基于单周期控制的一种双向开关型无桥PFC研究

电源学报

JournalofPowerSupply

No.1Jan.2011

基于单周期控制的一种双向开关型无桥PFC研究黄超，林维明

（福州大学电气工程与自动化学院,福州350108）

摘要：传统的升压型有源功率因数校正（APFC）电路的导通器件多,通态损耗较大，在功率较大和低压输入时的应用场合，其通态损耗影响整机效率的提升。无整流桥的PFC电路成为当今研究热点。文章分析比较了现有无桥

PFC电路，并采用一种新型的无桥升压型APFC电路，其导通器件少，电压应力低，开关损耗小，在中大功率场合可

得更高效率。文中介绍了单周期控制的基本原理，并以IR1150S为控制芯片，设计了双向开关型无桥升压PFC电路，300W的试验样机证实了该电路的优越性。

关键词：功率因数校正；单周期控制；无桥升压电路中图分类号：TM461

文献标志码：A

文章编号：CN12-1420（2011）01-0061-05

1引言现代电力电子技术中，功率因数校正已成为一个重要的研究方向。功率因数校正的目的就是纠正电网输入电流波形，减少输入电流畸变对电网的谐波污染从而提高开关电源性能并改善电网质量。传统的单相有源功率因数校正电路以硅整流桥作为前级，导通器件比较多，系统损耗始终包括两个整流二极管带来的通态损耗；在大功率和低压输入应用场合，整流桥的通态损耗影响整机效率的提升[1]。

为了能够进一步改善前级PFC整流器的性能，越来越多研究者开始了无桥PFC电路拓扑的研究，与传统的硅整流桥单相APFC相比，无整流桥电路拓扑在任何时刻都只有两个功率半导体器件构成主回路，导通损耗小，效率高。尤其在低压大电流场合，无桥电路具有更高效率和更好发展前景。

单周期控制技术是一种不需要乘法器及不需要输入电压检测的新颖功率因数控制方法，具有调制和控制的双重功能。无论在稳态还是暂态，都能保持受控量的平均值正比于控制参考信号，并且能在一个开关周期内自动消除稳态、瞬态误差。单周

收稿日期：2010-05-28

作者简介：黄超（1985-），男，博士研究生，主要研究方向为:电力电

子变流技术

林维明（1964-），男，教授，博导，主要研究方向为电力电子变流技术

期控制具有动态响应快、鲁棒性强和易于实现等优点[2]，最后，本文通过一个基于单周期控制的双向开关型无桥电路实验，分析并证实了单周期控制在无桥电路应用中的优越性。

2双向开关型无桥升压整流电路图1为一种双向开关型无桥升压整流电路，其中储能电感L直接与输入侧连接，开关管S1，S2反向串联并构成双向斩波开关，D1，D3为快恢复二极管，D2，D4为普通二极管，提供高频及工频续流通道。交流输入侧正半周（即图中标示方向）工作时，它通过电感L，S1，S2体二极管及D1，D4实现升压变换，在负半周，它通过L，S2，S1体二极管及D2，D3实现变换。现以交流输入正半周工作为例进行分析，其等效电路如图2所示。由图可知，该电路在任何时刻的工作状态都等同于传统桥式升压整流电路。但同传统升压电路相比，该电路在任何时刻，其主回路仅有两个半导体器件处于通态。因此与传统的桥式PFC电路比较，该电路具有更小的导通损耗。

除了拥有无桥电路的导通损耗小的优点，双向开关型电路还拥有良好的EMC结构。由于功率器件与大地之间存在杂散电容，当开关管高频动作时，各功率器件对大地的电位会出现规律变化，从而造成电容电位出现规律变化，由此产生的电流

62电源学报总第33期

随开关管S2的动作变化，变化频率等于开关频率，是共模干扰的主要因素。图3（b）中C3和C4等电位，与C5的压差为输出电压。C1和C2的压差为输入电压，C1和C2的电压随开关管S2动作变化，变化频率等于开关频率。因此，共模干扰主要由C1和C2共同造成。

通过上述分析比较，可知双向开关型电路主要

图1双向开关型无桥拓扑

由C3引起共模干扰，输入侧杂散电容引起的干扰可以忽略不计，而传统无桥电路尽管少了两个二极管，但在负半周工作时，输入侧杂散电容C1与C2将导致较大的共模干扰。因此，双向开关型电路较传统无桥电路，其共模干扰得到了改善。

S1,S2导通

（a）双向开关型升压电路

S1,S2关断

图2工作在输入电源正半周时的等效电路

进大地就形成了共模干扰。现以传统无桥电路和双向开关型电路为例，分析比较两者的共模干扰特性。图3为杂散电容分布图，正半周工作时，图3（a）中C1，C4等点位，与C2的压差为输入电压。与C5的压差为输出电压，电磁兼容标准规定的共模干扰信号的频率是从150kHz开始，输出电压和输入电压的频率远低于共模干扰的频率，因此电容C1，C2，C4，

（b）传统无桥升压电路图3杂散电容分布图

双向开关型无桥电路的两开关管可以采用半周互补工作，也可以采用同时通断工作，既可以由一个PWM驱动信号简化电路，也可以采用互补驱动方法减少驱动损耗。由于两开关管源极不是直接与输出侧相连，因此若采用输出负载侧作为参考地，则两开关管需外接脉冲变压器或高速光耦进行隔离驱动。若以两开关的源极作为参考地，则该电路的输入侧存在高频电压脉动，导致严重的共模干扰。故此电路拓扑不适于共源极为参考地的方案。若需要采用共源极为参考地，可将电路的二极管位

C5所产生的干扰信号可以忽略不计。电容C3电压

随开关管S1的动作变化，其变化频率等于开关频率。此阶段共模干扰主要是由C3对地的电压变化引起的。图3（b）的共模干扰与（a）类似。电容C3电压随开关管S1的动作变化，其变化频率等于开关频率。共模干扰主要是由C3对地的电压变化引起的。负半周工作时，图3（a）中C1和C5等电位，与C4的压差为输出电压，与C2的压差为输入电压，C3电压

第1期黄超，等：基于单周期控制的一种双向开关型无桥PFC研究63

置作出调整：D2改为快恢复二极管，D3改为普通二极管。改进型双向开关无桥电路的EMI特性不再详细介绍。

其中占空比d由V1（t）=V2（t）确定。根据图4所

（4）

3单周期控制技术用于PFC功能的实现单周期控制技术是上世纪90年代初发展起来的一种非线性大信号PWM控制理论。它通过控制开关的占空比，使每个开关周期中开关变量的平均值严格等于或正比于控制参考量[3]。单周期控制器主要包括时钟发生器、触发器、复位积分器和比较器，其中复位积分器是OCC的核心，其基本原理图如图4所示。

示电路可知，单周期控制技术可以实现上述方程组的控制规律。其中复位积分器的积分常数应等于开关周期T，积分器的输出V1（t）连接到比较器的同相输入端，积分器在开关周期开始时进行积分，当该值达到比较器反相输入端开关变量参考信号V2（t）电平时，比较器输出端改变状态并复位RS触发器，进而复位积分器，该状态保持到下个时钟脉冲的到来。由此可知，当前开关周期的占空比仅由当前开关周期内的开关变量平均值变化大小决定，而与前面的开关周期的状态无关。故上个周期的误差不会带到下个周期，改善了系统的稳定性[4,5]。

4双向开关型无桥电路的电流电压检测方法实验采用以两开关共源极为参考地的设计方

案，电路的一个难点在于输入电流的高频信号采

图4单周期控制的基本构造

样。现讨论电流采样的两种实现方式，第一种方法是通过在输入侧串联电流互感器，由于交流侧输入含工频，频率较低，会导致所测得的输入电流相位滞后，进而使功率因数恶化，需另加相位补偿电路，且由于电流双向流动，需要进行电流信号转换，使

（1）

磁复位电路的设计更加困难。第二种方法是在开关管源极和参考地间串联无感检测电阻；由于该拓扑的开关电流是双向流动的，因此不能直接检测，必须增加一个信号转换电路。针对IR1150S电流检测为负电平输入，可以采用一个负绝对值电路来实现

（2）

信号转换。电路如图5所示，其中U3，U4为双电源供电高速运放。当主电路电流方向从上往下时，U3检测到正信号，由于D3的反向截止，使得U3不能实现反馈，进入了非线性区，运放输出为高电平，但由于二极管D3而无法传输至Isense端，而U4检测到负信号，此时D4为正向导通状态，反馈系数为1，故U4实现了电压跟随；同样，当电流从下往上流动时，检测的负信号通过运放U3实现跟随输出。由于电流信

现以传统升压整流电路来分析OCC技术用于

PFC功能的实现。在电感电流连续模式下，升压变

换的输入输出电压关系：

其中Vin为输入正半周的瞬时值，当整流电路实现PF近似等于1时可将电路等效为一个电阻

Re，则Vin可以由采样的开关电流等效，设Rs为采样

电阻，则可以将上式变为

令，则有：（3）

Vm在理论上是与Vo成比例的直流电压，若占

空比d可以满足上述式（1）、（2）、（3），则可以保证电感电流与输入电压Vin一致，即电路实现PFC。设变换器的开关周期为T，在一个开关周期内，构造如下控制方程组：

64电源学报总第33期

号为开关频率脉冲信号，通过傅立叶分解可知，U3，详细介绍。图7为控制芯片的驱动波形，实际中可通过外接一级图腾柱驱动电路来提高电路稳定性和抗干扰能力。图8为220V输入300W的电压电流试验波形，可以看出输入电流和输入电压基本保持同相位，且几乎为完整正弦波，表明输入电流能很好地跟踪输入电压。

U4的速度越快，带宽越宽，其电流跟随越精确。故U3，U4应为高速高带宽运放。本实验采用第二种方

法，并选用NE5532P作为所需运放。

图5电流检测电路

本实验负载侧为浮动输出，最简单的方法是直接通过一个低通滤波器滤除开关频率信号，本实验为获得精确的输出电压，采用运放差分采样得到输出电压信号，其运放选用LM258，其电压检测方法不再详细讨论。

图7控制芯片驱动波形

5实验设计与结果根据上面的分析，设计了一台300W的基于

IR1150S芯片的双向开关型高功率因数整流器。开

关频率为40kHz，输入电压为AC85-265V，频率

图8输入电压与输入电流波形

50Hz，输出385V。主开关管S1，S2采用2SK3569，D1，D2采用MUR860快恢复二极管。图6为主电路

与控制芯片的简单连接示意图。具体设计参数不再

本文研究了一种基于IR1150S的单相双向开关型无桥升压整流器。该整流器在任一运行时刻，功率级主回路中只有两个半导体器件，因此导通损耗较小，此外还拥有良好的EMC结构。本文针对该拓扑结构引进后沿调制的单周期控制，无需检测输入电压，仅需采样开关电流便能够实现功率因数校正。其检测电路和控制电路简单，易于实现且可靠性好。试验结果表明恒频单周期控制是一种电感电流连续模式的PFC控制方法，可以很好的实现功率因数校正，在无桥电路应用上具有优越性。

图6主电路与控制芯片的简单示意图

6结论第1期黄超，等：基于单周期控制的一种双向开关型无桥PFC研究

仿真[J].通信电源技术，2005，22（3）:14-17.

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HUANGChao,LINWei-ming

(FuzhouUniversityElectricalEngineeringandAutomation,FuzhouFujian350108,China)

Abstract：Conventionalboost-typeactive-power-fact-correctioncircuitshavetoomanyconductioncomponentsandlargeconductionloss,thusinhighpowerandlowinputvoltagesituationstheconductionlossmayreducetheconverterefficiency.Inconsequence,bridgelessPFCcircuitsbecomeafocustoday.TheexistingbridgelessPFCcircuitsareanalyzedandcomparedandanovelbridgelessboost-typeAPFCcircuitischosen,whichhaslessconductioncomponents,lowervoltagestressandlowerswitchingloss.Consequently,higherefficiencymayobtaininhighpowersituation.Thefundamentalprincipleaboutone-cyclecontroltechniqueisintroducedthen,basedonInternationalRectifierchipIR1150S,anbridgelessPFCboostrectifierwithbidirectionalswitchisdesigned.Experimentresultsofa300Wprototypeproveitssuperiority.

Keywords：powerfactorcorrection;onecyclecontrol;bridgelessboostconverter