單開關(guān)管無橋SEPIC PFC變換器

馬紅波,鄭 聰,余文松,郭育華

（1.西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院,四川 成都 610031；2.弗吉尼亞理工學(xué)院暨州立大學(xué) 未來能源電子中心,弗吉尼亞州 黑堡 24060）

0 引言

電力電子產(chǎn)品的大量應(yīng)用及其應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴大，使得電力系統(tǒng)的諧波污染越來越嚴(yán)重，甚至威脅到電力系統(tǒng)的安全運行[1]。為此，國際電工委員會（IEC）、歐洲電工技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)委員會（CENELEC）以及美國電氣和電子工程師協(xié)會（IEEE）分別對電力電子裝置諧波限制制定了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。另一方面，在環(huán)境和能源問題的驅(qū)使下，高效率也成為電源裝置最為重要的性能指標(biāo)之一。美國環(huán)境保護局（EPA）的 Energy Star[2]，以及英特爾和谷歌聯(lián)合發(fā)起的“綠色地球數(shù)字護航計劃”（CSCI）[3]已經(jīng)就單輸出和多輸出離線式電源在整個輸入電壓和負載范圍內(nèi)的效率給出了明確的指標(biāo)，并逐年提高對效率的要求。

功率因數(shù)校正 PFC（Power Factor Correction）[4]變換器是離線式電源系統(tǒng)中不可或缺的模塊，其在實現(xiàn)PFC的同時實現(xiàn)電壓的調(diào)節(jié)變換。文獻研究表明：如何設(shè)計高效率、高功率因數(shù)、低電流諧波的PFC變換器，是學(xué)術(shù)界和工業(yè)界亟待解決的技術(shù)難題。

傳統(tǒng)PFC變換器通常采用低頻二極管整流橋級聯(lián)高頻 DC-DC 變換器方案，如 Boost[5]、Buck-Boost、Cuk、SEPIC 以及 Fly-back 等[6]。然而，這個低頻整流橋阻礙了PFC變換器效率乃至整機效率的進一步提高，特別是在低壓輸入場合。為了降低整流橋的損耗，學(xué)者們提出了無橋PFC的概念[7]。然而受到當(dāng)時半導(dǎo)體技術(shù)的限制，此電路并未得到重視。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，大量高性能的新型器件被相繼提出，學(xué)者們開始重新審視無橋PFC技術(shù)，陸續(xù)提出了多種無橋 PFC 拓撲[1，8-10]，從而也帶動了與之相關(guān)的控制策略[11]、EMI[12]以及軟開關(guān)技術(shù)[13]研究。 然而，由于Boost拓撲本身的限制，這些PFC電路存在共同的問題[1，14]，如：輸出電壓受限，即輸出電壓必須高于輸入交流電壓的峰值；無法實現(xiàn)輸入/輸出隔離；啟動涌浪電流大；斷續(xù)導(dǎo)電模式（DCM）下需要大體積的輸入濾波等。

相較于Boost PFC變換器，SEPIC PFC變換器既可升壓又可降壓，具有輸出電壓范圍寬、易于隔離、內(nèi)置涌浪電流和過載抑制能力等優(yōu)點；更為重要的是，即使運行于DCM，SEPIC PFC變換器的輸入電感電流仍然連續(xù)，不會增加電感的磁通量。文獻[1，14-15]提出了4種新型的無橋PFC電路，但是存在諸如元器件過多、輸出浮地、需要隔離驅(qū)動、控制復(fù)雜等缺點[7]。

為了解決上述問題，本文提出了一種新型、實用的無橋SEPIC PFC電路。該電路在有效解決了上述技術(shù)問題的同時，保留了傳統(tǒng)SEPIC拓撲的優(yōu)點，同時也可以應(yīng)用磁集成理論，將所有電感集成在同一個磁芯上，極大縮小樣機體積。本文詳細分析了變換器的工作原理，總結(jié)了無橋SEPIC電路的優(yōu)缺點，仿真和實驗結(jié)果證明了所提拓撲的有效性。

1 提出的單管無橋SEPIC PFC變換器

傳統(tǒng)SEPIC PFC變換器的電路拓撲如圖1所示。其由低頻整流橋和高頻SEPIC開關(guān)變換器組成。SEPIC開關(guān)變換器可工作于連續(xù)導(dǎo)電模式（CCM），也可工作于DCM。由電路工作原理可知，在任何開關(guān)時刻，電流都要流經(jīng)低頻整流橋的2個二極管。

圖1 傳統(tǒng)的SEPIC PFC變換器Fig.1 Topology of conventional SEPIC PFC converter

為了減少開關(guān)周期內(nèi)流經(jīng)半導(dǎo)體器件的數(shù)量，降低輸入整流橋損耗，進一步提高PFC變換器效率，本文提出了如圖2所示的無橋SEPIC PFC電路。該電路是由分別工作于交流輸入電壓uin正、負半周的2個SEPIC組成。 電感L1、開關(guān)管 VT1、電容 C1、二極管VD0以及輸出電容C0組成的SEPIC，工作于輸入電壓uin正半周期；相應(yīng)地，輸入電壓uin負半周期的SEPIC則由電感 L2、開關(guān)管 VT1、電容 C2、二極管 VD0以及輸出的電容C0組成。圖3給出了該無橋SEPIC PFC的耦合電感電路示意圖。

圖2 所提單開關(guān)管無橋SEPIC PFC變換器原理圖Fig.2 Schematic diagram of proposed single-switch bridgeless SEPIC PFC converter

圖3 所提變換器的耦合電感形式Fig.3 Coupling inductance of proposed converter

考慮到電路的對稱性，以正半周期CCM為例介紹電路工作原理。假設(shè)輸入電壓uin=Umsin（ωlt）為理想正弦波，其中Um和ωl分別是輸入電壓uin的峰值和角頻率。同時電容C1上的電壓uC1正半周期內(nèi)能很好地跟隨輸入電壓uin。

基于上面的假設(shè)，CCM下的電路在一個開關(guān)周期Ts內(nèi)可分為2個模態(tài)，等效電路分別如圖4（a）、（b）所示。理論工作波形如圖4（c）所示。

圖4 正半周期詳細工作模態(tài)Fig.4 Operating modes of positive half-cycle

模態(tài) 1[0，DTs）（圖 4（a））：此模態(tài)下開關(guān)管 VT1導(dǎo)通，輸出二極管VD0關(guān)斷。由于電路工作于輸入電壓正半周期，電容C2上電壓為0，因此電感L1、L2以及L0上所加電壓均為Uin，即：

此階段流過開關(guān)管VT1的電流峰值是3個電感電流值之和，即：

其中，Le為等效電感，其表達式如式（3）所示。

模態(tài)2[DTs，Ts]（圖 4（b））：此模態(tài)下開關(guān)管 VT1關(guān)斷，輸出二極管VD0導(dǎo)通。由于電路工作于輸入電壓正半周期，電容C2上電壓仍然為0，因此電感L1、L2以及L0上所加電壓均為-U0，即：

此階段流過輸出二極管VD0的電流峰值為3個電感電流峰值之和，即：

表1給出了所提無橋SEPIC PFC與傳統(tǒng)SEPIC PFC電路的詳細電氣參數(shù)對比，其中“慢”代表傳統(tǒng)慢速恢復(fù)二極管，“快”代表快速恢復(fù)二極管。由表1易知無橋SEPIC PFC電路具有更高效率的原因。

表1 傳統(tǒng)的與所提SEPIC PFC變換器的對比Tab.1 Comparison between conventional and proposed SEPIC PFC converters

2 電路參數(shù)設(shè)計

與傳統(tǒng)SEPIC PFC變換器相同，本文所提出的無橋SEPIC PFC變換器可以工作于CCM、臨界導(dǎo)電模式（BCM）以及DCM。因此設(shè)計電路參數(shù)之前需要研究電路工作模式的邊界條件。

類似文獻[1]，易知CCM和DCM的邊界條件為：

其中，M=U0/Um，是輸出、輸入電壓的傳輸比；Um為輸入電壓峰值。

由此可知SEPIC PFC電路存在3種工作模式：

a.當(dāng)Ke＜Ke_crit_min時，電路在整個線周期Tl內(nèi)工作于DCM；

b.當(dāng)Ke_crit_min≤Ke≤Ke_crit_max時，電路在一個線周期Tl內(nèi)同時存在CCM和DCM，DCM主要存在于輸入電壓的過零點附近；

c.當(dāng)Ke＞Ke_crit_max時，電路在整個線周期Tl內(nèi)工作于CCM。

其中，Ke=2Le/（RLTs）；1/Le=1/L1+1/L2+1/L0；RL為負載電阻。

假設(shè)預(yù)期的電路設(shè)計指標(biāo)如下：輸入電壓uin=，線頻率 fl=60 Hz，輸出電壓 U0=50 V，負載電阻 RL=25 Ω，開關(guān)頻率 fs=100 kHz，輸出功率P0=100 W，輸入電流紋波ΔIL1=50%IL1，ΔIL2=50%IL2，輸出電壓紋波 ΔU0=25%U0，效率 η＞85%，功率因數(shù)PF＞0.99。電路參數(shù)詳細計算過程如下。

步驟1計算電壓傳輸比M和臨界值Ke_crit_min。

步驟2選取Ke和計算等效電感Le。如果電路工作于DCM，那么將需要較大的EMI濾波器；如果工作于情況c，則需要較大的L0。綜合考慮后，論文選取Ke=0.9，則：

步驟3計算輸入電壓峰值點的占空比D1_pk。

步驟4根據(jù)輸入電流紋波要求，計算輸入電感L1和L2。由于電路效率η為90%，不難計算輸入電流iin的峰值iin_pk為：

最大輸入電流紋波ΔIL1=50%IL1=0.65（A），故電感L1為：

類似地有：L2=600.5μH。 本文取L1=L2=600 μH。

步驟5計算輸出電感L0。根據(jù)式（9）和等效電感Le定義有：

本文選取 L0=200 μH。

步驟6計算輸出電容C0。根據(jù)要求，可知ΔU0=12.5 V，則有：

本文選取 C0=425 μF，實際選用 500 μF。

步驟7計算中間電容C1和C2。電容C1和C2分別在輸入電壓的正、負半周起傳遞能量的作用，對系統(tǒng)影響很大。C1和C2不能太大，否則其電壓難以跟隨輸入電壓；同時，C1和C2也不能太小，必須使其電壓在一個開關(guān)周期內(nèi)基本保持恒定。通常，C1（C2）應(yīng)使得 L1（L2）、L0、C1（C2）的振蕩角頻率 ωr遠離母線頻率ω1和開關(guān)頻率ωs，一般ωr取5%～10%的開關(guān)頻率，即：

因此可求得：0.32 μF＜C1＜1.27 μF。本文取 C1=1 μF。 相應(yīng)地，C2=1 μF。

3 仿真驗證

為了對所提出的單管無橋SEPIC PFC電路的工作原理進行驗證，本文采用PSIM 9.0對所研究電路進行了仿真，其中電感L1、L2及L0采用分立電感形式。電路功率級參數(shù)如第2節(jié)計算所示?？刂破鞑捎闷骄娏髂Ｊ剑ˋCM）。仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 所提SEPIC PFC變換器仿真結(jié)果Fig.5 Simulative results of proposed SEPIC PFC converter

圖5（a）為無橋SEPIC PFC電路的電感電流iL1、iL2以及采樣電阻Rs上的仿真波形。該采樣電阻Rs位于低頻二極管VDp、VDn與開關(guān)管之間。由仿真波形可知：電感L1和L2分別在輸入電壓uin的正、負半周充當(dāng)輸入電感；輸入電感電流iL1和iL2的紋波幅度大約50%，證明了第2節(jié)參數(shù)設(shè)計的正確性。

圖5（b）為無橋SEPIC PFC電路中能量傳遞的電容電壓uC1、uC2以及輸出電壓U0的仿真波形。由圖可知：C1和C2分別在輸入電壓的正、負半周充當(dāng)能量傳遞電容；輸出電壓U0很好地穩(wěn)定在50 V，紋波的峰峰值為10.6 V，完全符合設(shè)計要求。

輸出二極管線周期Tl及開關(guān)周期Ts內(nèi)的仿真波形如圖5（c）所示，從中可知，電路工作于CCM，和預(yù)期設(shè)計要求一致。

綜上可知，本文所提的電路以及參數(shù)設(shè)計完全正確。

4 實驗研究

實驗室完成了一臺100 W原理樣機，其主要元器件有：開關(guān)管VT1型號為STB30NM60N；低頻二極管VDp、VDn型號為 S5J-E3；快速二極管 VDx1、VDx2、VD0型號為 STTH12R06G；電容 C1、C2型號為 ECQ-E2W105KH。整個電路采用平均電流控制方法，其控制原理圖如圖6所示。由于是無橋電路，所以輸入電壓的采樣不能像傳統(tǒng)PFC電路一樣，采樣整流橋之后的電壓，因此本文實驗電路通過增加二極管VD1和VD2來獲取輸入電壓uin的形狀。值得注意的是，PFC電路中的輸入電壓采樣，僅僅是為了獲取其形狀，因此VD1和VD2所需耐流可以很小，幾百毫安即可。輸入電流的采樣則相對容易，可以將采樣電阻Rs位于低頻二極管VDp、VDn與開關(guān)管之間?；趫D6所示的控制原理，本文選用UC3854作為主控制IC。

圖6 所提SEPIC PFC變換器控制原理圖Fig.6 Schematic diagram of proposed SEPIC PFC converter control

圖7為無橋SEPIC PFC變換器的實驗波形。其中圖7（a）為輸入電感電流iL1和輸出電壓U0的波形。由實驗波形可知：電感L1在輸入電壓uin的正半周期內(nèi)充當(dāng)SEPIC輸入電感，很好地驗證了所提電路的工作原理；輸出電壓U0很好地被控制在50 V，證明了控制電路穩(wěn)態(tài)誤差較小，同時輸出電壓紋波約為10 V，小于設(shè)計要求。圖7（b）給出了輸入電壓uin和輸入電流iin的實驗波形，可知iin與uin完全同步，電路具有很好的PFC功能，實測滿載功率因數(shù)為0.995。

圖7 所提SEPIC PFC變換器的實驗波形Fig.7 Experimental results of proposed SEPIC PFC converter

圖8為樣機測試的效率、功率因數(shù)隨輸出功率的變化曲線。由圖可知：負載功率在20%～100%之間變化時，系統(tǒng)的功率因數(shù)始終保持在0.95以上；樣機測試效率均在85%以上，效率最高值發(fā)生在50%時，其值為90.5%。

圖8 功率因數(shù)、效率與負載功率的關(guān)系Fig.8 Relationship among power factor，efficiency and load power

圖9給出了采用Fluke 43B功率分析儀測量的輸入電流iin的3～13次諧波數(shù)據(jù)與IEC61000-3-2 Class C標(biāo)準(zhǔn)的對比。13次之后的諧波幾乎為0，F(xiàn)luke 43B已經(jīng)很難測量出具體值。由圖9所示，輸入電流諧波遠小于IEC61000-3-2 Class C的指標(biāo)要求，符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。實測THD值為8.8%。

本文研究的100 W無橋SEPIC PFC的功率損耗約13 W，其中磁性元件損耗占44%，開關(guān)管VT1損耗占12%，低頻二極管VDp和VDn約占8%，快速恢復(fù)二極管VDx1、VDx2以及輸出二極管VD0損耗占總損耗的36%。從損耗分布可知，該電路還可通過優(yōu)化磁性元件設(shè)計以及磁集成的方法進一步提高效率。

圖9 輸入電流諧波測試結(jié)果Fig.9 Result of input current harmonic test

5 結(jié)論

相較于Boost PFC變換器，SEPIC PFC變換器具有諸如可升壓可降壓、易于實現(xiàn)隔離以及EMI濾波簡單等優(yōu)點。為了進一步提高SEPIC PFC變換器的變換效率，提出了一種新型的單開關(guān)管無橋SEPIC PFC變換器，其特點總結(jié)如下：

a.取消了傳統(tǒng)PFC變換器中低頻整流橋，因此具有高效率的特點；

b.同傳統(tǒng)SEPIC一樣，可以通過磁集成的方式將所有電感集成在同一個磁芯上，進一步降低成本；

c.與其他無橋電路一樣，由于整流橋的取消，使得輸入電壓的采樣變得困難，增加了控制系統(tǒng)的復(fù)雜性，因此需要研究適用于無橋電路的新型控制策略，其中單周控制是最有潛力的控制方式，此方向?qū)⑹枪P者進一步研究的主要內(nèi)容。

實驗室研制的100 W原理樣機的實驗結(jié)果證明了所提電路的合理性和可行性，在有效值120 V的交流輸入電壓下，滿載功率因數(shù)和效率分別為0.995和88.5%。