基于单周期控制的一种双向开关型无桥PFC研究

Journal of Power Supply

No.1

Jan.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

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（19-），男，教授，博导，主要研究方向为电力电

子变流技术

电源学报总第33期

图1双向开关型无桥拓扑

S 1,S 2导通

S 1,S 2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C 1，C 4等点位，与C 2的压差为输入电压。与C 5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C 1，C 2，C 4，

C 5所产生的干扰信号可以忽略不计。电容C 3电压

随开关管S 1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C 3对地的电压变化引起的。图3（b ）的共模干扰与（a ）类似。电容C 3电压随开关管S 1的动作变化，其变化频率等于开关频率。共模干扰主要是由C 3对地的电压变化引起的。负半周工作时，图3（a ）中C 1和C 5等电位，与C 4的压差为输出电压，与C 2的压差为输入电压，C 3电压

随开关管S 2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C 3和C 4等电位，与C 5的压差为输出电压。C 1和C 2的压差为输入电压，C 1和C 2的电压随开关管S 2动作变化，变化频率等于开关频率。因此，共模干扰主要由C 1和C 2共同造成。

通过上述分析比较，可知双向开关型电路主要

由C 3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C 1与C 2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。

（a ）双向开关型升压电路

（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

62

置作出调整：D 2改为快恢复二极管，D 3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。

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。

图4单周期控制的基本构造

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：

（1）

其中V in 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

R e ，则V in 可以由采样的开关电流等效，设R s 为采样

电阻，则可以将上式变为

（2）

令，则有：（3）

V m 在理论上是与V o 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V in 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：

（4）

其中占空比d 由V 1（t ）=V 2（t ）确定。根据图4所

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V 1（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V 2（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

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

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

信号转换。电路如图5所示，其中U 3，U 4为双电源供电高速运放。当主电路电流方向从上往下时，U 3检测到正信号，由于D 3的反向截止，使得U 3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D 3而无法传输至I sense 端，而U 4检测到负信号，此时D 4为正向导通状态，反馈系数为1，故U 4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U 3实现跟随输出。

由于电流信

黄超，等：基于单周期控制的一种双向开关型无桥PFC 研究第1期63

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，U 3，U 4的速度越快，带宽越宽，其电流跟随越精确。故U 3，U 4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。

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AC 85-265V ，频率

50Hz ，输出385V 。主开关管S 1，S 2采用2SK3569，D 1，D 2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

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。

图7控制芯片驱动波形

图8输入电压与输入电流波形

6结论

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

参考文献：

[1]L Huber,Y Jang and M Jovanovic.Performance evaluation

of bridgeless PFC boost rectifiers

[J].IEEE Appl.Power

Electron.Conf.Expo,Feb.2007,vol.1,pp.165-171.

[2]张厚升.基于IR1150的无桥Boost 高功率因数整流器的

研究[J].电气传动，2007，37（9）：32-35.

[3]胡明星,谢运祥.单周期控制无桥Boost PFC 电路分析和

仿真[J].通信电源技术，2005，22（3）:14-17.

[4]张喻.基于Boost PFC 的控制策略研究[J].电源技术应

用，2007，10（11）:30-33.

[5]陈映晖,焦振宏,土聘,魏文艳.高功率因数双开关升压整流

器的单周期控制方法[J].计算机仿真，2006(23)（12）:316-

319.

A Bidirectional Switch Bridgeless PFC Based on One Cycle Control

HUANG Chao,LIN Wei-ming

(Fuzhou University Electrical Engineering and Automation,Fuzhou Fujian 350108,China)

Abstract ：Conventional boost -type active -power -fact -correction circuits have too many conduction components and large conduction loss,thus in high power and low input voltage situations the conduction loss may reduce the converter efficiency.In consequence,bridgeless PFC circuits become a focus today.The existing bridgeless PFC circuits are analyzed and compared and a novel bridgeless boost-type APFC circuit is chosen,which has less conduction components,lower voltage stress and lower switching loss.Consequently,higher efficiency may obtain in high power situation.The fundamental principle about one -cycle control technique is introduced then,based on International Rectifier chip IR1150S,an bridgeless PFC boost rectifier with bidirectional switch is designed.Experiment results of a 300W prototype prove its superiority.

Keywords ：power factor correction;one cycle control;bridgeless boost converter

黄超，等：基于单周期控制的一种双向开关型无桥PFC 研究

第1期65