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(chǔ)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(shí)刻電路中總有三個(gè)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(gè)二極管導(dǎo)通壓降帶來的損耗及后級(jí) 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(jí)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(duì)這一問題，文獻(xiàn)【1】提出一種同樣具有PFC功能且通態(tài)損耗低的無(wú)橋Boost拓?fù)�，如圖2所示。在無(wú)橋Boost拓?fù)渲�，交流輸入不需�?jīng)過整流橋整流而直接加在輸入端，任一時(shí)刻電路中只有兩個(gè)半導(dǎo)體器件導(dǎo)通，其一個(gè)工頻周期的工作過程如圖3所示。
無(wú)橋Boost電路中，開關(guān)管S1、S2驅(qū)動(dòng)信號(hào)相同，兩管同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷。對(duì)于工頻交流輸入的正負(fù)半周期而言，無(wú)橋Boost電路可以等效為兩個(gè)電源電壓相反的Boost電路的組合。S1、S2導(dǎo)通時(shí)，相當(dāng)于工作在Boost電路的電感儲(chǔ)能過程。開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，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(fù)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(wú)橋Boost電路中導(dǎo)通器件少，通態(tài)損耗低;同時(shí)儲(chǔ)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(shí)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(dá)到單位功率因數(shù)。常用的控制AC/DC電路實(shí)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(shí)，在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)保持恒頻恒占空比控制，功率級(jí)電路對(duì)于電網(wǎng)而言可等效為純阻性負(fù)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(duì)輸出電壓采樣，控制電路簡(jiǎn)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(duì)于Boost等二階電路拓?fù)�，為達(dá)到最優(yōu)控制效果，一般要求有兩個(gè)獨(dú)立的反饋控制變量。電流型控制方式采樣電壓和電流信號(hào)，對(duì)電路進(jìn)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(cè)輸入電壓、輸入電流并使用乘法器實(shí)現(xiàn)，控制電路成本高。文獻(xiàn)【3】提出的單周期控制方法不需要檢測(cè)輸入電壓即可實(shí)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(wú)橋Boost電路拓?fù)�，控制電單，理論上可得到單位功率因�?shù)。
3 單周期控制無(wú)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(duì)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(gè)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(diǎn)是能夠自動(dòng)消除一個(gè)周期內(nèi)的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)誤差，動(dòng)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(shí)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(wú)橋Boost電路拓?fù)�，該拓�(fù)湟噪姼须娏骱洼敵鲭娙蓦妷簽殚_關(guān)變量對(duì)電路閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)PFC功能。
為了簡(jiǎn)化分析，假定圖4中：1. 輸出濾波電容足夠大，每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，輸出可視為電壓源。2. 開關(guān)周期
遠(yuǎn)小于電網(wǎng)電壓的工頻周期。
由上文可知，無(wú)橋Boost電路在任一時(shí)刻的工作狀態(tài)可以等同于一個(gè)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(gè)開關(guān)周期系統(tǒng)電壓增益為：
為了達(dá)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(duì)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(shí)，每個(gè)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：
(3)式通過控制回路實(shí)現(xiàn)時(shí)，即可完成功率因數(shù)校正。電流檢測(cè)電阻
可位于流經(jīng)電感電流回路的任一位置處。由于無(wú)橋Boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特殊性，輸入端電流是交變的，若在交流輸入端直接電流采樣，檢測(cè)信號(hào)需經(jīng)整流電路整流。為了簡(jiǎn)化控制電路，將電流檢測(cè)電阻
放置于直流輸出母線上(如圖4所示)�？刂苹芈饭ぷ鬟^程如下：在每個(gè)開關(guān)周期的開始，時(shí)鐘觸發(fā)脈沖首先令SR觸發(fā)器置位，觸發(fā)器輸出
是主電路開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。此時(shí)
為低電平，所以開關(guān)管S1、S2關(guān)斷;當(dāng)時(shí)鐘脈沖到來時(shí)積分器開始工作，輸出三角形載波電壓
并與電感電流檢測(cè)信號(hào)比較。當(dāng)
時(shí)，電感電流檢測(cè)信號(hào)與
相等，比較器動(dòng)作，其輸出電平翻轉(zhuǎn)令觸發(fā)器復(fù)位，
為高電平，則開關(guān)管S1、S2導(dǎo)通。直至下一個(gè)時(shí)鐘脈沖的到來，觸發(fā)器置位，開關(guān)管S1、S2關(guān)斷，電路重新開始一個(gè)新的工作周期。
4 穩(wěn)定性分析
對(duì)于非線性控制的開關(guān)電源可以利用龐加萊映射【5】來分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性工作條件。根據(jù)上文分析，無(wú)橋Boost電路實(shí)現(xiàn)PFC功能需要滿足的控制法
控制波形如圖5所示。
定義：每個(gè)周期內(nèi)，等效載波電壓波形
，電感電流一個(gè)周期內(nèi)下降斜率
，電感電流一個(gè)周期內(nèi)上升斜率
在相鄰的第n、n+1周期里，對(duì)應(yīng)的占空比為
、
。從圖5中可以得到下式：
顯然
是
的后繼函數(shù)，每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的占空比都可由前一周期內(nèi)占空比依次決定。依據(jù)龐加萊映射，占空比的表達(dá)式可以表示為：
。當(dāng)
，解出
即為占空比表示函數(shù)的不定點(diǎn)。令
，則占空比表達(dá)式可寫成
。對(duì)應(yīng)于每個(gè)開關(guān)周期，
的瞬時(shí)值
龐加萊映射中不定點(diǎn)的穩(wěn)定性條件是
，即
，所以該控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性工作條件是
的波形如圖7所示，從圖中可以看出輸入電流很好地跟隨輸入電壓。仿真結(jié)果表明上文對(duì)基于單周期控制的無(wú)橋Boost電路的分析是正確的，該電路實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)的功率因數(shù)校正功能。
6 結(jié)論
本文基于文獻(xiàn)【1】提出的無(wú)橋Boost拓?fù)�，采取了一種新穎的單周期控制方法。較之傳統(tǒng)的有源功率因數(shù)校正電路，單周期控制的無(wú)橋Boost電路在實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正功能時(shí)無(wú)需對(duì)輸入電壓進(jìn)行采樣，且不使用乘法器，控制電路簡(jiǎn)單且成本低。無(wú)橋Boost拓?fù)渲袑?dǎo)通元件少，此種電路有效的提升了變換器的效率，在中大功率的應(yīng)用場(chǎng)合效果很好。 |
