无桥PFC变换器综述_曹太强.pdf

无桥 PFC 变换器综述 曹太强 1 王军1 罗谦2 孙章1 1 西华大学电气信息学院 四川省 成都市 610039 2 中国民用航空总局民第二研究所信息公司 四川省 成都市 610047 Survey of the Bridgeless Power Factor Correction Converter CAO Taiqiang1 WANG Jun1 LUO Qian2 SUN Zhang1 1 School of Electric Information Xihua University Chengdu 610039 China 2 Information Filiale The Second Research Institute Of CAAC ChengDu 610041 China ABSTRACT More and more electronic devices connected to the grid and bring a large number of harmonics To meet harmonic standards power factor correction PFC technology is becoming a hotspot The efficiency of PFC converter is low with the global operating voltage range 85 265V at low voltage input voltage So bridgeless PFC converter topology caused the attention of researchers at home and abroad This paper describes the development status of the bridgeless PFC converter and a comprehensive overview of the course of development of Boost Sepic Cuk bridgeless PFC converter topology Furthermore bridgeless PFC converter topology synthesis program is divided into three categories respectively Finally the development direction of the bridgeless converter topology is presented KEY WORDS Bridgeless Power Factor Correction converter Bipolar Gain Boost Converter Sepic Converter Cuk Converter 摘要 越来越多的电子设备接入电网 带来大量的谐波 为了满足谐波标准 功率因数校正 Power Factor Correction PFC 技 术成为研究热点 针对全球工作电压范围 85V 265V 的 PFC 变换器在低压输入时效率较低的现状 无桥 PFC 变换器拓扑引 起国内外研究者的关注 本文介绍了无桥 PFC 变换器的发展现状 并对 Boost Sepic Cuk 无桥 PFC 变换器拓扑的发展历 程进行了全面综述 并将无桥 PFC 变换器拓扑合成方案分为三大类 分别进行了详细介绍 最后 给出了无桥变换器拓扑 的发展方向 关键词 无桥 PFC 变换器 双极性增益 Boost 变换器 Sepic 变换器 Cuk 变换器 0 引言 随着电力电子技术的快速发展和各行各业中的广泛应用 接入电网的电力电子开关电源设备是向电网 注入谐波的主要来源 使得电力系统的谐波问题日益严重 谐波的抑制已经引起了国内外专家的关注 并 且国内外相关组织制定了限制电力系统谐波的相关标准 欧美国家早已制定了电气设备产生谐波的最低标 准 抑制谐波有方法有内因和外因两种方案 内因是从源头上抑制谐波 比如通过改善拓扑电路结构和控 制方法等原因进行抑制 外因是系统中已经有谐波了 通过在系统中并联滤波器 无源滤波器或者有源滤 波器 来进行抑制 本文分析的功率因素校正技术就是通过内因的方法来抑制谐波成分 改善电网品质因 数 功率因数校正技术是抑制谐波的内因之一 1 7 已有大量的文献对PFC技术进行了相关研究 文献 1 为安森美的PFC应用手册 主要对现今常用的成熟PFC方案进行了详细介绍 文献 2 对单相PFC变换器实 现方案进行分类 文献 3 探讨了中小功率场合单相PFC的解决方案 以及在不同应用场合PFC主电路拓扑 结构的最佳选取方案选取 文献 4 探讨了高功率场合PFC变换器软开关技术的实现方案 文献 5 回顾单级 PFC变换器拓扑的解决方案 文献 6 回顾了基于高频隔离变换器的单相PFC变换器拓扑的实现方案 文献 7 对提高电能质量的AC DC变换器拓扑进行了综述 对于全球工作电压范围 85V 265V 的PFC变换器 一般需要选取两级式结构 3 然而 传统前级PFC变 换器在低压输入时效率较低 8 无桥PFC变换器方案解决了这一问题 引起国内外专家和学者的广泛关注 9 54 然而 在此领域还未有系统性的综述文献 本文是作者对国内外的相关文献进行了仔细研读 并对 PFC技术进行了深入研究 对无桥PFC变换器拓扑的合成方案进行的综述 总结了三大类无桥PFC变换器拓 扑的合成方案 比较了三种方案的优缺点 并指出了无桥PFC变换器在实际应用中的瓶颈 最后 对无桥 PFC变换器未来的发展提出了作者的观点 1 无桥无桥PFC变换器的发展现状 变换器的发展现状 在全球输入电压范围内 导致低压输入时PFC变换器的效率较低 为了解决这一问题 无桥PFC成为 首选方案 早在1983年 D M Mitchell 提出了Dual Boost无桥PFC变换器方案 15 与传统桥式Boost PFC变 换器相比 无桥方案利用开关代替桥臂二极管 减小了导通路径开关器件的损耗 从而提高了效率 直到 2002年 意法半导体公司首次将无桥PFC变换器方案应用到实际产品中 文献 12 给出了电路的具体实现 可以看出 无桥PFC变换器中控制中实现的难点在于输入交流电流的采样和输入电压的采样 造成控制方 案较为复杂 继而 研究者探寻了新的控制方案 单周期控制 One Cycle Control OCC 不需要采样输入交 流电压 不需要乘法器 在无桥PFC变换器的应用场合得到关注 23 从2002年起 TI公司 安森美半导体 等都在寻求一种更优的无桥PFC变换器解决方案 1 9 11 其中 2 phase Boost无桥PFC变换器成为研究主流 且在实际产品中得到应用 但是 国内外研究者试图寻求更优的无桥PFC解决方案 出现了大量关于无桥 PFC变换器的相关文献 13 51 下面就对这些无桥PFC变换器的实现方案进行分类 2 无桥PFC变换器拓扑合成方案综述 2 1 合成方案 1 13 14 PFC 变换器的实质是将交流电压转换为稳定的直流电压 传统 PFC 变换器的实现方案是将交流电压经 过整流桥后变为馒头波 后接 DC DC 变换器实现稳定输出的直流电压 方案 1 的思想 13 14 是将不经过整 流桥的交流电压直接转换为稳定输出的直流电压 其实现框图如图 1 所示 图 1 a 中 输入电压 e t Esin 2 fet E 为输入电压的峰值 U 为输出电压 其中 DC DC 变换器实现直直变换 众所周知 DC DC 变换器只能实现直流到直流的变换 故要实现图 1 a 中的变换 须满足 E 1 为了获得直流量 需要另一个 DC DC 变换器从输出电压得到 其实现框图如图 1 b 所示 根据图 1 的思想和基本的 DC DC 变换器拓扑 如 Buck Boost Buck Boost Cuk Sepic Zeta 变换器等 无桥 AC DC 变换器实现框图可能存在两种状况 分别如图 2 a 和图 2 b 所示 按照此规则合成的无桥 PFC 变换 器拓扑在文献 13 14 中已有详述 其中 图 3 为基于该方案合成的无桥 PFC 变换器拓扑 e t DC DC U a 输入直流偏置原理图 b 两个 DC DC 变换器原理图 图 1 无桥 AC DC PFC 变换器原理图 Fig 1 Schematic diagram of the Bridgeless AC DC PFC converter a 传统 DC DC 变换器实现框图 b 高阶 DC DC 变换器实现框图 图 2 无桥 AC DC 变换器的实现框图 Fig 2 Schematic diagram of the Bridgeless AC DC converter a 合成拓扑 I b 合成拓扑 II 图 3 无桥 AC DC 变换器的合成拓扑 Fig 3 Topology of bridgeless AC DC converter 2 2 合成方案 2 理论上 经过整流桥后的馒头波电压 后接任何DC DC变换器均可以实现PFC功能 由于Boost Sepic Cuk等基本变换器的输入电流连续 所以广泛应用在PFC变换器拓扑中 本节就以这些变换器为主线 探 讨了无桥PFC变换器拓扑的发展历程 从而总结出实现无桥PFC变换器拓扑的合成方案 2 2 2 1 Boost无桥PFC变换器拓扑 Boost无桥PFC变换器拓扑的发展历程如图4所示 其中 图4 a 为传统Boost PFC变换器 由此衍生出的 无桥拓扑变换器如图3所示 与图4 a 中变换器拓扑相比较 其它拓扑导通回路只存在两个开关器件 从而 减小了导通路径中的导通损耗 提高了效率 图4 b 中的图腾式Boost无桥PFC变换器不能工作于CCM模式 限制了其应用 而图4 c 中的Dual Boost无桥PFC变换器输入与输出不共地 造成变换器的共模噪声严重 很难满足实际产品的要求 图4 d 双向开关Boost无桥PFC变换器 开关管悬空 驱动复杂 且输入电压不 易采样 增加了变换器的控制难度 仔细观察 图4 e 与图4 f 是同一个拓扑结构 在实际产品中已有应用 9 12 该 拓 扑 不 论 在 交 流 输 入 正 半 周 或 是 负 半 周 输 入 输 出 始 终 共 地 且 控 制 易 实 现 L S1 S2 G vacR L vac R S1S2 D1 D3 D2 D4 Co D1D2 Co L1 vac R S1S2 D1D2 Co D4D3 L2 S2 S1 vac L1 D1 L2 D2 D3 D4 L vac R S1 D1 D2 Co S2 S1 vac L D1 D3 D4 R Co a Boost PFC变换器 b 图腾式无桥Boost PFC变换器 20 c Dual Boost无桥PFC变换器 15 17 d 双向开关的无桥Boost PFC变换器 19 f 2 phase无桥Boost PFC变换器 9 10 e 2nd Dual Boost 无桥PFC变换器 18 21 22 23 图 4 无桥 Boost 变换器拓扑的发展历程 Fig 4 Development process of bridgeless Boost PFC converter 图 5 Sepic Cuk 无桥 PFC 变换器拓扑结构 Fig 5 Topological structure of bridgeless Sepic and Cuk PFC converter 2 2 3 Sepic Cuk无桥PFC变换器拓扑 Sepic Cuk无桥PFC变换器拓扑的发展历程如 图5所示 其中 图5 a b 为传统桥式PFC变换器 由此衍生出的无桥拓扑变换器如图5所示 与图 5 a b 中变换器拓扑相比较 其它拓扑导通回路 只存在两个开关器件 从而减小了导通路径中的导 通损耗 提高了效率 图5 d e 分别为图腾式 Sepic Cuk无桥PFC变换器 该变换器不能工作于 CCM模式 而图5 c 为双向开关Sepic无桥PFC变换 器 变换器的输出端横跨于两个输出电容上 图 5 g h 为Dual Sepic无桥PFC变换器和Dual Cuk无 桥PFC变换器 图5 f 为2 相无桥Cuk PFC变换器 图5 i j 中的无桥拓扑是经过图5 c 中的拓扑改进 而来 使得开关管共地 驱动电路简单 控制易实 现 其中 图5 f 中变换器拓扑的隔离形式如图6 所示 35 图 6 Type 4 无桥 Sepic 变换器拓扑的隔离形式 Fig 6 Isolation of bridgeless sepic PFC converter 2 2 3 Buck Boost Buck无桥PFC变换器拓扑 除了具有连续型输入电流的变换器拓扑外 其 它基本拓扑也可以实现PFC功能 6 36 图7 b 和图 7 d 分别Buck无桥PFC变换器 级联Buck Boost无桥 PFC变换器 该类PFC变换器输入电流呈等于开关 电流 输入电流不连续 所以变换器的功率受到一 定的限制 且需要的更大的输入滤波器 图 7 Buck Buck Boost 无桥 PFC 变换器拓扑 Fig 7 bridgeless PFC converter with pulsing input current 2 2 4 无桥拓扑合成方案 2的基本思想 由合成方案 1可知 PFC变换器的基本思路是 实现交流电压到稳定直流电压输出的转换 比较明 显的变换器拓扑如图4 f 和图5 f 阐述其基本思 想 使变换器在交流输入正负半周分别工作于一个 DC DC变换器 即只在正半周输入时 输入电压认 为是波动的直流电压 经过DC DC变换器后 转换 为稳定的直流电压输出 所以 从原理上来说 任 何两个DC DC变换器 分别将其工作于交流输入电 压的正半周和负半周 即可实现从交流输入到稳定 直流输出的转换 虽然 思想是很显然的 但拓扑 的推导并不那么容易得到 本文探索一种简单的基 于变换器拓扑的无桥PFC变换器实现方案 仅以 Boost DC DC变换器为例进行说明 Sepic Cuk变 换器拓扑合成与之类似 传统的Boost DC DC变换器实现了输入输出电 压同极性 其正极性输入和负极性输入变换器拓扑 分别如图8 a 和8 b 所示 参考地信号的选取不同 同时也可得到如图8 c 和图8 d 所示的变换器拓扑 由图8 a 和8 b 比较可知 要实现负极性输出 只需 将变换器拓扑中的二极管D反向即可 值得注意的 是在实际应用中 图8 b 中的开关管S1使用PMOS 较为合适 本文为了分析方便仍采用NMOS 将两个相同的如图8 a 所示的Boost DC DC变 换器组合 可构成如图4 c e f 所示的无桥变换器 拓扑 组合如图8 a 8 b 所得的新型无桥Dual Boost PFC变换器如图9 a 所示 同理可知 由图8 c 和图 8 d 也可以组合成无桥PFC变换器 分析可知 所 得到的拓扑也如图9 a 所示 此拓扑的实现方式与 图5 c 中变换器拓扑的实现原理是一样的 该拓扑 较传统的Boost PFC变换器而言 完全消除了二极管 整流桥 在每个开关周期内 只存在一个二极管损 耗 提高变换器的效率 但该拓扑仍存在以下缺点 1 变换器输出存在两个电解电容 且输出电压加 倍 电解电容增大了变换器的体积 输出电压加倍 也增加了器件的电压应力 2 开关管需要采用隔离 驱动 与此同时 图8 a 和图8 c 分别可以实现正极性 输入和负极性输入 也可以将其组合构建无桥PFC 变换器 将图8 a 和图8 c 中的电感L1用一个电感代 替 负载电容使用一个电解电容 得到的无桥Boost 变换器拓扑如图9 b 所示 此拓扑的实现原理与图 5 i j 类似 同理可知 图8 b 和图8 d 也可以合 成新型无桥PFC变换器 得到的新型拓扑如图9 c 所示 由图9 c 可知 该变换器实现了负输出电压 的Boost PFC变换器使用PMOS管实现原理图如图 9 d 所示 与图9 a 进行对比可知 图9 b 所示的变 换器输出仅有一个电解电容构成 消除了输出倍 压 且该变换器完全消除了传统Boost PFC变换器中 的整流桥 提高了效率 图9 c 所示的变换器与图 9 b 有着类似的结构 但输出电压为负 a 共地 PPI PPO b 共地 NPI NPO c 不共地 PPI PPO d 不共地 PPI PPO 图8 传统Boost DC DC变换器 Fig 8 Conventional Boost DC DC converter D1 D2 Co1 L vin S1 S2 Vo RL G Co2 D1 D2 Co L vin S1 S2 Vo R G a 合成拓扑 I b 合成拓扑 II c 合成拓扑 III d 合成拓扑 IV 图 9 双 Boost 无桥 PFC 变换器 Fig 9 Dual Boost bridgeless PFC converter 2 3 合成方案 3 传统 DC DC 变换器的输出 输入电压增益是单 极性的 它只能把正输入电压变换为正输出电压或 负输出电压 41 而 PFC 变换器本质上是 AC DC 变 换器 需要将交流电压变换为稳定输出的直流电 压 因此 传统 DC DC 变换器不能直接作为 PFC 变换器电路 为了实现 PFC 最直接的方法是通过 前端整流桥将交流电压变为类似馒头波的直流电 压 再经过 DC DC 变换器得到稳定的直流输出电 压 传统桥式 PFC 变换器不能消除整流桥的根本原 因在于传统 DC DC 变换器只具有单极性增益 当 DC DC 变换器具有双极性增益特性时 即对于正输 入电压或负输入电压 DC DC 变换器的输出极性保 持不变 则这样的 DC DC 变换器可以直接实现 AC DC 变换 从而可以消除传统 AC DC 变换器中 的整流桥 提高变换器的效率 基于此思想寻求目前存在的具有双极性的 DC DC变换器 如图10所示 41 42 43 假设开关管S1 的占空比 得到的变换器的增益特性曲线如图11所 示 图10 a 和图10 b 得到的增益曲线如图11 a 所 示 图10 c 和图10 d 得到的增益曲线如图11 b 所 示 其中 文献 43 中A Ikriannikov对双极性增益 的变换器进行了详细叙述 直到2010年 Slobodan Cuk提出了一种新型的无 桥PFC变换器 44 将可控开关换成双向开关 该变换 器可以直接应用PFC变换器中 原理图如图12所示 44 45 46 此变换器的提出 引起了研究者的关注 45 46 a 双极性增益拓扑 I b 双极性增益拓扑 II c 双极性增益拓扑 III d 双极性增益拓扑 IV 图10 双极性增益无桥PFC变换器 Fig 10 Bridgeless PFC converter with bipolar gain a 双极性增益 I b 双极性增益 II 图 11 双极性增益特性 Fig 11 Curves of Bipolar Cain 图 12 新型无桥 PFC 变换器 Fig 12 Novel bridgeless PFC converter 3 三种合成方案的比较 在前面介绍了三种无桥PFC变换器的合成方 案 从原理上来看 三种方案方案消除传统桥式 Boost PFC变换器中的二极管整流桥 提高效率 但 就拓扑的复杂程度来看 方案 1和方案 2均要采用 两个DC DC变换器 而方案 3中的变换器可直接应 用于无桥AC DC变换器 在方案 1和方案 2中 器 件的利用率不高 且方案 1存在较为严重的环流功 率损耗 虽然消除了二极管整流桥 但是变换器的 效率仍然较低 针对方案 1的不足 文献 14 提出 相应的解决方案 但是效果仍不明显 对于方案 1 可以分别控制输入交流电流和输出电压 实现了控 制解耦 简化了控制方案 13 方案 2种的两相PFC 变换器方案是目前采用的成熟方案 但是造成器件 闲置 还有一定的改进空间 基于方案 3的思想实 现的无桥PFC变换器 虽然变换器的主电路拓扑较 简单 但控制方式的实现与传统桥式PFC变换器有 所不同 造成控制成本增加 4 无桥PFC变换器的发展方向 传统的无桥PFC变换器合成方案均是针对于两级 结构 其中 前级PFC变换器实现无桥方案 后级采 用高效率高频隔离DC DC变换器 为了进一步提高 PFC变换器的效率 单级PFC变换器得到广泛关注 5 6 47 52 文献 6 中指出交流电压经过整流桥 后 接高频隔离的DC DC变换器可以实现单级PFC变换 器 然而 发展无桥单级PFC变换器仍然是一个挑 战 文献 49 提出了半桥单级无桥PFC变换器 其基 本思想利用图腾式结构实现无桥 增加一个中间储能 电容来弥补输入输出瞬时功率的的不平衡 所以 可 以将本文介绍的无桥PFC合成方案应用到单级PFC变 换器中 在未来几年内 单级无桥PFC变换器仍然是PFC 领域的研究热点 对具有双极性增益变换器的研究也 将是无桥PFC变换器的发展方向 阻碍发展的瓶颈是 如何简化双极型增益变换器中PFC的控制实现方案 5 结论 本文对目前存在的无桥 PFC 变换器进行了综 述 并总结出无桥 PFC 变换器的三种实现方案 分 别介绍了基于 Boost Sepic Cuk 变换器的无桥 PFC 变换器发展历程 最后 指出单级无桥 PFC 变换器 和双极性增益变换器将是无桥 PFC 变换器的发展 方向 参考文献 1 On Semiconductor Power Factor Correction PFC Handbook Choosing the Right Power Factor Controller Solution 2011 11 2 Oscar Garc a Jos A Cobos etcal Single Phase Power Factor Correction A Survey J IEEE Transactions on Power Electronics 2003 18 3 749 755 3 Arturo Fern ndez Javier Sebasti n etcal Helpful Hints to Select a Power Factor Correction Solution for Low and Medium Power Single Phase Power Supplies J IEEE Transactions on Industrial Electronics 2005 52 1 46 55 4 Milan M Jovanovic Yungtaek Jang State of the Art Single Phase Active Power Factor Correction Techniques for High Power Applications An Overview J IEEE Transactions on Industrial Electronics 2005 52 3 701 708 5 Chongming Qiao Keyue Ma Smedley A Topology Survey of Single Stage Power Factor Corrector with a Boost Type Input Current Shaper J IEEE Transactions on Power Electronics 2001 16 3 360 368 6 Bhim Singh Sanjeev Singh Ambrish Chandra Kamal Al Haddad 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