基于單周期控制的新型無橋Buck PFC變換器

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)和控制簡單等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用[1]。然而，前級整流橋的正向壓降會導(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)者提出了無橋結(jié)構(gòu)來降低整流橋帶來的損耗[2]。目前的無橋PFC多集中于Boost型電路。無橋Boost PFC變換器存在后級功率器件電壓應(yīng)力大的問題，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，無法直接匹配PFC的輸出電壓，需要加入后級變換器[3,4]。因此，提出了無橋Buck PFC變換器，但傳統(tǒng)無橋Buck PFC變換器存在固有的輸入電流死角，會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橋Buck PFC變換器，可減小輸入電流死角，并具有開關(guān)管應(yīng)力低等優(yōu)點(diǎn)。此外，通過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，S1和S2同時導(dǎo)通，S3和S4處于關(guān)閉狀態(tài)。輸入電流經(jīng)過S1、S2以及功率電感L，通過中性線構(gòu)成回路，對功率電感L進(jìn)行儲能。同時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同時關(guān)斷時，由輸入電壓檢測電路檢測到交流輸入為正半周期，驅(qū)動模塊輸出驅(qū)動信號給S3使其導(dǎo)通，此時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)過直流母線輸出濾波電容Co2和S3構(gòu)成回路，對濾波電容Co2進(jìn)行充電。同時直流母線輸出濾波電容Co1和Co2向負(fù)載RL供能。

圖2 無橋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)半周期時與正半周期時類似，S1和S2同時導(dǎo)通，S3和S4處于關(guān)閉狀態(tài)。輸入電流經(jīng)過S1、S2以及功率電感L，通過中性線構(gòu)成回路，對功率電感L進(jìn)行儲能。同時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同時關(guān)斷時，由輸入電壓檢測電路檢測到交流輸入為負(fù)半周期，驅(qū)動模塊輸出驅(qū)動信號給S4使其導(dǎo)通，此時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)過直流母線輸出濾波電容Co1和S4構(gòu)成回路，對濾波電容Co1進(jìn)行充電。同時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單、抗干擾能力強(qiáng)以及動態(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為一個開關(guān)周期內(nèi)的占空比。聯(lián)立式（1）和式（2）整理可得：

將式（3）兩邊同時乘以電感電流檢測電阻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仿真軟件仿真無橋Buck PFC變換器，仿真參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 無橋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)來調(diào)節(jié)輸出電壓，并且與傳統(tǒng)的無橋Buck PFC變換器進(jìn)行了對比，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。對比圖3（a）和圖3（b）可知，傳統(tǒng)的無橋Buck PFC變換器存在電流死角的問題，會降低變換器的PF值，而本文提出的新型無橋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。輸出電壓可通過調(diào)節(jié)控制參數(shù)來滿足輸出要求。

4 結(jié) 論

傳統(tǒng)無橋Buck PFC變換器中的輸入電流死角問題會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)單級的降壓輸出，無須加入后級，降低了設(shè)計的復(fù)雜度，適用于多種應(yīng)用場合具有較高的應(yīng)用價值。