單周期控制無橋Boost PFC電路分析

1　引言

傳統(tǒng)的AC/DC電路采用不可控整流電路和電解電容濾波以得到波形平滑的直流電壓。由于使用了非線性元件和儲能元件，使得輸入電流波形畸變而包含大量諧波，電網(wǎng)輸入端功率因數(shù)低，只有0.5～0.7左右，因而采取功率因數(shù)校正技術(shù)是必要的。

傳統(tǒng)的有源功率因數(shù)校正電路(APFC)由二極管橋式整流電路加Boost升壓變換器構(gòu)成，如圖1所示。這種APFC電路可得到較高的功率因數(shù)，滿足諧波標(biāo)準(zhǔn)的要求。圖1中，在任一時刻電路中總有三個半導(dǎo)體器件處于工作狀態(tài)。系統(tǒng)的通態(tài)損耗由兩部分組成：前端整流橋中兩個二極管導(dǎo)通壓降帶來的損耗及后級 Boost變換器中功率開關(guān)管或者續(xù)流二極管的導(dǎo)通損耗。隨著變換器功率等級和開關(guān)頻率的提高，系統(tǒng)的通態(tài)損耗顯著增加，整體效率降低。針對這一問題，文獻【1】提出一種同樣具有PFC功能且通態(tài)損耗低的無橋Boost拓撲，如圖2所示。在無橋Boost拓撲中，交流輸入不需經(jīng)過整流橋整流而直接加在輸入端，任一時刻電路中只有兩個半導(dǎo)體器件導(dǎo)通，其一個工頻周期的工作過程如圖3所示。

無橋Boost電路中，開關(guān)管S1、S2驅(qū)動信號相同，兩管同時導(dǎo)通和關(guān)斷。對于工頻交流輸入的正負半周期而言，無橋Boost電路可以等效為兩個電源電壓相反的Boost電路的組合。S1、S2導(dǎo)通時，相當(dāng)于工作在Boost電路的電感儲能過程。開關(guān)管關(guān)斷時，在工頻正半周期內(nèi)，S2反向寄生體二極管與二極管D1導(dǎo)通續(xù)流;負半周期則由S1寄生體二極管與二極管D2完成續(xù)流過程。較傳統(tǒng)的APFC電路，無橋Boost電路中導(dǎo)通器件少，通態(tài)損耗低;同時儲能電感的位置移至交流側(cè)，降低了EMI干擾，適用于中大功率的功率因數(shù)校正電路。

2　功率因數(shù)校正實現(xiàn)方法回顧

功率因數(shù)校正電路通過控制輸入電流跟蹤輸入電壓的變化，不斷調(diào)節(jié)輸入電流波形，使其逼近正弦波，以達到單位功率因數(shù)。常用的控制AC/DC電路實現(xiàn)APFC的方法，根據(jù)采樣變量的形式可以分為電壓型和電流型。

電壓型控制方法也被稱之為“電壓跟隨器”。當(dāng)電路工作在斷續(xù)狀態(tài)(DCM)時，在一個開關(guān)周期內(nèi)保持恒頻恒占空比控制，功率級電路對于電網(wǎng)而言可等效為純阻性負載，則輸入電流跟隨電網(wǎng)電壓，功率因數(shù)近似為1。這種控制模式僅需對輸出電壓采樣，控制電路簡單。但斷續(xù)狀態(tài)下，主電路開關(guān)管上電流應(yīng)力高，EMI干擾大，輸入電流波形有不可避免的畸變【2】。

常見的電流型功率因數(shù)校正有峰值電流型和平均電流型。根據(jù)控制系統(tǒng)理論，對于Boost等二階電路拓撲，為達到最優(yōu)控制效果，一般要求有兩個獨立的反饋控制變量。電流型控制方式采樣電壓和電流信號，對電路進行雙閉環(huán)控制。電流型功率因數(shù)控制電路較為復(fù)雜，一般需要利用傳感器檢測輸入電壓、輸入電流并使用乘法器實現(xiàn)，控制電路成本高。文獻【3】提出的單周期控制方法不需要檢測輸入電壓即可實現(xiàn)功率因數(shù)校正。本文基于單周器控制原理，提出了一種采用單周器控制的無橋Boost電路拓撲，控制電單，理論上可得到單位功率因數(shù)。

3　單周期控制無橋Boost工作原理分析

單周期控制是一種新穎的非線性控制方法。通常對開關(guān)電源等非線性系統(tǒng)采取非線性控制策略，控制效果比較好。單周期控制的基本思想是在每個開關(guān)周期內(nèi)令開關(guān)變量的平均值與控制參考量相等或成比例。單周期控制的優(yōu)點是能夠自動消除一個周期內(nèi)的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)誤差，動態(tài)響應(yīng)快;且由于頻率固定，適宜于PWM控制。單周期控制器由時鐘、鎖存器、帶復(fù)位開關(guān)的積分器和比較器等模擬器件組成。圖4給出了單周期控制的無橋Boost電路拓撲，該拓撲以電感電流和輸出電容電壓為開關(guān)變量對電路閉環(huán)控制實現(xiàn)PFC功能。

為了簡化分析，假定圖4中：1. 輸出濾波電容足夠大，每個開關(guān)周期內(nèi)，輸出可視為電壓源。2. 開關(guān)周期

遠小于電網(wǎng)電壓的工頻周期。

由上文可知，無橋Boost電路在任一時刻的工作狀態(tài)可以等同于一個傳統(tǒng)的單開關(guān)Boost電路。穩(wěn)態(tài)電流連續(xù)的狀態(tài)下，一個開關(guān)周期系統(tǒng)電壓增益為：

為了達到功率因數(shù)校正的目的，PFC控制電路使交流側(cè)輸入電流跟隨輸入電壓，Boost變換器相對于電網(wǎng)呈電阻性，則輸入電流為：

為等效輸入電阻。

穩(wěn)態(tài)時，每個開關(guān)周期內(nèi)以平均電感電流表示輸入電流，綜合(1)、(2)式得到：

當(dāng)(3)式通過控制回路實現(xiàn)時，即可完成功率因數(shù)校正。電流檢測電阻

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