图腾柱无桥PFC电路的工作原理及仿真分析

图腾无桥PFC电路，自己第一次接触，看了几篇论文学习了一下其相关的知识，简单总结一下分享出来，希望对大家有所帮助。图腾无桥是一种简单、效率高且成本低的功率因数校正电路，其电路结构如图一所示：

 

 

图一 图腾无桥PFC电路拓扑

图腾柱无桥PFC电路的工作原理如下：D1, D2是低频二极管，S1, S2作为高频功率管;DS1是S1的寄生体二极管，DS2是S2的寄生体二极管。

当交流输入处在正半周工作周期内，电路工作状态为如图二所示：高频功率管S2导通，交流输入通过S2, D2开始对L1进行充电，L1在功率管导通阶段进行储能;负载由输出电容供电，输出地通过低频二极管D2连接到输入端。当功率管S2导通结束时，工作状态转为如图二(d)所示：流过S2的电流转变到S1的寄生体二极管DS1上。DS1和D2构成L1的续流通路，L1的电压反向，L1释放电能;L1和交流输入共同向输出电容和负载提供电能。

 

 

图二 正半周工作过程

 

 

图三 负半周工作过程

当交流输入处在负半周工作周期内，电路工作状态和以上分析保持一致，具体如图三所示：高频功率管S1开通，交流输入通过S1, D1开始对L1进行反向充电;L1在功率管导通阶段进行储能，负载由输出电容供电;输出母线通过D1连接到输入端。功率管导通结束时，流过S1的电流转变到S2的寄生体二极管DS2上，其和D1构成L1续流通路，L1两端电压反向，L1释放电能，L1和交流输入共同向Co和负载供给能量。结合以上工作模式我们就可以知道：在输入的正半周，S2处于高频开通与关断状态，D2一直保持正向开通状态。在输入的负半周，S1处于高频通断状态，D1一直保持正向开通状态，因此开关管驱动的变化情况如图四所示：

 

 

图四 图腾柱PFC开关信号通过以上对工作过程的分析我们可以得到一个结论：

图腾无桥PFC电路实质上是一种Boost PFC变换器

，所以其控制参数的设计完全可以按照Boost的相关理论去进行，并且根据其电路工作过程的对称性，我们以电网电压处于正半周工作周期内时进行分析，其电路结构如图五所示：

 

 

图五 电网电压正半周L1相电路结构图

根据以上的分析，搭建Matlab仿真模型如下：

 

 

图六 仿真模型

 

 

图七 控制电路模型

关于图七，控制上我们采用电压电流双闭环的平均电流控制，注意我们通过取绝对值操作将输入的电网电流统一变为正半周期内，进而方便控制;并且，通过检测输入电压实现过零检测，与原来的驱动信号进行取与操作，进而决定导通时序。仿真结果如图七所示：

 

 

图七 仿真结果

由图七可知，母线电压基本稳定在400V附近，由于整流电路的特殊性，母线电压上存在100Hz的二倍频(相对于输入50Hz)的纹波，故正常;交流电流与交流电压相位相同，可实现单位功率因数。此外，相比于单相PWM整流(四个开关管)而言，图腾无桥PFC无法完美地实现保证功率因数的同时，并网电流的谐波畸变率(THD)又足够低。因此，观察图七的交流电流可看出其有稍微的畸变，不是完美的正弦波，但这在可以接受的范围内。

最后说一下图腾无桥PFC电路的缺点：结合电路工作原理，MOSFET的寄生体二极管和传统BOOST有源PFC中的二极管有着同样的作用。假设采用MOSFET作为功率管，并且工作在电流连续模式(CCM)，如图三(d)示。在S2断开时间，S1的体二极管和快速二极管起到同样的作用;当S2重新导通时，S2中既有输入电流，还包含S1寄生体二极管的反向恢复电流，这样在S2上就会造成非常高的损耗，更甚者由于反向恢复所产生的电流尖峰超过开关管S2的耐流限制从而击穿开关管，因此其不适合工作在大功率连续模式，进而限制了其应用场合。

然而，随着半导体技术的不断发展，CaN、SiC等高性能器件开始出现，它们具有反向恢复时间极短且能反向导通的特性，这个问题迎刃而解，进而大大扩展了图腾柱无桥PFC电路使用范围。