⽆桥PFC的历史、⽆桥PFC的现状、⽆桥PFC的发展
0 引⾔
随着电⼒电⼦技术的快速发展和各⾏各业中的⼴泛应⽤，接⼊电⽹的电⼒电⼦开关电源设备是向电⽹注⼊谐波的主要来源，使得电⼒系统的谐波问题⽇益严重。谐波的抑制已经引起了国内外专家的关注，并且国内外相关组织制定了限制电⼒系统谐波的相关标准。欧美国家早已制定了电⽓设备产⽣谐波的最低标准。抑制谐波有⽅法有内因和外因两种⽅案，内因是从源头上抑制谐波，⽐如通过改善拓扑电路结构和控制⽅法等原因进⾏抑制，外因是系统中已经有谐波了，通过在系统中并联滤波器（⽆源滤波器或者有源滤波器）来进⾏抑制。本⽂分析的功率因素校正技术就是通过内因的⽅法来抑制谐波成分，改善电⽹品质因数。功率因数校正技术是抑制谐波的内因之⼀。已有⼤量的⽂献对PFC技术进⾏了相关研究。 对于全球⼯作电压范围(85V-265V)的PFC变换器，⼀般需要选取两级式结构，然⽽，传统前级PFC变换器在低压输⼊时效率较低。⽆桥PFC变换器⽅案解决了这⼀问题，引起国内外专家和学者的⼴泛关注，然⽽，在此领域还未有系统性的综述⽂献。本⽂是作者对国内外的相关⽂献进⾏了仔细研读，并对PFC技术进⾏了深⼊研究，对⽆桥PFC变换器拓扑的合成⽅案进⾏的综述，总结了三⼤类⽆桥PFC变换器拓扑的合成⽅案，⽐较了三种⽅案的优缺点，并指出了⽆桥PFC变换器在实际应⽤中的瓶颈。最后，对⽆桥PFC变换器未来的发展提出了作者的观点。
1 ⽆桥PFC变换器的发展现状
在全球输⼊电压范围内，导致低压输⼊时PFC变换器的效率较低，为了解决这⼀问题，⽆桥PFC成为⾸选⽅案。早在1983年，D. M. Mitchell.提出了Dual-Boost⽆桥PFC变换器⽅案，与传统桥式Boost PFC变换器相⽐，⽆桥⽅案利⽤开关代替桥臂⼆极管，减⼩了导通路径开关器件的损耗，从⽽提⾼了效率。直到2002年，意法半导体公司⾸次将⽆桥PFC变换器⽅案应⽤到实际产品中，⽂献给出了电路的具体实现。可以看出，⽆桥PFC变换器中控制中实现的难点在于输⼊交流电流的采样和输⼊电压的采样，造成控制⽅案较为复杂。继⽽，研究者探寻了新的控制⽅案。单周期控制(One Cycle Control,OCC)不需要采样输⼊交流电压，不需要乘法器，在⽆桥PFC变换器的应⽤场合得到关注。从2002年起，TI公司、安森美半导体等都在寻求⼀种更优的⽆桥PFC变换器解决⽅案。其中，2-phase Boost⽆桥PFC变换器成为研究主流，且在实际产品中得到应⽤。但是，国内外研究者试图寻求更优的⽆桥PFC解决⽅案，出现了⼤量关于⽆桥PFC变换器的相关⽂献。下⾯就对这些⽆桥PFC变换器的实现⽅案进⾏分类。 2 ⽆桥PFC变换器拓扑合成⽅案综述
2.1 合成⽅案-1
PFC 变换器的实质是将交流电压转换为稳定的直流电压，传统PFC 变换器的实现⽅案是将交流电压
经过整流桥后变为馒头波，后接DC/DC 变换器实现稳定输出的直流电压。⽅案-1 的思想是将不经过整流桥的交流电压直接转换为稳定输出的直流电压，其实现框图如图1 所⽰。图1(a)中，输⼊电压e(t)=Esin(2πfet)，E 为输⼊电压的峰值，U 为输出电压。其中， DC/DC 变换器实现直直变换。众所周知，DC/DC 变换器只能实现直流到直流的变换，故要实现图1(a)中的变换，须满⾜ ε>E (1)
为了获得直流量ε，需要另⼀个DC/DC 变换器从输出电压得到，其实现框图如图1(b)所⽰。根据图1的思想和基本的DC/DC 变换器拓扑，如Buck、Boost、Buck-Boost、Cuk、Sepic、Zeta 变换器等，⽆桥AC/DC 变换器实现框图可能存在两种状况，分别如图2(a)和图2(b)所⽰。按照此规则合成的⽆桥PFC 变换器拓扑在⽂献中已有详述。其中，图3 为基于该⽅案合成的⽆桥PFC 变换器拓扑。
2.2 合成⽅案-2
理论上，经过整流桥后的馒头波电压，后接任何DC/DC变换器均可以实现PFC功能。由于Boost、Sepic、Cuk等基本变换器的输⼊电流连续，所以⼴泛应⽤在PFC变换器拓扑中。本节就以这些变换器为主线，探讨了⽆桥PFC变换器拓扑的发展历程，从⽽总结出实现⽆桥PFC变换器拓扑的合成⽅案-2。
2.2.1 Boost⽆桥PFC变换器拓扑
睫毛器Boost⽆桥PFC变换器拓扑的发展历程如图4所⽰。其中，图4(a)为传统Boost PFC变换器，由此衍⽣出的⽆桥拓扑变换器如图3所⽰。与图4(a)中变换器拓扑相⽐较，其它拓扑导通回路只存在两个开关器件，从⽽减⼩了导通路径中的导通损耗，提⾼了效率。图4(b)中的图腾式Boost⽆桥PFC变换器不能⼯作于CCM模式，限制了其应⽤；⽽图4(c)中的Dual-Boost⽆桥PFC变换器输⼊与输出不共地，造成变换器的共模噪声严重，很难满⾜实际产品的要求；图4(d)双向开关Boost⽆桥PFC变换器，开关管悬空，驱动复杂，且输⼊电压不易采样，增加了变换器的控制难度。仔细观察，图4(e)与图4(f)是同⼀个拓扑结构，在实际产品中已有应⽤。该拓扑不论在交流输⼊正半周或是负半周，输⼊输出始终共地，且控制易实现。
2.2.2 Sepic、Cuk⽆桥PFC变换器拓扑
cielabSepic、Cuk⽆桥PFC变换器拓扑的发展历程如图5所⽰。其中，图5(a)、(b)为传统桥式PFC变换器，由此衍⽣出的⽆桥拓扑变换器如图5所⽰。与图5(a)、(b)中变换器拓扑相⽐较，其它拓扑导通回路只存在两个开关器件，从⽽减⼩了导通路径中的导通损耗，提⾼了效率。图5(d)、(e)分别为图腾式Sepic、Cuk⽆桥PFC变换器，该变换器不能⼯作于CCM模式；⽽图5(c)为双向开关Sepic⽆桥PFC变换器，变换器的输出端横跨于两个输出电容上。图5(g)、(h)为Dual-Sepic⽆桥PFC变换器和Dual-Cuk⽆桥PFC变换器。图5(f)为2-相⽆桥Cuk PFC变换器。图5(i)、(j)中的⽆桥拓扑是经过图5(c)中的拓扑改进⽽来，使得开关管共地，驱动电路简单，控制易实现。其中，图5(f)中变换器拓扑的隔离形式如图6
15gan所⽰。2.2.3 Buck-Boost、Buck⽆桥PFC变换器拓扑
三角形算法除了具有连续型输⼊电流的变换器拓扑外，其它基本拓扑也可以实现PFC功能[6][36]。图7(b)和图7(d)分别Buck⽆桥PFC变换器、级联Buck-Boost⽆桥PFC变换器。该类PFC变换器输⼊电流呈等于开关电流，输⼊电流不连续，所以变换器的功率受到⼀定的限制，且需要的更⼤的输⼊滤波器。
2.2.4 ⽆桥拓扑合成⽅案-2的基本思想
由合成⽅案-1可知，PFC变换器的基本思路是实现交流电压到稳定直流电压输出的转换。⽐较明显的变换器拓扑如图
4(f)和图5(f)，阐述其基本思想：使变换器在交流输⼊正负半周分别⼯作于⼀个DC-DC变换器，即只在正半周输⼊时，输⼊电压认为是波动的直流电压，经过DC-DC变换器后，转换为稳定的直流电压输出。所以，从原理上来说，任何两个DC-DC变换器，分别将其⼯作于交流输⼊电压的正半周和负半周，即可实现从交流输⼊到稳定直流输出的转换。虽然，思想是很显然的，但拓扑的推导并不那么容易得到。本⽂探索⼀种简单的基于变换器拓扑的⽆桥PFC变换器实现⽅案，仅以Boost DC-DC变换器为例进⾏说明，Sepic、Cuk变换器拓扑合成与之类似。
传统的Boost DC-DC变换器实现了输⼊输出电压同极性，其正极性输⼊和负极性输⼊变换器拓扑分别
如图8(a)和8(b)所⽰，参考地信号的选取不同，同时也可得到如图8(c)和图8(d)所⽰的变换器拓扑。由图8(a)和8(b)⽐较可知，要实现负极性输出，只需将变换器拓扑中的⼆极管D反向即可。值得注意的是在实际应⽤中，图8(b)中的开关管S1使⽤PMOS较为合适，本⽂为了分析⽅便仍采⽤NMOS。
将两个相同的如图8(a)所⽰的Boost DC-DC变换器组合，可构成如图4(c)(e)(f)所⽰的⽆桥变换器拓扑。组合如图8(a)、8(b)所得的新型⽆桥Dual-BoostPFC变换器如图9(a)所⽰。同理可知，由图8(c)和图8(d)也可以组合成⽆桥PFC变换器，分析可知，所得到的拓扑也如图9(a)所⽰。此拓扑的实现⽅式与图5(c)中变换器拓扑的实现原理是⼀样的。该拓扑较传统的Boost PFC变换器⽽⾔，完全消除了⼆极管整流桥，在每个开关周期内，只存在⼀个⼆极管损耗，提⾼变换器的效率。但该拓扑仍存在以下缺点：1) 变换器输出存在两个电解电容，且输出电压加倍。电解电容增⼤了变换器的体积，输出电压加倍也增加了器件的电压应⼒；2) 开关管需要采⽤隔离驱动。
与此同时，图8(a)和图8(c)分别可以实现正极性输⼊和负极性输⼊，也可以将其组合构建⽆桥PFC变换器。将图8(a)和图8(c)中的电感L1⽤⼀个电感代替，负载电容使⽤⼀个电解电容，得到的⽆桥Boost变换器拓扑如图9(b)所⽰。此拓扑的实现原理与图5(i)、(j)类似。同理可知，图8(b)和图8(d)也可以合成新型⽆桥PFC变换器，得到的新型拓扑如图9(c)所⽰。由图9(c)可知，该变换器实现了负输出电压的Boost PFC变换器使⽤PMOS管实现原理图如图9(d)所⽰。与图9(a)进⾏对⽐可知，图9(b)所⽰的变换器输出仅有⼀个电解电容构成，消除了输出倍压，且该变换器完全消除了传统Boost PFC变
换器中的整流桥，提⾼了效率。图9(c)所⽰的变换器与图9(b)有着类似的结构，但输出电压为负。
2.3 合成⽅案-3
传统DC-DC 变换器的输出/输⼊电压增益是单极性的，它只能把正输⼊电压变换为正输出电压或负输出电压，⽽PFC 变换器本质上是AC-DC 变换器，需要将交流电压变换为稳定输出的直流电压。因此，传统DC-DC 变换器不能直接作为PFC变换器电路。为了实现PFC，最直接的⽅法是通过前端整流桥将交流电压变为类似馒头波的直流电压，再经过DC-DC 变换器得到稳定的直流输出电压。传统桥式PFC 变换器不能消除整流桥的根本原因在于传统DC-DC 变换器只具有单极性增益，当DC-DC 变换器具有双极性增益特性时，即对于正输⼊电压或负输⼊电压，DC-DC 变换器的输出极性保持不变，则这样的DC-DC 变换器可以直接实现AC-DC 变换，从⽽可以消除传统AC-DC 变换器中的整流桥，提⾼变换器的效率。
基于此思想寻求⽬前存在的具有双极性的DC-DC变换器，如图10所⽰。假设开关管S1的占空⽐，得到的变换器的增益特性曲线如图11所⽰。图10(a)和图10(b)得到的增益曲线如图11(a)所⽰，图10(c)和图10(d)得到的增益曲线如图11(b)所⽰。
直到2010年，Slobodan Cuk提出了⼀种新型的⽆桥PFC变换器，将可控开关换成双向开关，该变换器可以直接应⽤PFC变换器中，原理图如图12所⽰。此变换器的提出，引起了研究者的关注.
3 三种合成⽅案的⽐较
在前⾯介绍了三种⽆桥PFC变换器的合成⽅案。从原理上来看，三种⽅案⽅案消除传统桥式Boost PFC变换器中的⼆极管整流桥，提⾼效率。但就拓扑的复杂程度来看，⽅案-1和⽅案-2均要采⽤两个DC/DC变换器，⽽⽅案-3中的变换器可直接应⽤于⽆桥AC-DC变换器。在⽅案-1和⽅案-2中，器件的利⽤率不⾼。且⽅案-1存在较为严重的环流功率损耗，虽然消除了⼆极管整流桥，但是变换器的效率仍然较低。针对⽅案-1的不⾜，⽂献[14]提出相应的解决⽅案，但是效果仍不明显。对于⽅案-1可以分别控制输⼊交流电流和输出电压，实现了控制解耦，简化了控制⽅案。⽅案-2种的两相PFC 变换器⽅案是⽬前采⽤的成熟⽅案，但是造成器件闲置，还有⼀定的改进空间。基于⽅案-3的思想实现的⽆桥PFC变换器，虽然变换器的主电路拓扑较简单，但控制⽅式的实现与传统桥式PFC变换器有所不同，造成控制成本增加。
4 ⽆桥PFC变换器的发展⽅向
传统的⽆桥PFC变换器合成⽅案均是针对于两级结构，其中，前级PFC变换器实现⽆桥⽅案，后级采⽤⾼效率⾼频隔离DC-DC变换器。为了进⼀步提⾼PFC变换器的效率，单级PFC变换器得到⼴泛关注。有⽂献指出交流电压经过整流桥，后接⾼频隔离的DC-DC变换器可以实现单级PFC变换器。然⽽，发展⽆桥单级PFC变换器仍然是⼀个挑战。有⽂献提出了半桥单级⽆桥PFC变换器，其基本思想
利⽤图腾式结构实现⽆桥，增加⼀个中间储能电容来弥补输⼊输出瞬时功率的的不平衡。所以，可以将本⽂介绍的⽆桥PFC合成⽅案应⽤到单级PFC变换器中。
在未来⼏年内，单级⽆桥PFC变换器仍然是PFC领域的研究热点；对具有双极性增益变换器的研究也将是⽆桥PFC变换器的发展⽅向。阻碍发展的瓶颈是如何简化双极型增益变换器中PFC的控制实现⽅案。
5 结论旋转木马音乐盒
本⽂对⽬前存在的⽆桥PFC 变换器进⾏了综述，并总结出⽆桥PFC 变换器的三种实现⽅案。分别介绍了基于Boost、Sepic、Cuk 变换器的⽆桥PFC变换器发展历程。最后，指出单级⽆桥PFC 变换器和双极性增益变换器将是⽆桥PFC 变换器的发展⽅向。
