腾柱无桥PFC电路的工作原理和拓扑结构-电子发烧友网

工作原理

以单极性SPWM调制方式为例，说明图腾柱PFC的工作原理。此处仅以正向AC-DC说明。后续会专门介绍DC-AC的功能介绍。

无桥图腾柱式PFC电路拓扑有如下两种：

两者拓扑的区别：

在采用单极性SPWM调制时，两种拓扑的工作原理一致。仅是右边拓扑MOS管（慢管）导通损耗会较小。下面会详细说明其工作原理。

左边的拓扑仅能采用单极性SPWM调制，而右边的拓扑还可采用单极性倍频调制、双极性调制。

单极性和双极性SPWM比较。（这里的波形是逆变电流的中点电位UAB波形）

其主要原理为：调制信号ur为正弦波，载波uc在ur的正半周为正极性的三角波，在ur的负半周为负极性的三角波。

单极性SPWM：

在ur的正半周，V1保持通态，V2保持断态。当ur>uc时,使V4导通，V3关断，uo=Ud。当ur时,使v4关断,v3导通,uo=0。<>

在ur的负半周，V1保持断态，V2保持通态。当uruc时使 V3关断，V4 导通，uo=0。时,使v3>

双极性SPWM

当ur>uc时， V1和V4导通，V2和V3关断，这时如io >0，则V1和V4通，如 io<0，则VD1 和VD4 通，不管哪种情况都是uo=Ud 。

当ur0，则VD2 和VD3 通，不管哪种情况都是uo=-Ud 。时，v2和v3导通，v1和v4关断，这时如io<0，则v2>

单极倍频SPWM

从Uo的波形可以看出，两路双极性调制经过全桥功率管的叠加之后最终的Uo波形变成了单极性，而且频率加倍，这就是这种调制方式称为单极性倍频调制的原因。这种调制方式波形完美，对各种负载的适应性好，因为倍频输出，LC的体积和成本可以比较小，缺点是4个功率管都工作在高频状态,因而开关损耗比较大。

问：不同的调制方式下，系统的工作模态会有所区别，那么什么是调制方式？

答：调制方式指的是对开关管的导通时间进行调制的方法。常见的调制方式包括单极性调制（Single-Polarity Modulation）和双极性调制（Dual-Polarity Modulation）。调制方式决定了开关管导通时间的规律，从而影响输出电压的波形和功率因数校正的效果。

下面，将分析单极性SPWM调制方式的工作模态，由于正负半周相对称，下面以正周期为例Vac>0，可以分为三个模态：（S3为常开状态，S4为常闭状态。）

工作模态一：此时Vg2和Vg4导通，电感电流上升，电感进行储能。S1体二极管仅在死区时间导通，可实现软开关，S1可在Toff时间导通，减少体二极管的压降。

工作模态二：此时Vg1和Vg4导通，电感释放能量，电感电流下降。

工作模态三：当电压正半周过零点时，S4关闭，S1导通时，此时也会导致单极性SPWM存在电流过零畸变的缺陷。

整个系统可以分为6个工作模态，如下所示：

控制策略

控制策略指的是根据输入电压和输出电流等信息，确定开关管导通时间的策略。控制策略的目标是调整开关管的导通时间，使得输出电流能够与输入电压同相或近似同相，从而实现功率因数校正。常见的控制策略包括平均电流模式（Average Current Mode）和边界电流模式（Boundary Current Mode）等。（其中，平均电流控制是CCM控制中的一种，还有峰值电流控制和滞环电流控制等）

CCM模式：适用于中等、大功率应用

DCM：最大峰值电流和电流纹波都比较大，开关管等器件的电流应力也比较大，一般适用于中小功率场合

CCM模式下的控制策略又可分为：平均电流控制、峰值电流控制和滞环电流控制等，控制策略如下图所示：

峰值电流控制：通过采样电感电流与参考基准进行比较，据此生成 PWM 控制信号，通过占空比来对电流进行调节控制。但是峰值电流控制对噪声比较敏感，而且在占空比超过 0.5 时会出现控制不稳定，需要额外加斜坡偿。

滞环电流控制：电流参考有上下两个阈值。滞环电流控制具有动态响应快、控制式自带限流功能等优点，但是滞环电流控制在一个周期内频率持续变化，容易降低电路 EMI 性能。

平均电流控制:同样也是采样电感电流，并与电流参考比较生成 PWM 控制信号。平均电流控制一般采用双环路控制，电压外环带宽较窄，环路响应速度慢，可以有效地减弱干扰对控制环路的影响；电流内环响应较快，使得控制的电流可以准确地跟踪参考。而且在一个周期内频率恒定，EMI 性能比滞环电流控制好，控制环路设计也较为简单。

拓展1：双向AC-DC电路拓扑

开关拓扑

对于无桥图腾柱而言，也常用于V2G的技术当中，即双向AC-DC变换电路中。对于AC-DC双向变换电路中，采用的拓扑还有如下所示：