一种高效率的无桥BoostPFC拓扑的研究

第27卷　第11期2023年11月　电　机　与　控　制　学　报Electric　Machines　and　Control　Vol.27No.11Nov.2023

具有低输出纹波的双电感复用无桥buck-boostPFC变换器

陈正格,　许建平,　陈旭,　漆谨(西南交通大学电气工程学院,四川成都611756)

摘　要:单相buck-boost功率因数校正(PFC)变换器凭借高功率因数(PF)与升降压的输出特性广泛应用于小功率非隔离LED场合(≤25W),但是随着双碳政策的推行,需要进一步提升变换器性能。因此提出一种双电感复用的单级无桥buck-boost变换器,其双电感分别交替工作于电感电流不连续导通模式(DCM)与连续导通模态(CCM)。工作于CCM的电感可以与电容构成LC滤波电路减小输出纹波,工作于DCM的电感可以使变换器仍然采用单电流闭环控制实现接近于1的PF与输出调节。此外,所提出的变换器仍然可以采用含谐波注入的控制,进一步降低输出电流纹波,实现PF与输出电流纹波的权衡。最后,两台实验样机验证了拓扑的可行性和理论分析的正确性。关键词:buck-boost;功率因数校正;无桥;双电感复用;电感工作模态;低输出电流纹波DOI:10.15938/j.emc.2023.11.004中图分类号:TM46文献标志码:A文章编号:1007-449X(2023)11-0030-10

收稿日期:2022-10-28基金项目:中国博士后科学基金(2021M702709);中央高校基本科研业务费专项资金(2682022CX017)作者简介:陈正格(1991—),男,博士,研究方向为变换器拓扑及其控制、可靠性分析等;许建平(1963—),男,博士,教授,博士生导师,研究方向为高效率电能变换、控制及其系统;陈　旭(1999—),男,硕士研究生,研究方向为电力电子与电力传动;漆　谨(1999—),男,硕士研究生,研究方向为电力电子与电力传动。通信作者:陈正格Lowoutputripplesingle-stagebridgelessbuck-boostPFCconverterwithdual-inductormultiplexing

ELECTRICDRIVE2024Vol.54No.3电气传动2024年第54卷第3期

摘要：半无桥双Boost功率因数校正（PFC）电路能够获得更高变换效率，同时不增大共模噪声，但输入交流

端的返回电流在引入的二极管上产生额外的损耗，降低了电路的变换效率。研究用MOS管替代二极管，其导

通时具有极低阻抗短路与其并联的MOS管（或其体二极管）和电感器支路，返回电流绝大部分流经MOS管，从

而降低导通损耗，提高变换效率；同时MOS管及其体二极管为共模噪声提供低阻抗通路，共模噪声水平未发生

改变。给出了电路工作过程和设计准则，并用电路仿真验证了分析的正确性。最后，研制出1.5kW原理样机，

验证了该电路能够进一步提高变换效率。

关键词：半无桥功率因数校正；自驱动同步整流；高效率

中图分类号：TM28文献标识码：ADOI：10.19457/j.1001-2095.dqcd24583

ResearchonSemi⁃bridgelessPFCCircuitTechnologywithSelf⁃driveSynchronousRectifier

SUNTao1，2，WANGTao1

（1.ShanghaiJARIZhaoxinInformationScience&TechnologyCo.，Ltd.，Shanghai201210，China；

2.CollegeofAutomationEngineering，NanjingUniversityofAeronauticsand

Astronautics，Nanjing210016，Jiangsu，China）

Abstract:Thesemi-bridgelessdualBoostpowerfactorcorrection（PFC）circuitcanobtainhigherconversion

efficiencywithoutincreasingcommonmodenoise，butthereturncurrentoftheinputACterminalproduces

• 90

•ELECTRONICS WORLD・探索与观察

在大功率的开关电源设计时，无桥Boost PFC电路能提高

电源效率，因此被广泛应用。但是，相比传统的Boost PFC电

路，无桥Boost PFC因其电路拓扑，会产生较为严重的EMI干

扰问题。本文将结合无桥Boost PFC的实际应用案例，分析了EMI产生的原因，并给出具体的解决方案，且通过大量的实

验验证，取得了良好的实验效果。

引言：传统的Boost PFC电路是在整流桥之后进行的变换，

适用于中小功率电路。随着开关电源功率的不断增大，特别是

在低压条件下（如90VAC），系统的通态损耗显著增加，为了

解决这个问题，提高电源效率，引入了无桥Boost PFC拓扑架

构，该架构电路在不改变PF值情况下，降低了整流桥的固有损

耗，提高了电源效率。但是，相比传统的Boost PFC电路，无桥Boost PFC又有其自身的缺点，如会引起较为严重的EMI干扰问

题，给实际的设计和应用带来困扰。本文通过无桥Boost PFC的

工作原理，结合无桥Boost PFC在OLED电视电源中实际应用案

例，给出有实用价值的EMI问题的解决方案和对策。

1 无桥PFC电源EMI原理分析

在无桥PFC电路中，一方面，开关MOS上产生的dv/dt通

过散热片之间的寄生电容形成共模电流到地后，经L线和N线

与地间的寄生电容耦合到交流侧，形成共模干扰，且比有桥PFC共模干扰要大。

另一方面，该电路产生的脉动电流给电路引入大量的谐

波，有相当一部分谐波电流与大电解电容的等效串联电感和

电阻相互作用，行成差模电流返回交流电源侧，形成差模干

扰。目前采用二极管方式来解决此问题。

L112

L212D1D2

D3D4Q112

3Q212

3C1R0L

N

图1 无桥PFC二极管方式

通过在输入端的L和N线上对地增加二极管D3和D4来降

低EMI干扰。如图1所示。

实际应用中一般采用在L和N线上增加二极管的方式，在Q1/Q2开通或关断，由于在低频下，电感阻抗较小，Q2/Q1体二极管低压低于D4/D3所以大部分电流流经Q2/Q1或Q2/Q1的体二极管，

交错双boost半无桥PFC的工作原理

一、PFC技术的概念和应用

1.1 PFC技术的概念

PFC（Power Factor Correction），即功率因数校正技术，是一种通过改善电路中的电流和电压波形，使得输入电路中的电流和电压处于同相位的技术。PFC技术能够提高电路的功率因数，减小谐波污染，提高能效，并且符合国家对于电器电路的功率因数要求、减少对电网的负荷等优点。

1.2 PFC技术的应用

PFC技术广泛应用于各种电源和电气设备中，如电子电源、服务器电源、LED驱动电源等，特别是在需要通过电网供电的场合。

二、交错双boost半无桥PFC的基本结构

2.1 交错双boost半无桥PFC的概念

交错双boost半无桥PFC是一种常见的PFC拓扑结构，它通过交错并联的方式，减小输出滤波电感的尺寸，提高系统的功率密度。

2.2 交错双boost半无桥PFC的基本组成

交错双boost半无桥PFC的基本组成包括：输入整流桥、电容器、电感器、功率开关器件、控制电路等部分。其中，通过控制电路实现功率开关器件的开关，控制输入电流和输出电压。

三、交错双boost半无桥PFC的工作原理

3.1 电压采集和控制

通过对输入电压和输出电压的采样，经过控制电路，计算出输出电压的误差信号，控制器通过比较输入电流和输出电压的相位差，产生PWM控制信号，用于控制功率开关器件的导通和关断。

3.2 电流采集和控制

通过对输入电流的采样，经过控制电路，计算出输入电流的误差信号，控制器根据输入电流的波形和相位信息，产生PWM控制信号，用于控制功率开关器件的导通和关断。

3.3 调节电压和电流

通过控制器输出的PWM信号，实现对功率开关器件的控制，调节输入电流和输出电压的波形和相位，使其符合PFC技术的要求。