无输入整流桥的单级PFC变换器

传统AC/DC变换器由于输入整流桥后面直接接储能大电容，导致变换器输入谐波大，功率因素低，并且对电网造成污染。为了减小对谐波的污染，要求 AC/DC变换器必须进行功率因素校正。比较常用的方法是在变换器中加入一级有源功率因数校正环节，也就是两级变换器。但是两级变换器增加了变换器的成本和复杂度，特别在小功率场合，尤其不适合。为此，提出了单级PFC的概念，也就是将PFC级和DC/DC级集成在一起，共用开关管。随后提出了新型的单级 PFC族受到了广泛的关注，单级PFC的各种拓扑和控制方法纷纷出现。

2　无输入整流桥的单级PFC变换器

PFC级常用的方法是在电网输入后加全桥整流，而工频的整流桥不但体积大而且带来损耗。文献[1]将单相PWM整流器集成到PFC级，省掉了输入整流桥，从而提高效率。图1为PWM整流器的两种拓扑结构。

图1(a)和(b)的工作原理类似，都相当于两个Boost电路，可以在输入交流电压正负半波的时候切换工作。图(b)的优点是两个MOSFET共源极，这样就不用采用隔离驱动，简化设计。而图(a)中隐藏着一个半桥开关管桥臂，文献[2]成功的将图1(a)中PWM整流器应用到电子镇流器中，设计出无输入整流桥的半桥结构单级PFC电子镇流器，并且做出实验结果。

本文在此基础上，将图1(a)中的PWM整流器和对称半桥集成在一起，设计无输入整流桥的单级PFC。

3　工作模态分析

图2所示的单级PFC电路集成PWM整流器和半桥电路，从而省去了输入整流桥。当交流输入Vin处于正半波的时候上管作为PFC级和DC/DC级的集成开关管，当交流输入Vin为负半波的时候，下管为集成开关管。两组boost电路在工频周期里实现PFC，而电感Lpfc上的电流始终保持断续模式，以让其峰值电流自动跟随输入电压。

由于后级为半桥dc/dc变换器，两个开关管的占空比都为D, 则后级工作在连续模式时输出电压

这里Vo为输出电压，n=ns/np为次级绕组比初级绕组的比值，如果次级采用平衡绕组，则两个次级绕组和初级绕组的比值为n1=n2=n。VC为储能电容上的电压。

图3为Q1和Q2的控制信号。

以下分析各开关模态的工作状态，在此之前先做一些假设：

1.假设输出滤波电感和变压器励磁电感足够大，其上的电流可认为是恒流。

2.元器件均为理想器件。

a.输入电压为正半波时，Q1占空比为D，Q2占空比也为D：

模态1，图(4-a)：此模态中Q1导通，Lpfc上电流上升储能，同时C1通过Q1给变换器次级提供能量。

模态2，图(4-b)：此模态中Q1关断，电感Lpfc电流经D1以及Q2的体二极管给C1，C2充电。变压器漏感Lr电流和励磁电流经Q2的体二极管给C2充电。

模态3，图(4-c)：此时Q2导通，C2经变压器给次级提供能量。

模态4，图(4-d)：此模态中Q2关断，变压器漏感Lr电流和励磁电流经Q1的体二极管给C1充电。

b.输入电压为负半波时，Q1，Q2占空比也为D：

在这半个工频周期内，Q2作为PFC级和DC/DC级的共用开关管。但是其工作原理与正半波的时候完全类似。

4　仿真电路及其波形

本文利用SIMetrix仿真软件对无输入整流桥的单级PFC变换器进行仿真分析。电路参数设置为：输出功率 =50W,输入电压 =200 ，输出电压 =12V，电感 =100?H，开关频率 =100kHZ，输出滤波电容 =400uF， =400uF。采用芯片为uc1825,两路控制信号输出，图5是仿真电路。仿真输出波形与理论分析完全相符。输出电压12V以及电容(C1C2两端)电压，电感Lpfc上电流波形如图6所示，从图中可以看出输入电流跟随输入电压。仿真结果表明上文对基于无输入整流桥的单级PFC变换器的工作分析是正确的，该电路实现了对系统的功率因数校正功能。

5　稳态分析

为保证高的功率因素单级PFC电路的PFC级工作在DCM，而DC/DC级工作在CCM下，要注意电路功率平衡的问题。

当输出功率减小的时候，则前级boost电路占空比会减小，则DC/DC级的占空比也会减小(因为共用开关管)，就会导致直流母线上的电压上升从而缩窄脉宽达到新的功率平衡。反之当输出功率增加的时候，则前级boost电路占空比会增加，则DC/DC级的占空比也会增加(因为共用开关管)，就会导致直流母线上的电压下降从而达到新的功率平衡。所以轻载下，直流母线电压会达到满载时候的几倍以上，这就限制了单级PFC的实际应用。通常采用的方法是对直流母线采取钳位措施，或者当电压上升到一定的值，让DC/DC级也进入DCM模式。当负载变轻时，占空比必然会减小，因此没有不平衡功率存在，储能电容的电压不会因为负载变轻而增加。但是这种组合存在导通损耗和功率开关电流应力大，效率低的缺点

假设开关频率远远高于电网频率。可令：

这里，Vim为输入电压的峰值。如果PFC级占空比为D，开关周期为T，可以得到输入电流的低频平均表达式：

那么输入功率为：

将式(2)和(3)代入式(4)，可以的到

这里

对于DC/DC级，连续模式和断续模式的临界条件

当

的时候将会进入连续模式，此时电压关系式为: 

当

的时候将会进入不连续模式，此时电压关系式为：

这里: 

由前面的推导可知通过适当的选择Lf等参数(根据

此式来选择)当负载变轻时使DC/DC级也进入DCM模式。当负载变重时使DC/DC级也进入CCM模式来降低电容电压。

6　结 语

本文介绍了一种新的单级功率因数校正拓扑，由于整流桥和DC/DC变换共用开关管，节省了两个整流管，减小损耗，提高了效率。给出了仿真电路图和结果，另外还讨论降低储能电容电压的方法。

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