基于單周期控制的改進型無橋boost PFC 電路研究

楊帥+王世榮+李金峰+劉超

摘 要：整流橋在傳統的PFC（PowerFactor Correction，PFC）電路拓撲中不可或缺，但其所需元件數量較多，通態損耗問題嚴重，電路的轉換效率受到極大的制約。boost PFC電路是一種升壓轉換電路，在此拓撲結構基礎上，文章構造了一種改進的無橋boost PFC電路，介紹了其工作模式，采用單周期控制算法在仿真平臺上驗證了該電路的有效性。仿真證實了所提出結構和控制方法的可行性，得到輸出電壓更平穩，控制簡單但效率更高。

關鍵詞：無橋；boost PFC（PowerFactor Correction，PFC）；單周期控制算法

中圖分類號： TM13 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）21-0021-02

近幾十年來科學技術發展突飛猛進，電力電子技術得到了迅速提高，電力電子器件的發展更是突飛猛進，它們被廣泛運用到電網建設當中。在享受著先進技術帶來的便利時，也同樣遭受著其產生的附加影響，尤為嚴重的是諧波污染，這些諧波會進入到電網中從而引起電網電力質量污染，嚴重影響電能利用率。為了解決這些問題，綠色、高效的電力電子技術和設備的研究發展擺在了科研人員面前。PFC電路作為功率校正裝置可以有效改變電能質量，故研究效率高、PF接近于1的PFC變換電路更是工業界和學術界當前的急需解決的問題。

傳統的PFC電路各種功率器件的應用數量較多，相應的功率耗損就會增加。針對此弊端，不斷有無橋PFC拓撲結構被提出。因為無橋電路的拓撲結構無整流橋，使用的器件少，類似開關耗損就會減少。本文利用了傳統電路拓撲，通過在傳統的基礎上不斷改進發展出一種本文提出的boost PFC電路，詳細說明了其拓撲結構及其電流轉換時的工作原理。為了取得理想效果，運用了經典的單周期控制，并對控制原理做了詳細說明，最后進行了仿真驗證。

1 新型無橋Boost PFC電路的工作原理

如圖1所示，為組成一個單級交流變直流的AC/DC整流電路，我們將無橋Boost PFC電路的交流測與交流電源直接相連，其中開關S是電路中的有源元件，而且位于交流測，因而其必備的一點就是足夠高的開關頻率，應比輸入電壓頻率高，至少是三個數量級。

MOSFET具有多種優點其開關頻率好，通態損耗較低，故在高頻電力電子領域中十分運用廣泛。因為MOS是單極性晶體管，只能單向導通，所以將兩個MOSFET的源極串連相接用以實現開關S的功能，開關所用的驅動信號使用同一個即可。其電路如圖2所示。

為了有效降低功率損耗，在此電路中消除了整流橋。當交流電源發出的交流電在正半周時，流過L的電流為正。在此周期內可以分成兩個階段：第一階段是開關管S1導通時，此刻電流通過電感L，因為開關管S1導通，故電流流過S1以及和S2并聯的二極管，此階段電感線圈L持續儲能。在S1導通時刻，電容Cr、電感Lr以及二極管D1共同組成諧振電路。電容Cr上的能量轉移到電感Lr上，這時提供電能給負載R的是電容C。第二階段是開關管S1關閉時，此刻電源電流流過電感L以后，直接流過電感Lr和二極管D2向負載R提供電能。因為電感L儲存的電能及不能突變的特性，所以負載R的電壓為電源和L二者之和，實現了電壓的調節。此時，電容C與電容Cr不再提供電能而是充電，儲能電感L的能量也不斷減少。當電路處于負半周期時，電流的流向與正半周期時反向，但工作原理相同。

2 單周期控制策略

為了使變換電路可以具有較好的動態指標，電路的控制算法的使用上將采用單周期控制策略（One Cycle Control，OCC）。單周期技術的原理是在單一開關周期之中采用調節開關占空比，使開關的變化量與控制參考量的值相等或成正比，以降低甚至消除穩態及暫態誤差。

比較器、復位開關S2、觸發器和積分器共同構成了電路中的單周期策略控制裝置，時鐘脈沖每次一出現，便使觸發器Q端置1，控制開關S1開通，S2處于關斷狀態，■置為0。經過積分器的不斷積分，當積分器輸出量Vint和控制參考量Vref相等，則高速比較器的輸出于復位端R，其對應的Q端就會置為0，端置為1，此時因為Q端為0，則使控制開關S1處于關斷狀態，復位開關S2就會置于導通狀態。下一個脈沖到來之后，則下一周期重新開始，如圖3、圖4所示。

正如圖4中所示：Vi=Vo（0

Vref=Vidt=Vodt=Vodt

公式右邊乘以可得到Vref=Vodt，Vo的平均值和控制參考量Vref相等，控制參考量Vref是給定的，單周期的控制目標得以實現。此外，在脈寬和頻率上，Vo與開關函數一致，且Vo的包絡和輸入信號Vi相同。控制參考信號Vref調制開關的占空比d。

3 單周期算法下的新型無橋 Boost PFC電路仿真

通過以上的電路的分析和控制算法的分析后，在Matlab軟件中對其可行性進行了仿真研究。經過搭建模型后在Simulink平臺的仿真結果如下：

如圖5所示，電路仿真的輸入電壓和輸入電流的波形。分析該圖可知，其交流端的輸入電流以及輸入電壓在相位上基本保持一致，且諧波含量較少，從而保證功率因數值處于較高點，接近于1。

如圖6所示，電路仿真的直流輸出電壓波形。通過分析波形曲線可知，新型電路的輸出電壓值穩定，波形穩定快，紋波小，與預期分析的理想效果基本吻合。

4 結束語

文中提出了一種新型的無整流橋、基于單周期控制的Boost PFC電路。仿真結果表明，此電路符合預期的理論分析，轉換后的輸出電壓穩定，電路的輸入電流、電壓相位一致，且紋波小，電路轉換效率高。本文所分析的都是較為理想的狀態，有關電磁兼容的問題有待進一步的研究。

參考文獻：

[1]溫向宇，趙麗平，李健華，等.新型單周期控制的無橋Boost PFC變換器[J].電源學報，2014，12（1）：91-95.

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