无桥PFC拓扑简化方法

出处:网络时间:2025-04-30
  在电力电子领域,功率因数校正(PFC)技术对于提高电源效率、减少谐波污染具有重要意义。无桥 PFC 拓扑作为一种新型的 PFC 电路结构,因其具有较低的导通损耗和较高的效率而备受关注。本文将详细介绍如何通过组合法构建无桥 PFC 电路,特别是以 Boost 型 PFC 为例,探讨 TypeI 和 TypeII 单元的不同组合方式,并阐述无桥 PFC 的拓扑简化方法,强调在保证工作模式不变的前提下删除冗余元件的原则。
  一、组合法构建无桥 PFC
  PFC 本质上是一种 AC - DC 变换器,它将交流输入电压分为正负半周,终输出直流电压。从电路原理角度看,AC - DC 变换器可以看作是两个 DC - DC 变换器的组合。在 PFC 的拓扑推演过程中,关键在于设计这两个 DC - DC 变换器的工作模式。以下内容是基于对陈正格博士发表的 TPE 论文的理解,若有不当之处,欢迎批评指正。

  以 Boost 型 PFC 为例,其工作模式基于 Boost 电路。该电路的基本单元包含 TypeI 和 TypeII 两种,它们的输入和输出均为正电压。从 AC - DC 的需求出发,当交流电压为正时,只需有一个 Boost 单元接入即可;交流电压为负时同理。

  观察这两个 Boost 基本单元,我们发现 TypeI 的输入和输出的负极相连,TypeII 的输入和输出的正极相连。若要将这两个单元进行组合,有三种方式:两个 TypeI 输出并联、两个 TypeII 输出并联以及 TypeI 和 TypeII 的输出串联。接下来,我们将结合有桥 PFC 来推演出无桥 PFC 拓扑。

  当两个 TypeI 单元输出并联时,由于 TypeI 单元的输入与输出共地,其输入端有三个端子 a、b、c。为确保在半个周期内只有一组变换器工作,我们将不控整流桥和后级 Boost 变换器按特定方式连接。在正半周时,D1 和 D4 的电压为零,D2 和 D3 承受反压而关断;负半周时,D2 和 D3 电压为零,D1 和 D4 承受反压关断。连接完线路后,经过仔细检查,我们发现 D1 和 D3 是冗余元件,删除它们并不会影响电路的工作模态。

  对于 TypeII 单元,其正极是连接在一起的,对其进行分析的思路与 TypeI 输出并联时相同。同样,TypeI 单元和 TypeII 单元输出串联的分析思路也和 TypeI 输出并联一致。实际上,其他基本的 DC - DC 单元,如 Buck、Buck/Boost、Sepic、Cuk 等,都可以运用这种思路进行简化。

  二、无桥 PFC 的拓扑简化方法

  任何拓扑能够进行简化的原因,在于存在冗余的路径或者控制量可以进行分时复用。因此,进行拓扑简化的前提是明确该拓扑必须具备哪些工作模式。以 Boost 型 PFC 为例,它必须具备四种模态,即正半周两种、负半周两种。只要满足这四种模态,其他元件都可以考虑删除。

  以 TypeI 和 TypeII 输出串联的变换器为例,它包含 SL 单元和 DC 单元两部分。从其结构可以明显看出存在冗余元件。首先分析 SL 单元的简化,其作用是给电感充电,在正负半周的作用相同。因此,我们可以将 SL 单元简化为一个电感和一个双向开关管的结构。然而,这样做会引入一个问题:节点 M 的电流方向在正负半周是相反的。为了解决这个问题,我们需要使用二极管半桥电路来选择电流路径,否则电容在正半周为正电压,负半周为负电压,这与设计理念不符。当然,我们也可以接入不控整流桥,这样输出侧就可以使用一个电容。后面我们还会分析,在什么情况下可以用一套元件进行复用,基本原则是其前级节点的电流方向在正负半周是否有变化。

  对于后级 DC 单元进行简化的前提依然是 M 点的电流方向是否在正负半周保持一致。如果一致,就可以使用一套元件。例如,当 M 点的方向一直是流入电容的,并且复用了开关管的反并联二极管形成回路时,就可以实现简化。

  基于其他 DC - DC 单元的无桥 PFC 拓扑简化思想是相同的,思想是保留原有拓扑的工作模式。通过这种方式,我们可以得到很多不同的拓扑结构。

  总之,无桥 PFC 拓扑的简化是一个复杂而又关键的过程,需要我们深入理解电路原理和工作模式,合理删除冗余元件,以达到提高电路效率和性能的目的。
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