单周期控制无桥Boost PFC电路分析

1　引言

传统的AC/DC电路采用不可控整流电路和电解电容滤波以得到波形平滑的直流电压。由于使用了非线性元件和储能元件，使得输入电流波形畸变而包含大量谐波，电网输入端功率因数低，只有0.5～0.7左右，因而采取功率因数校正技术是必要的。

传统的有源功率因数校正电路(APFC)由二极管桥式整流电路加Boost升压变换器构成，如图1所示。这种APFC电路可得到较高的功率因数，满足谐波标准的要求。图1中，在任一时刻电路中总有三个半导体器件处于工作状态。系统的通态损耗由两部分组成：前端整流桥中两个二极管导通压降带来的损耗及后级 Boost变换器中功率开关管或者续流二极管的导通损耗。随着变换器功率等级和开关频率的提高，系统的通态损耗显著增加，整体效率降低。针对这一问题，文献【1】提出一种同样具有PFC功能且通态损耗低的无桥Boost拓扑，如图2所示。在无桥Boost拓扑中，交流输入不需经过整流桥整流而直接加在输入端，任一时刻电路中只有两个半导体器件导通，其一个工频周期的工作过程如图3所示。

无桥Boost电路中，开关管S1、S2驱动信号相同，两管同时导通和关断。对于工频交流输入的正负半周期而言，无桥Boost电路可以等效为两个电源电压相反的Boost电路的组合。S1、S2导通时，相当于工作在Boost电路的电感储能过程。开关管关断时，在工频正半周期内，S2反向寄生体二极管与二极管D1导通续流;负半周期则由S1寄生体二极管与二极管D2完成续流过程。较传统的APFC电路，无桥Boost电路中导通器件少，通态损耗低;同时储能电感的位置移至交流侧，降低了EMI干扰，适用于中大功率的功率因数校正电路。

2　功率因数校正实现方法回顾

功率因数校正电路通过控制输入电流跟踪输入电压的变化，不断调节输入电流波形，使其逼近正弦波，以达到单位功率因数。常用的控制AC/DC电路实现APFC的方法，根据采样变量的形式可以分为电压型和电流型。

电压型控制方法也被称之为"电压跟随器"。当电路工作在断续状态(DCM)时，在一个开关周期内保持恒频恒占空比控制，功率级电路对于电网而言可等效为纯阻性负载，则输入电流跟随电网电压，功率因数近似为1。这种控制模式仅需对输出电压采样，控制电路简单。但断续状态下，主电路开关管上电流应力高，EMI干扰大，输入电流波形有不可避免的畸变【2】。

常见的电流型功率因数校正有峰值电流型和平均电流型。根据控制系统理论，对于Boost等二阶电路拓扑，为达到最优控制效果，一般要求有两个独立的反馈控制变量。电流型控制方式采样电压和电流信号，对电路进行双闭环控制。电流型功率因数控制电路较为复杂，一般需要利用传感器检测输入电压、输入电流并使用乘法器实现，控制电路成本高。文献【3】提出的单周期控制方法不需要检测输入电压即可实现功率因数校正。本文基于单周器控制原理，提出了一种采用单周器控制的无桥Boost电路拓扑，控制电单，理论上可得到单位功率因数。

3　单周期控制无桥Boost工作原理分析

单周期控制是一种新颖的非线性控制方法。通常对开关电源等非线性系统采取非线性控制策略，控制效果比较好。单周期控制的基本思想是在每个开关周期内令开关变量的平均值与控制参考量相等或成比例。单周期控制的优点是能够自动消除一个周期内的稳态和瞬态误差，动态响应快;且由于频率固定，适宜于PWM控制。单周期控制器由时钟、锁存器、带复位开关的积分器和比较器等模拟器件组成。图4给出了单周期控制的无桥Boost电路拓扑，该拓扑以电感电流和输出电容电压为开关变量对电路闭环控制实现PFC功能。

为了简化分析，假定图4中：1. 输出滤波电容足够大，每个开关周期内，输出可视为电压源。2. 开关周期

远小于电网电压的工频周期。

由上文可知，无桥Boost电路在任一时刻的工作状态可以等同于一个传统的单开关Boost电路。稳态电流连续的状态下，一个开关周期系统电压增益为：

为了达到功率因数校正的目的，PFC控制电路使交流侧输入电流跟随输入电压，Boost变换器相对于电网呈电阻性，则输入电流为：

为等效输入电阻。

稳态时，每个开关周期内以平均电感电流表示输入电流，综合(1)、(2)式得到：

 (3)式通过控制回路实现时，即可完成功率因数校正。电流检测电阻

可位于流经电感电流回路的任一位置处。由于无桥Boost拓扑结构的特殊性，输入端电流是交变的，若在交流输入端直接电流采样，检测信号需经整流电路整流。为了简化控制电路，将电流检测电阻

放置于直流输出母线上(如图4所示)。控制回路工作过程如下：