無橋PFC變換器拓撲合成方案綜述

隨著電力電子技術的快速發展和各行各業中的廣泛應用，接入電網的電力電子開關電源設備是向電網注入諧波的主要來源，使得電力系統的諧波問題日益嚴重。諧波的抑制已經引起了國內外專家的關注，并且國內外相關組織制定了限制電力系統諧波的相關標準。歐美國家早已制定了電氣設備產生諧波的最低標準。抑制諧波有方法有內因和外因兩種方案，內因是從源頭上抑制諧波，比如通過改善拓撲電路結構和控制方法等原因進行抑制，外因是系統中已經有諧波了，通過在系統中并聯濾波器（無源濾波器或者有源濾波器）來進行抑制。本文分析的功率因素校正技術就是通過內因的方法來抑制諧波成分，改善電網品質因數。功率因數校正技術是抑制諧波的內因之一。已有大量的文獻對PFC技術進行了相關研究。

對于全球工作電壓范圍(85V-265V)的PFC變換器，一般需要選取兩級式結構，然而，傳統前級PFC變換器在低壓輸入時效率較低。無橋PFC變換器方案解決了這一問題，引起國內外專家和學者的廣泛關注，然而，在此領域還未有系統性的綜述文獻。本文是作者對國內外的相關文獻進行了仔細研讀，并對PFC技術進行了深入研究，對無橋PFC變換器拓撲的合成方案進行的綜述，總結了三大類無橋PFC變換器拓撲的合成方案，比較了三種方案的優缺點，并指出了無橋PFC變換器在實際應用中的瓶頸。最后，對無橋PFC變換器未來的發展提出了作者的觀點。

1 無橋PFC變換器的發展現狀

在全球輸入電壓范圍內，導致低壓輸入時PFC變換器的效率較低，為了解決這一問題，無橋PFC成為首選方案。早在1983年，D. M. Mitchell.提出了Dual-Boost無橋PFC變換器方案，與傳統橋式Boost PFC變換器相比，無橋方案利用開關代替橋臂二極管，減小了導通路徑開關器件的損耗，從而提高了效率。直到2002年，意法半導體公司首次將無橋PFC變換器方案應用到實際產品中，文獻給出了電路的具體實現?？梢钥闯?，無橋PFC變換器中控制中實現的難點在于輸入交流電流的采樣和輸入電壓的采樣，造成控制方案較為復雜。繼而，研究者探尋了新的控制方案。單周期控制(One Cycle Control,OCC)不需要采樣輸入交流電壓，不需要乘法器，在無橋PFC變換器的應用場合得到關注。從2002年起，TI公司、安森美半導體等都在尋求一種更優的無橋PFC變換器解決方案。其中，2-phase Boost無橋PFC變換器成為研究主流，且在實際產品中得到應用。但是，國內外研究者試圖尋求更優的無橋PFC解決方案，出現了大量關于無橋PFC變換器的相關文獻。下面就對這些無橋PFC變換器的實現方案進行分類。

2 無橋PFC變換器拓撲合成方案綜述

2.1 合成方案-1

PFC 變換器的實質是將交流電壓轉換為穩定的直流電壓，傳統PFC 變換器的實現方案是將交流電壓經過整流橋后變為饅頭波，后接DC/DC 變換器實現穩定輸出的直流電壓。方案-1 的思想是將不經過整流橋的交流電壓直接轉換為穩定輸出的直流電壓，其實現框圖如圖1 所示。圖1(a)中，輸入電壓e(t)=Esin(2πfet)，E 為輸入電壓的峰值，U 為輸出電壓。其中， DC/DC 變換器實現直直變換。眾所周知，DC/DC 變換器只能實現直流到直流的變換，故要實現圖1(a)中的變換，須滿足

ε>E (1)

為了獲得直流量ε，需要另一個DC/DC 變換器從輸出電壓得到，其實現框圖如圖1(b)所示。根據圖1的思想和基本的DC/DC 變換器拓撲，如Buck、Boost、Buck-Boost、Cuk、Sepic、Zeta 變換器等，無橋AC/DC 變換器實現框圖可能存在兩種狀況，分別如圖2(a)和圖2(b)所示。按照此規則合成的無橋PFC 變換器拓撲在文獻中已有詳述。其中，圖3 為基于該方案合成的無橋PFC 變換器拓撲。

2.2 合成方案-2

理論上，經過整流橋后的饅頭波電壓，后接任何DC/DC變換器均可以實現PFC功能。由于Boost、Sepic、Cuk等基本變換器的輸入電流連續，所以廣泛應用在PFC變換器拓撲中。本節就以這些變換器為主線，探討了無橋PFC變換器拓撲的發展歷程，從而總結出實現無橋PFC變換器拓撲的合成方案-2。

2.2.1 Boost無橋PFC變換器拓撲

Boost無橋PFC變換器拓撲的發展歷程如圖4所示。其中，圖4(a)為傳統Boost PFC變換器，由此衍生出的無橋拓撲變換器如圖3所示。與圖4(a)中變換器拓撲相比較，其它拓撲導通回路只存在兩個開關器件，從而減小了導通路徑中的導通損耗，提高了效率。圖4(b)中的圖騰式Boost無橋PFC變換器不能工作于CCM模式，限制了其應用；而圖4(c)中的Dual-Boost無橋PFC變換器輸入與輸出不共地，造成變換器的共模噪聲嚴重，很難滿足實際產品的要求；圖4(d)雙向開關Boost無橋PFC變換器，開關管懸空，驅動復雜，且輸入電壓不易采樣，增加了變換器的控制難度。仔細觀察，圖4(e)與圖4(f)是同一個拓撲結構，在實際產品中已有應用。該拓撲不論在交流輸入正半周或是負半周， 輸入輸出始終共地， 且控制易實現。

2.2.2 Sepic、Cuk無橋PFC變換器拓撲

Sepic、Cuk無橋PFC變換器拓撲的發展歷程如圖5所示。其中，圖5(a)、(b)為傳統橋式PFC變換器，由此衍生出的無橋拓撲變換器如圖5所示。與圖5(a)、(b)中變換器拓撲相比較，其它拓撲導通回路只存在兩個開關器件，從而減小了導通路徑中的導通損耗，提高了效率。圖5(d)、(e)分別為圖騰式Sepic、Cuk無橋PFC變換器，該變換器不能工作于CCM模式；而圖5(c)為雙向開關Sepic無橋PFC變換器，變換器的輸出端橫跨于兩個輸出電容上。圖5(g)、(h)為Dual-Sepic無橋PFC變換器和Dual-Cuk無橋PFC變換器。圖5(f)為2-相無橋Cuk PFC變換器。圖5(i)、(j)中的無橋拓撲是經過圖5(c)中的拓撲改進而來，使得開關管共地，驅動電路簡單，控制易實現。 其中，圖5(f)中變換器拓撲的隔離形式如圖6所示。

2.2.3 Buck-Boost、Buck無橋PFC變換器拓撲

除了具有連續型輸入電流的變換器拓撲外，其它基本拓撲也可以實現PFC功能[6][36]。圖7(b)和圖7(d)分別Buck無橋PFC變換器、級聯Buck-Boost無橋PFC變換器。該類PFC變換器輸入電流呈等于開關電流，輸入電流不連續，所以變換器的功率受到一定的限制，且需要的更大的輸入濾波器。

2.2.4 無橋拓撲合成方案-2的基本思想

由合成方案-1可知，PFC變換器的基本思路是實現交流電壓到穩定直流電壓輸出的轉換。比較明顯的變換器拓撲如圖4(f)和圖5(f)，闡述其基本思想：使變換器在交流輸入正負半周分別工作于一個DC-DC變換器，即只在正半周輸入時，輸入電壓認為是波動的直流電壓，經過DC-DC變換器后，轉換為穩定的直流電壓輸出。所以，從原理上來說，任何兩個DC-DC變換器，分別將其工作于交流輸入電壓的正半周和負半周，即可實現從交流輸入到穩定直流輸出的轉換。雖然，思想是很顯然的，但拓撲的推導并不那么容易得到。本文探索一種簡單的基于變換器拓撲的無橋PFC變換器實現方案，僅以Boost DC-DC變換器為例進行說明，Sepic、Cuk變換器拓撲合成與之類似。

傳統的Boost DC-DC變換器實現了輸入輸出電壓同極性，其正極性輸入和負極性輸入變換器拓撲分別如圖8(a)和8(b)所示，參考地信號的選取不同，同時也可得到如圖8(c)和圖8(d)所示的變換器拓撲。由圖8(a)和8(b)比較可知，要實現負極性輸出，只需將變換器拓撲中的二極管D反向即可。值得注意的是在實際應用中，圖8(b)中的開關管S1使用PMOS較為合適，本文為了分析方便仍采用NMOS。

將兩個相同的如圖8(a)所示的Boost DC-DC變換器組合，可構成如圖4(c)(e)(f)所示的無橋變換器拓撲。組合如圖8(a)、8(b)所得的新型無橋Dual-BoostPFC變換器如圖9(a)所示。同理可知，由圖8(c)和圖8(d)也可以組合成無橋PFC變換器，分析可知，所得到的拓撲也如圖9(a)所示。此拓撲的實現方式與圖5(c)中變換器拓撲的實現原理是一樣的。該拓撲較傳統的Boost PFC變換器而言，完全消除了二極管整流橋，在每個開關周期內，只存在一個二極管損耗，提高變換器的效率。但該拓撲仍存在以下缺點：1) 變換器輸出存在兩個電解電容，且輸出電壓加倍。電解電容增大了變換器的體積，輸出電壓加倍也增加了器件的電壓應力；2) 開關管需要采用隔離驅動。

與此同時，圖8(a)和圖8(c)分別可以實現正極性輸入和負極性輸入，也可以將其組合構建無橋PFC變換器。將圖8(a)和圖8(c)中的電感L1用一個電感代替，負載電容使用一個電解電容，得到的無橋Boost變換器拓撲如圖9(b)所示。此拓撲的實現原理與圖5(i)、(j)類似。同理可知，圖8(b)和圖8(d)也可以合成新型無橋PFC變換器，得到的新型拓撲如圖9(c)所示。由圖9(c)可知，該變換器實現了負輸出電壓的Boost PFC變換器使用PMOS管實現原理圖如圖9(d)所示。與圖9(a)進行對比可知，圖9(b)所示的變換器輸出僅有一個電解電容構成，消除了輸出倍壓，且該變換器完全消除了傳統Boost PFC變換器中的整流橋，提高了效率。圖9(c)所示的變換器與圖9(b)有著類似的結構，但輸出電壓為負。

2.3 合成方案-3

傳統DC-DC 變換器的輸出/輸入電壓增益是單極性的，它只能把正輸入電壓變換為正輸出電壓或負輸出電壓，而PFC 變換器本質上是AC-DC 變換器，需要將交流電壓變換為穩定輸出的直流電壓。因此，傳統DC-DC 變換器不能直接作為PFC變換器電路。為了實現PFC，最直接的方法是通過前端整流橋將交流電壓變為類似饅頭波的直流電壓，再經過DC-DC 變換器得到穩定的直流輸出電壓。傳統橋式PFC 變換器不能消除整流橋的根本原因在于傳統DC-DC 變換器只具有單極性增益，當DC-DC 變換器具有雙極性增益特性時，即對于正輸入電壓或負輸入電壓，DC-DC 變換器的輸出極性保持不變，則這樣的DC-DC 變換器可以直接實現AC-DC 變換，從而可以消除傳統AC-DC 變換器中的整流橋，提高變換器的效率。

基于此思想尋求目前存在的具有雙極性的DC-DC變換器，如圖10所示。假設開關管S1的占空比，得到的變換器的增益特性曲線如圖11所示。圖10(a)和圖10(b)得到的增益曲線如圖11(a)所示，圖10(c)和圖10(d)得到的增益曲線如圖11(b)所示。

直到2010年，Slobodan Cuk提出了一種新型的無橋PFC變換器，將可控開關換成雙向開關，該變換器可以直接應用PFC變換器中，原理圖如圖12所示。此變換器的提出，引起了研究者的關注.

3 三種合成方案的比較

在前面介紹了三種無橋PFC變換器的合成方案。從原理上來看，三種方案方案消除傳統橋式Boost PFC變換器中的二極管整流橋，提高效率。但就拓撲的復雜程度來看，方案-1和方案-2均要采用兩個DC/DC變換器，而方案-3中的變換器可直接應用于無橋AC-DC變換器。在方案-1和方案-2中，器件的利用率不高。且方案-1存在較為嚴重的環流功率損耗，雖然消除了二極管整流橋，但是變換器的效率仍然較低。針對方案-1的不足，文獻[14]提出相應的解決方案，但是效果仍不明顯。對于方案-1可以分別控制輸入交流電流和輸出電壓，實現了控制解耦，簡化了控制方案。方案-2種的兩相PFC變換器方案是目前采用的成熟方案，但是造成器件閑置，還有一定的改進空間?；诜桨?3的思想實現的無橋PFC變換器，雖然變換器的主電路拓撲較簡單，但控制方式的實現與傳統橋式PFC變換器有所不同，造成控制成本增加。

4 無橋PFC變換器的發展方向

傳統的無橋PFC變換器合成方案均是針對于兩級結構，其中，前級PFC變換器實現無橋方案，后級采用高效率高頻隔離DC-DC變換器。為了進一步提高PFC變換器的效率，單級PFC變換器得到廣泛關注。有文獻指出交流電壓經過整流橋，后接高頻隔離的DC-DC變換器可以實現單級PFC變換器。然而，發展無橋單級PFC變換器仍然是一個挑戰。有文獻提出了半橋單級無橋PFC變換器，其基本思想利用圖騰式結構實現無橋，增加一個中間儲能電容來彌補輸入輸出瞬時功率的的不平衡。所以，可以將本文介紹的無橋PFC合成方案應用到單級PFC變換器中。

在未來幾年內，單級無橋PFC變換器仍然是PFC領域的研究熱點；對具有雙極性增益變換器的研究也將是無橋PFC變換器的發展方向。阻礙發展的瓶頸是如何簡化雙極型增益變換器中PFC的控制實現方案。

5 結論

本文對目前存在的無橋PFC 變換器進行了綜述，并總結出無橋PFC 變換器的三種實現方案。分別介紹了基于Boost、Sepic、Cuk 變換器的無橋PFC變換器發展歷程。最后，指出單級無橋PFC 變換器和雙極性增益變換器將是無橋PFC 變換器的發展方向。