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无桥图腾柱PFC原理及MATLAB仿真

article 2024/11/4 17:10:05

一、无桥图腾柱PFC概述

1.无桥图腾柱的拓扑结构

（伪）无桥图腾柱PFC：由两个MOSFET和两个整流二极管组成，其中两个MOSFET都是快管。

（真）无桥图腾柱PFC：由四个MOSFET组成，其中左侧两个为快管，右侧两个为慢管。

电感：无桥图腾柱 PFC 电路中通常有至少一个电感（交错型无桥图腾柱PFC有两个电感），用于储存和释放能量。电感在电路中的作用是对电流的变化起到阻碍作用，使电流变化相对平缓，这有助于实现功率因数校正。当电感处于充电状态时，电流逐渐增加，储存能量；当电感处于放电状态时，电流逐渐减小，释放能量。
开关管：包括高频开关管和工频开关管。高频开关管通常采用具有较高开关速度的半导体器件，如碳化硅（SiC）或氮化镓（GaN）MOSFET，它们负责在高频下快速切换电流路径，以实现对输入电流的整形和功率因数的校正。工频开关管工作在电网频率（如 50Hz 或 60Hz）下，主要用于对输入电压进行整流等功能。
滤波电容：用于平滑输出电压，使输出的直流电压更加稳定。滤波电容可以将输出电压中的纹波电压滤除，减少电压的波动，为后续的负载提供稳定的直流电源。

2.无桥图腾柱 PFC 的工作原理

无桥图腾柱 PFC 的本质是一种升压式的功率因数校正电路。其基本工作原理是利用电感的储能和放电特性，以及开关管的快速切换，将输入的交流电转换为接近正弦波的输入电流，并且使输入电流的相位与输入电压的相位基本一致，从而提高功率因数，减少对电网的谐波污染。在输入电压的正半周和负半周，电路通过不同的开关管组合，实现对电感的充电和放电操作，将输入的交流电能量有效地存储和传递到输出端。

3.无桥图腾柱 PFC 的工作模态分析

此处的模态分析演示为（伪）无桥图腾柱PFC拓扑结构，（真）无桥图腾柱PFC的工作模态和（伪）无桥图腾柱PFC一致。

3.1.输入电压正半周

有两个工作模态：

模态1：电感充电阶段：当交流输入处在正半周时，高频功率管（ S2）导通，交流输入通过该功率管和一个处于正向导通状态的二极管（D2）开始对电感进行充电。此时，电感在功率管导通阶段进行储能，负载由输出电容供电。
电感放电阶段：当功率管（S2）导通结束时，S1功率管导通，流过S2功率管的电流转变到另一个功率管（S1）上。S1和之前处于导通状态的二极管（D2）构成电感的续流通路，电感两端电压反向，电感开始释放电能，电感和交流输入共同向输出电容和负载提供电能。

3.2.输入电压负半周

有两个工作模态：

模态1：电感充电阶段：高频功率管（S1）开通，交流输入通过 S1 和另一个处于正向导通状态的二极管（D1）开始对电感进行反向充电。电感同样在功率管导通阶段进行储能，负载仍由输出电容供电。
模态2：电感放电阶段：功率管（S1）导通结束时，流过 S1 的电流转变到高频功率管（S2）上，该功率管和二极管（D1）构成电感的续流通路，电感两端电压反向，电感释放电能，与交流输入一起向输出电容和负载供给能量。

3.3.功率管S1和S2的PWM开关波形

4.无桥图腾柱 PFC 的计算及器件的选型

使用Mathcad软件计算：

4.1.电路参数

4.2.器件计算及选型

根据计算选取感量为198e-6H的电感和容量为1105e-6F的电容。

5.无桥图腾柱 PFC 的双闭环控制

基本逻辑框图如下：

二、（伪）无桥图腾柱 PFC MATLAB仿真

1.仿真模型

1.1.仿真模型图

主电路：

双闭环模型：

1.2.器件参数

输入电压：

电感：

输出电容：

负载电阻：

开关选择：

极性检测模块：

判断输入电压位于正半周还是负半周。（正负半周的时候系统占空比属于不同的PWM波，正半周占空比属于PWM2，即给快管S2；负半周占空比属于PWM1，即给快管S1；）

电压控制器：

输出电压与电压基准值之间的误差经过PI参数调节生成一个参数，这个参数再和输入电压的绝对值相乘，获得输入电压的幅值和相位，再除于输入电压有效值的平方得到一个电流基准值。

电压环PI参数：

RMS：

电流控制器：

电压控制器得到的电流基准值与电流值之间的误差经过PI参数调节之后输出一个占空比信号。

电流环PI参数：

PWM生成块：

电流控制器生成的占空比信号和三角载波对比，大于三角载波的部分就是我们要的PWM11占空比，反之为PWM22的占空比。再通过极性检测的结果判断把PWM11和PWM22给到哪一个MOSFET。

三角载波设置：选择的开关频率为100KHz

离散仿真，采样时间为快管开关频率的100倍

2.实验结果

2.1.输出电压

稳态后的输出电压在400V，但是根据计算可知电压纹波为4.5%，因此我们选取的电容容量有问题。

2.2.输入电压与电流

输入电压与电流基本同相位且电流呈正弦，电流纹波也在计算之中。

三、（真）无桥图腾柱 PFC MATLAB仿真

1.仿真模型

1.1.仿真模型图

相比较（伪）无桥图腾柱 PFC，此模型将快管右侧两个整流管换成了MOS管，不过这两个MOS管是慢管，开关频率较小，与交流电的频率一致，在实际的模型中使用普通的MOS管即可；而左侧的MOS快管，开关频率较大，出于开关频率及开通损耗的原因，一般采用功率级MOS管，比如氮化镓、碳化硅材质的MOS管，开关频率更高，导通损耗更低。