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(wǎng)公司西藏尼洋河流域水電開發(fā)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(wǎng)品質(zhì)，電網(wǎng)側(cè)需要采用功率因數(shù)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(tǒng)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(jié)構(gòu)簡單且開關器件數(shù)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?qū)崿F(xiàn)快速的動態(tài)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(tǒng)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(yōu)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(xiàn)原理，給出了數(shù)字單周的實現(xiàn)方案。最后通過仿真和實驗結(jié)果驗證了無橋Pseudo－Boost PFC變換器可實現(xiàn)功率因數(shù)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(tǒng)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(wǎng)頻率;

4)輸入電壓在一個開關周期內(nèi)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(tài)，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(tài)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(fā)生諧振。

2)模態(tài)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(xiàn)零電流關斷，二極管D2承受反壓而不能導通。

3)模態(tài)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(xù)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(tài)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(tài)，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(tài)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(fā)生諧振。

2)模態(tài)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(xiàn)零電流關斷，二極管D1仍承受反壓而不能導通。

3)模態(tài)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(xù)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(tài)等效電路Fig.3 Equivalnet circuit of the converter’s operation mode with negative input voltage

2 穩(wěn)態(tài)分析及單周期控制

2.1 穩(wěn)態(tài)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(nèi)均有

式中:vs1在一個周期內(nèi)的平均值為Vs1;iD2在一個周期內(nèi)的平均值為Id2;D為開關管S的穩(wěn)態(tài)占空比;IL為電感電流在一個開關周期內(nèi)的平均值;Vo為輸出電壓。對無橋Pseudo－Boost PFC變換器進行直流穩(wěn)態(tài)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(nèi)，無橋Pseudo－Boost PFC變換器的電壓傳輸比與諧振支路參數(shù)無關，具有與傳統(tǒng)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(shù)字單周控制原理

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

其中:Re為等效交流輸入電阻;ig為交流側(cè)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(nèi)占空比D均滿足式(6)，則式(4)成立，即可實現(xiàn)無橋Pseudo－Boost PFC變換器輸入交流側(cè)的單位功率因數(shù)。由此給出了數(shù)字單周控制無橋Pseudo－Boost PFC變換器的實現(xiàn)框圖5。采樣輸出電壓與參考電壓進行比較后，產(chǎn)生誤差電壓e(n)，誤差電壓e(n)經(jīng)過數(shù)字PI調(diào)節(jié)器后產(chǎn)生控制信號Vm。采樣經(jīng)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(shù)字控制算法產(chǎn)生數(shù)字PWM。最后經(jīng)過隔離驅(qū)動放大電路，驅(qū)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(xiàn)條件

1)單周控制穩(wěn)定的條件

由文獻［8］可知，后沿調(diào)制單周控制的穩(wěn)定條件為

式中:d為瞬態(tài)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(wěn)定。

2)絕對值電路

如式(6)所示，要實現(xiàn)無橋Pseudo－Boost PFC變換器的功率因數(shù)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(shù):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(xiàn)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(shù)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(wǎng)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(nèi)穩(wěn)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(wěn)定，交流輸入電流與輸入電壓波形相位相同，實現(xiàn)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(jié)論

本文研究了一種無橋Pseudo－Boost功率因數(shù)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(nèi)，變換器的電壓傳輸比與諧振支路參數(shù)無關，具有與傳統(tǒng)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(shù)字單周控制的實現(xiàn)方案，重點分析了單周期控制的穩(wěn)定條件及其高頻絕對值電路的實現(xiàn)，通過絕對值電路的實驗測試波形驗證了該電路可實現(xiàn)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(shù)字控制，具有傳統(tǒng)Boost PFC變換器的特性，變換器直流輸出電壓穩(wěn)定，交流輸入電流與輸入電壓波形相位相同，能實現(xiàn)功率因數(shù)校正，達到單位功率因數(shù)。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。

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