圖騰柱無橋PFC電路的工作原理及仿真分析

圖騰無橋PFC電路，自己第一次接觸，看了幾篇論文學習了一下其相關的知識，簡單總結一下分享出來，希望對大家有所幫助。圖騰無橋是一種簡單、效率高且成本低的功率因數校正電路，其電路結構如圖一所示：

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圖一 圖騰無橋PFC電路拓撲

圖騰柱無橋PFC電路的工作原理如下：D1, D2是低頻二極管，S1, S2作為高頻功率管;DS1是S1的寄生體二極管，DS2是S2的寄生體二極管。

當交流輸入處在正半周工作周期內，電路工作狀態為如圖二所示：高頻功率管S2導通，交流輸入通過S2, D2開始對L1進行充電，L1在功率管導通階段進行儲能;負載由輸出電容供電，輸出地通過低頻二極管D2連接到輸入端。當功率管S2導通結束時，工作狀態轉為如圖二(d)所示：流過S2的電流轉變到S1的寄生體二極管DS1上。DS1和D2構成L1的續流通路，L1的電壓反向，L1釋放電能;L1和交流輸入共同向輸出電容和負載提供電能。

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圖二 正半周工作過程

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圖三 負半周工作過程

當交流輸入處在負半周工作周期內，電路工作狀態和以上分析保持一致，具體如圖三所示：高頻功率管S1開通，交流輸入通過S1, D1開始對L1進行反向充電;L1在功率管導通階段進行儲能，負載由輸出電容供電;輸出母線通過D1連接到輸入端。功率管導通結束時，流過S1的電流轉變到S2的寄生體二極管DS2上，其和D1構成L1續流通路，L1兩端電壓反向，L1釋放電能，L1和交流輸入共同向Co和負載供給能量。結合以上工作模式我們就可以知道：在輸入的正半周，S2處于高頻開通與關斷狀態，D2一直保持正向開通狀態。在輸入的負半周，S1處于高頻通斷狀態，D1一直保持正向開通狀態，因此開關管驅動的變化情況如圖四所示：

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圖四 圖騰柱PFC開關信號通過以上對工作過程的分析我們可以得到一個結論：

圖騰無橋PFC電路實質上是一種Boost PFC變換器

，所以其控制參數的設計完全可以按照Boost的相關理論去進行，并且根據其電路工作過程的對稱性，我們以電網電壓處于正半周工作周期內時進行分析，其電路結構如圖五所示：

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圖五 電網電壓正半周L1相電路結構圖

根據以上的分析，搭建Matlab仿真模型如下：

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圖六 仿真模型

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圖七 控制電路模型

關于圖七，控制上我們采用電壓電流雙閉環的平均電流控制，注意我們通過取絕對值操作將輸入的電網電流統一變為正半周期內，進而方便控制;并且，通過檢測輸入電壓實現過零檢測，與原來的驅動信號進行取與操作，進而決定導通時序。仿真結果如圖七所示：

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圖七 仿真結果

由圖七可知，母線電壓基本穩定在400V附近，由于整流電路的特殊性，母線電壓上存在100Hz的二倍頻(相對于輸入50Hz)的紋波，故正常;交流電流與交流電壓相位相同，可實現單位功率因數。此外，相比于單相PWM整流(四個開關管)而言，圖騰無橋PFC無法完美地實現保證功率因數的同時，并網電流的諧波畸變率(THD)又足夠低。因此，觀察圖七的交流電流可看出其有稍微的畸變，不是完美的正弦波，但這在可以接受的范圍內。

最后說一下圖騰無橋PFC電路的缺點：結合電路工作原理，MOSFET的寄生體二極管和傳統BOOST有源PFC中的二極管有著同樣的作用。假設采用MOSFET作為功率管，并且工作在電流連續模式(CCM)，如圖三(d)示。在S2斷開時間，S1的體二極管和快速二極管起到同樣的作用;當S2重新導通時，S2中既有輸入電流，還包含S1寄生體二極管的反向恢復電流，這樣在S2上就會造成非常高的損耗，更甚者由于反向恢復所產生的電流尖峰超過開關管S2的耐流限制從而擊穿開關管，因此其不適合工作在大功率連續模式，進而限制了其應用場合。

然而，隨著半導體技術的不斷發展，CaN、SiC等高性能器件開始出現，它們具有反向恢復時間極短且能反向導通的特性，這個問題迎刃而解，進而大大擴展了圖騰柱無橋PFC電路使用范圍。