隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展和各行各業(yè)中的廣泛應(yīng)用，接入電網(wǎng)的電力電子開關(guān)電源設(shè)備是向電網(wǎng)注入諧波的主要來源，使得電力系統(tǒng)的諧波問題日益嚴(yán)重。諧波的抑制已經(jīng)引起了國內(nèi)外專家的關(guān)注，并且國內(nèi)外相關(guān)組織制定了限制電力系統(tǒng)諧波的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。歐美國家早已制定了電氣設(shè)備產(chǎn)生諧波的最低標(biāo)準(zhǔn)。抑制諧波有方法有內(nèi)因和外因兩種方案，內(nèi)因是從源頭上抑制諧波，比如通過改善拓?fù)潆娐方Y(jié)構(gòu)和控制方法等原因進(jìn)行抑制，外因是系統(tǒng)中已經(jīng)有諧波了，通過在系統(tǒng)中并聯(lián)濾波器（無源濾波器或者有源濾波器）來進(jìn)行抑制。本文分析的功率因素校正技術(shù)就是通過內(nèi)因的方法來抑制諧波成分，改善電網(wǎng)品質(zhì)因數(shù)。功率因數(shù)校正技術(shù)是抑制諧波的內(nèi)因之一。已有大量的文獻(xiàn)對PFC技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)研究。

對于全球工作電壓范圍(85V-265V)的PFC變換器，一般需要選取兩級式結(jié)構(gòu)，然而，傳統(tǒng)前級PFC變換器在低壓輸入時(shí)效率較低。無橋PFC變換器方案解決了這一問題，引起國內(nèi)外專家和學(xué)者的廣泛關(guān)注，然而，在此領(lǐng)域還未有系統(tǒng)性的綜述文獻(xiàn)。本文是作者對國內(nèi)外的相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行了仔細(xì)研讀，并對PFC技術(shù)進(jìn)行了深入研究，對無橋PFC變換器拓?fù)涞暮铣煞桨高M(jìn)行的綜述，總結(jié)了三大類無橋PFC變換器拓?fù)涞暮铣煞桨?，比較了三種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，并指出了無橋PFC變換器在實(shí)際應(yīng)用中的瓶頸。最后，對無橋PFC變換器未來的發(fā)展提出了作者的觀點(diǎn)。

1 無橋PFC變換器的發(fā)展現(xiàn)狀

在全球輸入電壓范圍內(nèi)，導(dǎo)致低壓輸入時(shí)PFC變換器的效率較低，為了解決這一問題，無橋PFC成為首選方案。早在1983年，D. M. Mitchell.提出了Dual-Boost無橋PFC變換器方案，與傳統(tǒng)橋式Boost PFC變換器相比，無橋方案利用開關(guān)代替橋臂二極管，減小了導(dǎo)通路徑開關(guān)器件的損耗，從而提高了效率。直到2002年，意法半導(dǎo)體公司首次將無橋PFC變換器方案應(yīng)用到實(shí)際產(chǎn)品中，文獻(xiàn)給出了電路的具體實(shí)現(xiàn)?？梢钥闯?，無橋PFC變換器中控制中實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)在于輸入交流電流的采樣和輸入電壓的采樣，造成控制方案較為復(fù)雜。繼而，研究者探尋了新的控制方案。單周期控制(One Cycle Control,OCC)不需要采樣輸入交流電壓，不需要乘法器，在無橋PFC變換器的應(yīng)用場合得到關(guān)注。從2002年起，TI公司、安森美半導(dǎo)體等都在尋求一種更優(yōu)的無橋PFC變換器解決方案。其中，2-phase Boost無橋PFC變換器成為研究主流，且在實(shí)際產(chǎn)品中得到應(yīng)用。但是，國內(nèi)外研究者試圖尋求更優(yōu)的無橋PFC解決方案，出現(xiàn)了大量關(guān)于無橋PFC變換器的相關(guān)文獻(xiàn)。下面就對這些無橋PFC變換器的實(shí)現(xiàn)方案進(jìn)行分類。

2 無橋PFC變換器拓?fù)浜铣煞桨妇C述

2.1 合成方案-1

PFC 變換器的實(shí)質(zhì)是將交流電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的直流電壓，傳統(tǒng)PFC 變換器的實(shí)現(xiàn)方案是將交流電壓經(jīng)過整流橋后變?yōu)轲z頭波，后接DC/DC 變換器實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定輸出的直流電壓。方案-1 的思想是將不經(jīng)過整流橋的交流電壓直接轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定輸出的直流電壓，其實(shí)現(xiàn)框圖如圖1 所示。圖1(a)中，輸入電壓e(t)=Esin(2πfet)，E 為輸入電壓的峰值，U 為輸出電壓。其中， DC/DC 變換器實(shí)現(xiàn)直直變換。眾所周知，DC/DC 變換器只能實(shí)現(xiàn)直流到直流的變換，故要實(shí)現(xiàn)圖1(a)中的變換，須滿足

ε>E (1)

為了獲得直流量ε，需要另一個(gè)DC/DC 變換器從輸出電壓得到，其實(shí)現(xiàn)框圖如圖1(b)所示。根據(jù)圖1的思想和基本的DC/DC 變換器拓?fù)?，如Buck、Boost、Buck-Boost、Cuk、Sepic、Zeta 變換器等，無橋AC/DC 變換器實(shí)現(xiàn)框圖可能存在兩種狀況，分別如圖2(a)和圖2(b)所示。按照此規(guī)則合成的無橋PFC 變換器拓?fù)湓谖墨I(xiàn)中已有詳述。其中，圖3 為基于該方案合成的無橋PFC 變換器拓?fù)洹?/p>

2.2 合成方案-2

理論上，經(jīng)過整流橋后的饅頭波電壓，后接任何DC/DC變換器均可以實(shí)現(xiàn)PFC功能。由于Boost、Sepic、Cuk等基本變換器的輸入電流連續(xù)，所以廣泛應(yīng)用在PFC變換器拓?fù)渲小１竟?jié)就以這些變換器為主線，探討了無橋PFC變換器拓?fù)涞陌l(fā)展歷程，從而總結(jié)出實(shí)現(xiàn)無橋PFC變換器拓?fù)涞暮铣煞桨?2。

2.2.1 Boost無橋PFC變換器拓?fù)?/p>

Boost無橋PFC變換器拓?fù)涞陌l(fā)展歷程如圖4所示。其中，圖4(a)為傳統(tǒng)Boost PFC變換器，由此衍生出的無橋拓?fù)渥儞Q器如圖3所示。與圖4(a)中變換器拓?fù)湎啾容^，其它拓?fù)鋵?dǎo)通回路只存在兩個(gè)開關(guān)器件，從而減小了導(dǎo)通路徑中的導(dǎo)通損耗，提高了效率。圖4(b)中的圖騰式Boost無橋PFC變換器不能工作于CCM模式，限制了其應(yīng)用；而圖4(c)中的Dual-Boost無橋PFC變換器輸入與輸出不共地，造成變換器的共模噪聲嚴(yán)重，很難滿足實(shí)際產(chǎn)品的要求；圖4(d)雙向開關(guān)Boost無橋PFC變換器，開關(guān)管懸空，驅(qū)動(dòng)復(fù)雜，且輸入電壓不易采樣，增加了變換器的控制難度。仔細(xì)觀察，圖4(e)與圖4(f)是同一個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在實(shí)際產(chǎn)品中已有應(yīng)用。該拓?fù)洳徽撛诮涣鬏斎胝胫芑蚴秦?fù)半周， 輸入輸出始終共地， 且控制易實(shí)現(xiàn)。

2.2.2 Sepic、Cuk無橋PFC變換器拓?fù)?/p>

Sepic、Cuk無橋PFC變換器拓?fù)涞陌l(fā)展歷程如圖5所示。其中，圖5(a)、(b)為傳統(tǒng)橋式PFC變換器，由此衍生出的無橋拓?fù)渥儞Q器如圖5所示。與圖5(a)、(b)中變換器拓?fù)湎啾容^，其它拓?fù)鋵?dǎo)通回路只存在兩個(gè)開關(guān)器件，從而減小了導(dǎo)通路徑中的導(dǎo)通損耗，提高了效率。圖5(d)、(e)分別為圖騰式Sepic、Cuk無橋PFC變換器，該變換器不能工作于CCM模式；而圖5(c)為雙向開關(guān)Sepic無橋PFC變換器，變換器的輸出端橫跨于兩個(gè)輸出電容上。圖5(g)、(h)為Dual-Sepic無橋PFC變換器和Dual-Cuk無橋PFC變換器。圖5(f)為2-相無橋Cuk PFC變換器。圖5(i)、(j)中的無橋拓?fù)涫墙?jīng)過圖5(c)中的拓?fù)涓倪M(jìn)而來，使得開關(guān)管共地，驅(qū)動(dòng)電路簡單，控制易實(shí)現(xiàn)。 其中，圖5(f)中變換器拓?fù)涞母綦x形式如圖6所示。

2.2.3 Buck-Boost、Buck無橋PFC變換器拓?fù)?/p>

除了具有連續(xù)型輸入電流的變換器拓?fù)渫猓渌就負(fù)湟部梢詫?shí)現(xiàn)PFC功能[6][36]。圖7(b)和圖7(d)分別Buck無橋PFC變換器、級聯(lián)Buck-Boost無橋PFC變換器。該類PFC變換器輸入電流呈等于開關(guān)電流，輸入電流不連續(xù)，所以變換器的功率受到一定的限制，且需要的更大的輸入濾波器。

2.2.4 無橋拓?fù)浜铣煞桨?2的基本思想

由合成方案-1可知，PFC變換器的基本思路是實(shí)現(xiàn)交流電壓到穩(wěn)定直流電壓輸出的轉(zhuǎn)換。比較明顯的變換器拓?fù)淙鐖D4(f)和圖5(f)，闡述其基本思想：使變換器在交流輸入正負(fù)半周分別工作于一個(gè)DC-DC變換器，即只在正半周輸入時(shí)，輸入電壓認(rèn)為是波動(dòng)的直流電壓，經(jīng)過DC-DC變換器后，轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的直流電壓輸出。所以，從原理上來說，任何兩個(gè)DC-DC變換器，分別將其工作于交流輸入電壓的正半周和負(fù)半周，即可實(shí)現(xiàn)從交流輸入到穩(wěn)定直流輸出的轉(zhuǎn)換。雖然，思想是很顯然的，但拓?fù)涞耐茖?dǎo)并不那么容易得到。本文探索一種簡單的基于變換器拓?fù)涞臒o橋PFC變換器實(shí)現(xiàn)方案，僅以Boost DC-DC變換器為例進(jìn)行說明，Sepic、Cuk變換器拓?fù)浜铣膳c之類似。

傳統(tǒng)的Boost DC-DC變換器實(shí)現(xiàn)了輸入輸出電壓同極性，其正極性輸入和負(fù)極性輸入變換器拓?fù)浞謩e如圖8(a)和8(b)所示，參考地信號的選取不同，同時(shí)也可得到如圖8(c)和圖8(d)所示的變換器拓?fù)?。由圖8(a)和8(b)比較可知，要實(shí)現(xiàn)負(fù)極性輸出，只需將變換器拓?fù)渲械亩O管D反向即可。值得注意的是在實(shí)際應(yīng)用中，圖8(b)中的開關(guān)管S1使用PMOS較為合適，本文為了分析方便仍采用NMOS。

將兩個(gè)相同的如圖8(a)所示的Boost DC-DC變換器組合，可構(gòu)成如圖4(c)(e)(f)所示的無橋變換器拓?fù)?。組合如圖8(a)、8(b)所得的新型無橋Dual-BoostPFC變換器如圖9(a)所示。同理可知，由圖8(c)和圖8(d)也可以組合成無橋PFC變換器，分析可知，所得到的拓?fù)湟踩鐖D9(a)所示。此拓?fù)涞膶?shí)現(xiàn)方式與圖5(c)中變換器拓?fù)涞膶?shí)現(xiàn)原理是一樣的。該拓?fù)漭^傳統(tǒng)的Boost PFC變換器而言，完全消除了二極管整流橋，在每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，只存在一個(gè)二極管損耗，提高變換器的效率。但該拓?fù)淙源嬖谝韵氯秉c(diǎn)：1) 變換器輸出存在兩個(gè)電解電容，且輸出電壓加倍。電解電容增大了變換器的體積，輸出電壓加倍也增加了器件的電壓應(yīng)力；2) 開關(guān)管需要采用隔離驅(qū)動(dòng)。

與此同時(shí)，圖8(a)和圖8(c)分別可以實(shí)現(xiàn)正極性輸入和負(fù)極性輸入，也可以將其組合構(gòu)建無橋PFC變換器。將圖8(a)和圖8(c)中的電感L1用一個(gè)電感代替，負(fù)載電容使用一個(gè)電解電容，得到的無橋Boost變換器拓?fù)淙鐖D9(b)所示。此拓?fù)涞膶?shí)現(xiàn)原理與圖5(i)、(j)類似。同理可知，圖8(b)和圖8(d)也可以合成新型無橋PFC變換器，得到的新型拓?fù)淙鐖D9(c)所示。由圖9(c)可知，該變換器實(shí)現(xiàn)了負(fù)輸出電壓的Boost PFC變換器使用PMOS管實(shí)現(xiàn)原理圖如圖9(d)所示。與圖9(a)進(jìn)行對比可知，圖9(b)所示的變換器輸出僅有一個(gè)電解電容構(gòu)成，消除了輸出倍壓，且該變換器完全消除了傳統(tǒng)Boost PFC變換器中的整流橋，提高了效率。圖9(c)所示的變換器與圖9(b)有著類似的結(jié)構(gòu)，但輸出電壓為負(fù)。

2.3 合成方案-3

傳統(tǒng)DC-DC 變換器的輸出/輸入電壓增益是單極性的，它只能把正輸入電壓變換為正輸出電壓或負(fù)輸出電壓，而PFC 變換器本質(zhì)上是AC-DC 變換器，需要將交流電壓變換為穩(wěn)定輸出的直流電壓。因此，傳統(tǒng)DC-DC 變換器不能直接作為PFC變換器電路。為了實(shí)現(xiàn)PFC，最直接的方法是通過前端整流橋?qū)⒔涣麟妷鹤優(yōu)轭愃起z頭波的直流電壓，再經(jīng)過DC-DC 變換器得到穩(wěn)定的直流輸出電壓。傳統(tǒng)橋式PFC 變換器不能消除整流橋的根本原因在于傳統(tǒng)DC-DC 變換器只具有單極性增益，當(dāng)DC-DC 變換器具有雙極性增益特性時(shí)，即對于正輸入電壓或負(fù)輸入電壓，DC-DC 變換器的輸出極性保持不變，則這樣的DC-DC 變換器可以直接實(shí)現(xiàn)AC-DC 變換，從而可以消除傳統(tǒng)AC-DC 變換器中的整流橋，提高變換器的效率。

基于此思想尋求目前存在的具有雙極性的DC-DC變換器，如圖10所示。假設(shè)開關(guān)管S1的占空比，得到的變換器的增益特性曲線如圖11所示。圖10(a)和圖10(b)得到的增益曲線如圖11(a)所示，圖10(c)和圖10(d)得到的增益曲線如圖11(b)所示。

直到2010年，Slobodan Cuk提出了一種新型的無橋PFC變換器，將可控開關(guān)換成雙向開關(guān)，該變換器可以直接應(yīng)用PFC變換器中，原理圖如圖12所示。此變換器的提出，引起了研究者的關(guān)注.

3 三種合成方案的比較

在前面介紹了三種無橋PFC變換器的合成方案。從原理上來看，三種方案方案消除傳統(tǒng)橋式Boost PFC變換器中的二極管整流橋，提高效率。但就拓?fù)涞膹?fù)雜程度來看，方案-1和方案-2均要采用兩個(gè)DC/DC變換器，而方案-3中的變換器可直接應(yīng)用于無橋AC-DC變換器。在方案-1和方案-2中，器件的利用率不高。且方案-1存在較為嚴(yán)重的環(huán)流功率損耗，雖然消除了二極管整流橋，但是變換器的效率仍然較低。針對方案-1的不足，文獻(xiàn)[14]提出相應(yīng)的解決方案，但是效果仍不明顯。對于方案-1可以分別控制輸入交流電流和輸出電壓，實(shí)現(xiàn)了控制解耦，簡化了控制方案。方案-2種的兩相PFC變換器方案是目前采用的成熟方案，但是造成器件閑置，還有一定的改進(jìn)空間?；诜桨?3的思想實(shí)現(xiàn)的無橋PFC變換器，雖然變換器的主電路拓?fù)漭^簡單，但控制方式的實(shí)現(xiàn)與傳統(tǒng)橋式PFC變換器有所不同，造成控制成本增加。

4 無橋PFC變換器的發(fā)展方向

傳統(tǒng)的無橋PFC變換器合成方案均是針對于兩級結(jié)構(gòu)，其中，前級PFC變換器實(shí)現(xiàn)無橋方案，后級采用高效率高頻隔離DC-DC變換器。為了進(jìn)一步提高PFC變換器的效率，單級PFC變換器得到廣泛關(guān)注。有文獻(xiàn)指出交流電壓經(jīng)過整流橋，后接高頻隔離的DC-DC變換器可以實(shí)現(xiàn)單級PFC變換器。然而，發(fā)展無橋單級PFC變換器仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。有文獻(xiàn)提出了半橋單級無橋PFC變換器，其基本思想利用圖騰式結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)無橋，增加一個(gè)中間儲能電容來彌補(bǔ)輸入輸出瞬時(shí)功率的的不平衡。所以，可以將本文介紹的無橋PFC合成方案應(yīng)用到單級PFC變換器中。

在未來幾年內(nèi)，單級無橋PFC變換器仍然是PFC領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)；對具有雙極性增益變換器的研究也將是無橋PFC變換器的發(fā)展方向。阻礙發(fā)展的瓶頸是如何簡化雙極型增益變換器中PFC的控制實(shí)現(xiàn)方案。

5 結(jié)論

本文對目前存在的無橋PFC 變換器進(jìn)行了綜述，并總結(jié)出無橋PFC 變換器的三種實(shí)現(xiàn)方案。分別介紹了基于Boost、Sepic、Cuk 變換器的無橋PFC變換器發(fā)展歷程。最后，指出單級無橋PFC 變換器和雙極性增益變換器將是無橋PFC 變換器的發(fā)展方向。