赖昌浩，李志忠，赵付立，郑宏展

（广东工业大学 信息工程学院，广东 广州 510006）

0 引 言

传统有源功率因数校正电路以Boost PFC变换器为代表，因其具有高功率因数、高效率以及结构和控制简单等优点而得到广泛应用[1]。然而，前级整流桥的正向压降会导致电路存在较高的导通损耗，限制了变换器整机效率的提升。为进一步提高效率，有学者提出了无桥结构来降低整流桥带来的损耗[2]。目前的无桥PFC多集中于Boost型电路。无桥Boost PFC变换器存在后级功率器件电压应力大的问题，增加了导通损耗，并且大多数直流负载电压较低且在很宽范围内变化，无法直接匹配PFC的输出电压，需要加入后级变换器[3,4]。因此，提出了无桥Buck PFC变换器，但传统无桥Buck PFC变换器存在固有的输入电流死角，会恶化输入电流谐波和功率因数。本文提出了一种基于单周期控制的新型无桥Buck PFC变换器，可减小输入电流死角，并具有开关管应力低等优点。此外，通过PSIM仿真软件验证了该变换器的正确性和可行性。

1 变换器的电路结构与工作原理

本文提出的新型无桥Buck PFC变换器的电路结构如图1所示。电路包括功率电感L，金氧半场效晶体管（MOSFET）S1和S2，不带反并联二极管的绝缘栅双极型晶体管（IGBT）S3和S4，输出滤波电容Co1、Co2以及负载RL。

图1 新型无桥Buck PFC变换器电路结构

变换器主要分为4种工作模态，具体的工作电路如图2所示。

工作模态一的工作电路如图2（a）所示。当交流输入为正半周期时，S1和S2同时导通，S3和S4处于关闭状态。输入电流经过S1、S2以及功率电感L，通过中性线构成回路，对功率电感L进行储能。同时直流母线输出滤波电容Co1和Co2向负载RL供能。

工作模态二的工作电路如图2（b）所示。当S1和S2同时关断时，由输入电压检测电路检测到交流输入为正半周期，驱动模块输出驱动信号给S3使其导通，此时S1、S2以及S4处于关闭状态。功率电感L释放能量，电感电流线性下降，电流经过直流母线输出滤波电容Co2和S3构成回路，对滤波电容Co2进行充电。同时直流母线输出滤波电容Co1和Co2向负载RL供能。

图2 无桥Buck PFC变换器工作模态分析

工作模态三的工作电路如图2（c）所示。当交流输入为负半周期时与正半周期时类似，S1和S2同时导通，S3和S4处于关闭状态。输入电流经过S1、S2以及功率电感L，通过中性线构成回路，对功率电感L进行储能。同时直流母线输出滤波电容Co1和Co2向负载RL供能。

工作模态四的工作电路如图2（d）所示。当S1和S2同时关断时，由输入电压检测电路检测到交流输入为负半周期，驱动模块输出驱动信号给S4使其导通，此时S1、S2以及S3处于关闭状态。功率电感L释放能量，电感电流线性下降，电流经过直流母线输出滤波电容Co1和S4构成回路，对滤波电容Co1进行充电。同时直流母线输出滤波电容Co1和Co2向负载RL供能。

2 单周期控制策略

目前，PFC变换器控制策略包括平均电流控制策略、峰值电流控制策略、滞环电流控制策略、单周期控制策略以及空间矢量PWM控制策略[5]。由于单周期控制策略具有控制算法简单、抗干扰能力强以及动态响应快等优点，因此本文采用单周期控制策略。

根据功率因数校正电路的工作原理，输入电压和输入电流波形都是正弦且同相位，因此可以将变换器输入阻抗等效为纯电阻Req，表达式为：式中，Req为输入等效电阻；Uin为整流器输入电压；iin为变换器输入电流。

在电感电流连续模式下，变换器输入电压Uin和输出电压Uo之间的关系为：

式中，D为一个开关周期内的占空比。联立式（1）和式（2）整理可得：

将式（3）两边同时乘以电感电流检测电阻Rs，进行整理可得：

由式（4）可知，Rs和Req为定值。设误差放大器的误差电压值为vm，在理论情况下，vm与输出电压Uo成比例关系，因此vm可表示为：

联立式（4）和式（5）可得：

式（6）为基于单周期控制的新型无桥Buck PFC变换器的核心控制方程。只要占空比D满足式（6），即可使得变换器输入电流波形追踪输入电压波形的变化且相位一致，从而实现单位功率因素的校正。

3 仿真与分析

为了验证拓扑的可行性，本文基于PSIM仿真软件仿真无桥Buck PFC变换器，仿真参数设置如表1所示。

表1 无桥Buck PFC变换器仿真参数

根据表1的电路参数，利用PSIM仿真软件进行建模，调节环路参数来调节输出电压，并且与传统的无桥Buck PFC变换器进行了对比，具体的仿真结果如图3所示。

图3 仿真结果

由图3（b）可知，变换器工作在DCM模式，输入电流跟随输入电压波形的变化，跟踪效果比较好。输入电压为市电220 V交流，为了方便观察，输入电压波形应乘以0.03倍。对比图3（a）和图3（b）可知，传统的无桥Buck PFC变换器存在电流死角的问题，会降低变换器的PF值，而本文提出的新型无桥Buck PFC变换器明显减小了输入电流死角，可进一步提高功率因数。由图3（c）可以看出，变换器可实现降压输出，输出电压为48 V，可直接用于设备的供电。输出电压可通过调节控制参数来满足输出要求。

4 结 论

传统无桥Buck PFC变换器中的输入电流死角问题会恶化变换器的输入电流谐波和功率因数。为了减小输入电流死角，本文提出了一种基于单周期控制的新型无桥Buck PFC变换器。仿真结果表明，该变换器明显减小了输入电流死角，并且输入电流明显跟随输入电压的变化，可实现功率因数校正。此外，变换器能在较宽负载范围内实现单级的降压输出，无须加入后级，降低了设计的复杂度，适用于多种应用场合具有较高的应用价值。