原理，給出了數字單周的實現方案。最后通過仿真和實驗結果驗證了無橋Pseudo－Boost PFC變換器可實現功率因數校正功能且效率高。

1 無橋Pseudo－Boost PFC變換器分

如圖1所示無橋Pseudo－Boost PFC變換器由1個開關管S、2個快恢復二極管D1、D2和一個諧振支路Lr、Cr組成。從圖1可知，該變換器拓撲電路完全消除了傳統Boost PFC變換器中的整流橋。

圖1 無橋Pseudo-Boost PFC變換器Fig.1 The converter of bridgeless Pseudo-Boost PFC

在交流輸入電壓正半周和負半周，無橋Pseudo－Boost PFC變換器具有不同的工作模式。在分析時假設:

1)所有器件是理想的;

2)輸出電壓保持恒定;

3)開關頻率遠大于電網頻率;

4)輸入電壓在一個開關周期內可認為恒定不變。

1.1 交流輸入電壓正半周

在交流輸入電壓正半周，無橋 Pseudo－Boost PFC變換器具有3個開關工作模態，如圖2所示。在開關周期開始時刻，諧振電容上的電壓vcr=Δvcr，且存在 Vc＞Δvcr＞0。

1)模態1:如圖2(a)所示，開關周期開始時刻，開關管S導通，升壓電感L兩端電壓等于輸入電壓，電感電流線性上升;諧振電容電壓vcr使二極管D1導通;二極管D2承受直流輸出電壓的反向電壓而關斷，諧振支路發生諧振。

2)模態2:如圖2(b)所示，當諧振電感電流諧振到0時，二極管D1實現零電流關斷，二極管D2承受反壓而不能導通。

3)模態3:如圖2(c)所示，開關管S關斷，由于電感電流iL不能突變，二極管D2為電感電流iL提供續流通路而導通，二極管D1承受反壓而關斷，電感L放電，電容Co充電，諧振電容充電，當諧振電容兩端電壓上升到 Δvcr時，變換器進入下一個開關周期。

圖2 交流輸入電壓正半周變換器工作模態Fig.2 Operating modes with positive input voltage

1.2 交流輸入電壓負半周

在交流輸入電壓負半周，無橋Pseudo－Boost PFC變換器同樣具有3個開關工作模態，如圖3所示。在開關周期開始時刻，諧振電容上的電壓vcr=－Vc－Δvcr。

1)模態1:如圖3(a)所示，開關周期開始時刻，開關管S導通，升壓電感L兩端電壓等于輸入電壓－vg，電感電流iL線性下降;二極管D2承受正向電壓Δvcr而導通，二極管D1承受直流輸出電壓的反向電壓而關斷，諧振支路發生諧振。

2)模態2:如圖3(b)所示，當諧振電感電流iLr諧振到0，二極管D2實現零電流關斷，二極管D1仍承受反壓而不能導通。

3)模態3:如圖3(c)所示，開關管S關斷，由于電感電流iL不能突變，二極管D1為電感電流iL提供續流通路而導通，二極管D2承受直流輸出電壓的反向電壓而關斷，電感L放電，電容Co放電，諧振電容放電，當諧振電容兩端電壓下降到－Vc－Δvcr時，變換器進入下一個開關周期。

圖3 交流輸入電壓負半周變換器的工作模態等效電路Fig.3 Equivalnet circuit of the converter’s operation mode with negative input voltage

2 穩態分析及單周期控制

2.1 穩態分析

應用文獻［9］提出的時間平均等效分析方法，將開關管S和二極管D1等效為受控電壓源，二極管D2等效為受控電流源，其等效電路如圖4所示。分析可知，在交流輸入電壓正半周和負半周內均有

式中:vs1在一個周期內的平均值為Vs1;iD2在一個周期內的平均值為Id2;D為開關管S的穩態占空比;IL為電感電流在一個開關周期內的平均值;Vo為輸出電壓。對無橋Pseudo－Boost PFC變換器進行直流穩態分析，即將電感短路、電容開路，可得

由式(3)可知，無論在交流輸入電壓正半周或是負半周內，無橋Pseudo－Boost PFC變換器的電壓傳輸比與諧振支路參數無關，具有與傳統橋式Boost PFC變換器同樣的特性。

圖4 無橋Pseudo-Boost PFC變換器的受控源等效電路Fig.4 Controllabe source equivalnet circuit of the converter of bridgeless Pseudo-Boost PFC

2.2 數字單周控制原理

由直流穩態分析可知，無論在交流輸入電壓正半周或是負半周內，無橋Pseudo－Boost PFC變換器的電壓傳輸比與諧振支路參數無關，且其電壓傳輸比為|vg|=(1－D)Vo，具有與傳統Boost變換器一樣的特性。假設單位功率因數輸入，則變換器輸入交流側滿足

其中:Re為等效交流輸入電阻;ig為交流側輸入電流。

又|vg|=(1－D)Vo，將式(4)代入，且方程兩邊同乘Rs可得

式中，Rs為電感電流采樣電阻。

令 Vm=RsVo/Re，代入式(5)可得

因此，如果在每個開關周期內占空比D均滿足式(6)，則式(4)成立，即可實現無橋Pseudo－Boost PFC變換器輸入交流側的單位功率因數。由此給出了數字單周控制無橋Pseudo－Boost PFC變換器的實現框圖5。采樣輸出電壓與參考電壓進行比較后，產生誤差電壓e(n)，誤差電壓e(n)經過數字PI調節器后產生控制信號Vm。采樣經過絕對值電路處理后的輸入電流，并送入占空比計算單元，由數字控制算法產生數字PWM。最后經過隔離驅動放大電路，驅動開關管S工作。

圖5 單周控制無橋Pseudo-Boost PFC變換器框圖Fig.4 Block diagram of One Cycle Controlled bridgeless Pseudo-Boost PFC convert

2.3 電路實現條件

1)單周控制穩定的條件

由文獻［8］可知，后沿調制單周控制的穩定條件為

式中:d為瞬態占空比;fs為開關頻率。又 Re=，RMS/Po，代入式(7)，可得

由式(8)可知，單周控制變換器在輕載和較高輸入電壓時，可能存在不穩定。

2)絕對值電路

如式(6)所示，要實現無橋Pseudo－Boost PFC變換器的功率因數校正功能，需要對輸入電流取絕對值。采用一種可適用于高頻寬輸入范圍的絕對值電路，如圖6所示。該絕對值電路由2個運算放大器、2個二極管和若干個電阻電容組成。實驗電路參數: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，二極管D1、D2的型號是FR106，運放選用LT1357。絕對值電路的實驗測試波形如圖7所示，可知該電路可實現高頻信號的絕對值功能。

圖6 絕對值電路Fig.6 Absolute value circuit

圖7 絕對值電路的輸入輸出波形Fig.7 The input/output waveform of the absolute value circuit

3 仿真與實驗驗證

對無橋Pseudo－Boost PFC變換器進行了仿真和實驗研究，實驗電路參數為:負載功率Po=100 W，輸入電壓有效值Vin，RMS=50 V，直流輸出電壓Vc=100 V，儲能電容 C=470 μF，電網頻率 fline=50 Hz，開關頻率f=50 kHz，升壓電感L=1 mH，諧振電感Lr=7.8 μH，諧振電容Cr=330 nF。代入式(8)計算可知，本文設計的變換器在全范圍內穩定。

圖8分別為變換器的輸入電壓、輸入電流及輸出電壓的仿真和實驗波形。從圖可知，變換器的直流輸出電壓穩定，交流輸入電流與輸入電壓波形相位相同，實現了PFC變換器的功能。

圖8 輸入電壓輸入電流和直流輸出電壓的仿真與實驗波形Fig.8 Waveforms of DC output voltage，AC input voltage and AC input current

4 結論

本文研究了一種無橋Pseudo－Boost功率因數校正變換器，理論分析可知該變換器無論在交流輸入電壓正半周或是負半周內，變換器的電壓傳輸比與諧振支路參數無關，具有與傳統Boost變換器的特性，同時具有Boost PFC同樣的升壓功能。詳細分析了該變換器在數字單周控制的實現方案，重點分析了單周期控制的穩定條件及其高頻絕對值電路的實現，通過絕對值電路的實驗測試波形驗證了該電路可實現高頻信號的絕對值功能。

本文搭建了一臺100 W的實驗樣機，實驗表明，該拓撲電路及其單周控制策略的數字控制，具有傳統Boost PFC變換器的特性，變換器直流輸出電壓穩定，交流輸入電流與輸入電壓波形相位相同，能實現功率因數校正，達到單位功率因數。本文所研究的拓撲電路及其控制思想對整流直流電源，特別是LED恒流控制具有一定的指導作用。

［1］ 周雒維，杜雄，謝品芳，等.直流側APF與APF和PFC開關利用率的比較研究［J］.中國電機工程學報，2003，23(8):28－31.

ZHOU Luowei，DU Xiong，XIE Pinfang，et al.Research on switch utilizion ratio of DC side APF in compration with APF and PFC［J］.Proceedings of the CSEE，2003，23(8):28 －31.

［2］ ENJETI P N，MARTINEZ R.A high performance single phase AC to DC rectifier with input power factor correction［C］//Proceeding of IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition，1993，8:190－195.

［3］ SLOBODAN Cuk.True bridgeless PFC converter Achieves over 98%efficiency，0.999 power factor［P］.Power Electronics Technology，Jul.1，2010.

［4］ SMEDLEY K M，SLOBODAN Cuk.One cycle control of switching converters［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，1995，10(6):625－633.

［5］ 陳兵，謝運祥，宋靜嫻.單周控制新型 Buck－PFC變換器［J］.電工技術學報，2008，23(11):79－83.

CHEN Bing，XIE Yunxiang，SONG Jingxian.One-cycle controlled novel Buck-PFC converter［J］.Transactions of China Electrotechnical Society，2008，23(11):79 －83.

［6］ KEYUE M Smedley，Zhou Luowei，Qiao Chongming.Unified constant-frequency integration control of active power filters steadystate and dynamics［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2001，16(3):428 －436.

［7］ 凌雁波.數字單周期控制技術的研究和應用［D］.南京:南京航空航天大學，2009.

［8］ LIU Yaoping，SMEDLEY Keyue.Control of a dual Boost power factor corrector for high power applications［C］//in Proc.IEEE IECON.2003，3:2929－2932.

［9］ XU JianPing.Modelling of switching DC-DC converters by time-averaging equivalent circuit approach［J］.International Journal of E-lectronics，1993:477 －488.

［10］ 馬紅波，鄭聰，馮全源.Twin－Bus型單相離線式LED照明驅動［J］.電機與控制學報，2011，15(3):7－12.

MA Hongbo，ZHENG Cong，FENG Quanyuan.Single phase off line LED lighting system based on Twin-Bus configuration［J］.E-lectric Machines and Control，2011，15(3):7 －12.

［11］ 沈霞，王洪誠，許瑾.基于SEPIC變換器的高功率因數LED照明電源設計［J］.電機與控制學報，2010，14(1):41 －46.

SHEN Xia，WANG Hongcheng，XU Jin.Design of LED lighting power supply with high power factor based on SEPIC converter［J］.Electric Machines and Control，2010，14(1):41 －46.

［12］ 馬紅波.單相離線式高亮度 LED照明驅動的研究與設計［D］.西安:西南交通大學，2012.

［13］ 羅全明，高聰哲，周雒維.一種ZVT無整流橋Boost功率因數校正［J］.電機與控制學報，2010，14(10):44－49.

LUO Quanming，GAO Congzhe，ZHOU Luowei.Zero-voltagetransition bridgeless Boost PFC［J］.Electric Machines and Control，2010，14(10):44 －49.

［14］ 胡瑋，康勇，王學華，等.一種改進型雙升壓功率因數校正電路［J］.電機與控制學報，2013，17(3):40－48.

HU Wei，KANG Yong，WANG Xuehua，et al.Improved dual boost power factor correction converter［J］.Electric Machines and Control，2013，17(3):40 －48.

［15］ 王慧貞，張軍達.一種新型無橋Boost PFC電路［J］.電工技術學報，2010，25(5):109－115.

WANG Huizhen，ZHANG Junda.A bridgeless boost PFC converter［J］.Transactions of China Electrotechnical Society，2010，25(5):109－115.