單周期控制無橋Boost PFC電路分析

1　引言

傳統的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，電網輸入端功率因數低，只有0.5～0.7左右，因而采取功率因數校正技術是必要的。

傳統的有源功率因數校正電路(APFC)由二極管橋式整流電路加Boost升壓變換器構成，如圖1所示。這種APFC電路可得到較高的功率因數，滿足諧波標準的要求。圖1中，在任一時刻電路中總有三個半導體器件處于工作狀態(tài)。系統的通態(tài)損耗由兩部分組成：前端整流橋中兩個二極管導通壓降帶來的損耗及后級 Boost變換器中功率開關管或者續(xù)流二極管的導通損耗。隨著變換器功率等級和開關頻率的提高，系統的通態(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體器件導通，其一個工頻周期的工作過程如圖3所示。

無橋Boost電路中，開關管S1、S2驅動信號相同，兩管同時導通和關斷。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導通時，相當于工作在Boost電路的電感儲能過程。開關管關斷時，在工頻正半周期內，S2反向寄生體二極管與二極管D1導通續(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。較傳統的APFC電路，無橋Boost電路中導通器件少，通態(tài)損耗低;同時儲能電感的位置移至交流側，降低了EMI干擾，適用于中大功率的功率因數校正電路。

2　功率因數校正實現方法回顧

功率因數校正電路通過控制輸入電流跟蹤輸入電壓的變化，不斷調節(jié)輸入電流波形，使其逼近正弦波，以達到單位功率因數。常用的控制AC/DC電路實現APFC的方法，根據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”。當電路工作在斷續(xù)狀態(tài)(DCM)時，在一個開關周期內保持恒頻恒占空比控制，功率級電路對于電網而言可等效為純阻性負載，則輸入電流跟隨電網電壓，功率因數近似為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，主電路開關管上電流應力高，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校正有峰值電流型和平均電流型。根據控制系統理論，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。電流型功率因數控制電路較為復雜，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，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功率因數校正。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。

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。通常對開關電源等非線性系統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周期內令開關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的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)誤差，動態(tài)響應快;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、帶復位開關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變量對電路閉環(huán)控制實現PFC功能。

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

遠小于電網電壓的工頻周期。

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的單開關Boost電路。穩(wěn)態(tài)電流連續(xù)的狀態(tài)下，一個開關周期系統電壓增益為：

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

為等效輸入電阻。

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

當(3)式通過控制回路實現時，即可完成功率因數校正。電流檢測電阻

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