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。
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。
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。
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。
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