隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展和各行各業(yè)中的廣泛應用，接入電網(wǎng)的電力電子開關(guān)電源設備是向電網(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)標準。歐美國家早已制定了電氣設備產(chǎn)生諧波的最低標準。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，比如通過改善拓撲電路結(jié)構(gòu)和控制方法等原因進行抑制，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。已有大量的文獻對PFC技術(shù)進行了相關(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)外專家和學者的廣泛關(guān)注，然而，在此領域還未有系統(tǒng)性的綜述文獻。本文是作者對國內(nèi)外的相關(guān)文獻進行了仔細研讀，并對PFC技術(shù)進行了深入研究，對無橋PFC變換器拓撲的合成方案進行的綜述，總結(jié)了三大類無橋PFC變換器拓撲的合成方案，比較了三種方案的優(yōu)缺點，并指出了無橋PFC變換器在實際應用中的瓶頸。最后，對無橋PFC變換器未來的發(fā)展提出了作者的觀點。

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)，導致低壓輸入時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，意法半導體公司首次將無橋PFC變換器方案應用到實際產(chǎn)品中，文獻給出了電路的具體實現(xiàn)。可以看出，無橋PFC變換器中控制中實現(xiàn)的難點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變換器的應用場合得到關(guān)注。從2002年起，TI公司、安森美半導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，且在實際產(chǎn)品中得到應用。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。下面就對這些無橋PFC變換器的實現(xiàn)方案進行分類。

2 無橋PFC變換器拓撲合成方案綜述

2.1 合成方案-1

PFC 變換器的實質(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 變換器實現(xiàn)直直變換。眾所周知，DC/DC 變換器只能實現(xiàn)直流到直流的變換，故要實現(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DC/DC 變換器從輸出電壓得到，其實現(xiàn)框圖如圖1(b)所示。根據(jù)圖1的思想和基本的DC/DC 變換器拓撲，如Buck、Boost、Buck-Boost、Cuk、Sepic、Zeta 變換器等，無橋AC/DC 變換器實現(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 變換器拓撲在文獻中已有詳述。其中，圖3 為基于該方案合成的無橋PFC 變換器拓撲。

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)，所以廣泛應用在PFC變換器拓撲中。本節(jié)就以這些變換器為主線，探討了無橋PFC變換器拓撲的發(fā)展歷程，從而總結(jié)出實現(xiàn)無橋PFC變換器拓撲的合成方案-2。

2.2.1 Boost無橋PFC變換器拓撲

Boost無橋PFC變換器拓撲的發(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撲變換器如圖3所示。與圖4(a)中變換器拓撲相比較，其它拓撲導通回路只存在兩個開關(guān)器件，從而減小了導通路徑中的導通損耗，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重，很難滿足實際產(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)動復雜，且輸入電壓不易采樣，增加了變換器的控制難度。仔細觀察，圖4(e)與圖4(f)是同一個拓撲結(jié)構(gòu)，在實際產(chǎn)品中已有應用。該拓撲不論在交流輸入正半周或是負半周， 輸入輸出始終共地， 且控制易實現(xiàn)。

2.2.2 Sepic、Cuk無橋PFC變換器拓撲

Sepic、Cuk無橋PFC變換器拓撲的發(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撲變換器如圖5所示。與圖5(a)、(b)中變換器拓撲相比較，其它拓撲導通回路只存在兩個開關(guān)器件，從而減小了導通路徑中的導通損耗，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)中的無橋拓撲是經(jīng)過圖5(c)中的拓撲改進而來，使得開關(guān)管共地，驅(qū)動電路簡單，控制易實現(xiàn)。 其中，圖5(f)中變換器拓撲的隔離形式如圖6所示。

2.2.3 Buck-Boost、Buck無橋PFC變換器拓撲

除了具有連續(xù)型輸入電流的變換器拓撲外，其它基本拓撲也可以實現(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 無橋拓撲合成方案-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撲如圖4(f)和圖5(f)，闡述其基本思想：使變換器在交流輸入正負半周分別工作于一個DC-DC變換器，即只在正半周輸入時，輸入電壓認為是波動的直流電壓，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DC-DC變換器，分別將其工作于交流輸入電壓的正半周和負半周，即可實現(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，但拓撲的推導并不那么容易得到。本文探索一種簡單的基于變換器拓撲的無橋PFC變換器實現(xiàn)方案，僅以Boost DC-DC變換器為例進行說明，Sepic、Cuk變換器拓撲合成與之類似。

傳統(tǒng)的Boost DC-DC變換器實現(xiàn)了輸入輸出電壓同極性，其正極性輸入和負極性輸入變換器拓撲分別如圖8(a)和8(b)所示，參考地信號的選取不同，同時也可得到如圖8(c)和圖8(d)所示的變換器拓撲。由圖8(a)和8(b)比較可知，要實現(xiàn)負極性輸出，只需將變換器拓撲中的二極管D反向即可。值得注意的是在實際應用中，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撲。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，所得到的拓撲也如圖9(a)所示。此拓撲的實現(xiàn)方式與圖5(c)中變換器拓撲的實現(xiàn)原理是一樣的。該拓撲較傳統(tǒng)的Boost PFC變換器而言，完全消除了二極管整流橋，在每個開關(guān)周期內(nèi)，只存在一個二極管損耗，提高變換器的效率。但該拓撲仍存在以下缺點：1) 變換器輸出存在兩個電解電容，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力；2) 開關(guān)管需要采用隔離驅(qū)動。

與此同時，圖8(a)和圖8(c)分別可以實現(xiàn)正極性輸入和負極性輸入，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用一個電感代替，負載電容使用一個電解電容，得到的無橋Boost變換器拓撲如圖9(b)所示。此拓撲的實現(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，得到的新型拓撲如圖9(c)所示。由圖9(c)可知，該變換器實現(xiàn)了負輸出電壓的Boost PFC變換器使用PMOS管實現(xiàn)原理圖如圖9(d)所示。與圖9(a)進行對比可知，圖9(b)所示的變換器輸出僅有一個電解電容構(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。

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DC-DC 變換器具有雙極性增益特性時，即對于正輸入電壓或負輸入電壓，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。但就拓撲的復雜程度來看，方案-1和方案-2均要采用兩個DC/DC變換器，而方案-3中的變換器可直接應用于無橋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[14]提出相應的解決方案，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，還有一定的改進空間。基于方案-3的思想實現(xiàn)的無橋PFC變換器，雖然變換器的主電路拓撲較簡單，但控制方式的實現(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變換器仍然是一個挑戰(zhàn)。有文獻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)實現(xiàn)無橋，增加一個中間儲能電容來彌補輸入輸出瞬時功率的的不平衡。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領域的研究熱點；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的控制實現(xiàn)方案。

5 結(jié)論

本文對目前存在的無橋PFC 變換器進行了綜述，并總結(jié)出無橋PFC 變換器的三種實現(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。