双向开关前置的单相升压APFC变换器建模和仿真

0 引言

传统单相升压APFC电路已经被广泛应用到功率因数校正电路中，但是该方案需要独立的不可控整流桥，置后的升压电感需要解决抗直流偏磁问题，而且升压电感的位置很不利于整个功率电路的集成。这些引起了人们对传统单相升压APFC电路的重新思考，设想在利用其成熟控制思想与现成控制电路的前提下，使整个功率电路便于功率集成。近年来在这方面已经取得了很大进步，有多种电路拓扑被提出，其中双向开关前置的单相升压APFC变换器电路凭借其特有的性能引起了人们的关注。

1  双向开关前置的单相升压APFC变换器电路结构

双向开关前置的单相升压APFC变换器的电路如图1所示。输入部分有交流电压源VS和滤波电容C1组成。双向开关S1和电感L完成功率因数校正功能，其中双向开关S1由D5、D6、D7、D8和V1组成。整流部分由D1、D2、D3、D4构成，C2起储能和输出滤波的作用，R为负载。

图1 双向开关前置的单相升压APFC变换器主电路

2　双向开关前置的单相升压APFC变换器电路工作状态分析

下文将对双向开关前置的单相升压APFC变换器电路动作过程进行分析。在连续导通模式下，对应开关管的一个高频周期，流过电感L的电流iL，加在开关管V1两端的电压Vds和输出电流i0的波形如图2所示。对应各段时间的等效电路如图3所示。其中工作状态1和工作状态2是工频正半周时的情况，工作状态3和工作状态4是工频负半周时的情况，后两个状态只是前两个状态在负半周的重复。为了分析方便，各二极管和开关管的导通压降看作零，等效电路中的D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8仅表示电流流过的通路，C2看作足够大，保证输出电压恒定，C2很小可以忽略不计。

(a)正半周一个周期的波形

(b)负半周一个周期波形

图2 变换器电路开关动作时iL、Vds、i0的波形

图 3 各种工作状态时的等效电路

2.1当VS处于正半周时的工作状态

工作状态1（t1<t<t2）：在这个时间段内，开关管V1导通，则图1可等效为图3（a）所示的电路，此时电源VS给L充电，由于开关频率远高于工作频率，可以看作电源电压为恒定值，则L上的电iL流逐渐增加；同时输出滤波电容C2放电，给负载提供能量。这个时间段的电路微分方程为（1）式。

工作状态2（t2<t<t3）：在这个时间段内，开关管V1关断，则图1可等效为图3（b）所示的电路，此时，电源Vs处于正半周，Vs一边给C2充电，一边给负载提供能量。C2两端的电压逐渐上升。这个时间段的电路微分方程为（2）式。

　　(1)

　　(2)

2.2当VS处于负半周时的工作状态

工作状态3（t4<t<t5）：在这个时间段内，开关管V1导通，则图1可等效为图3（c）所示的电路，此时电源Vs给L反向充电，iL的实际方向与图示参考方向相反。由于开关频率远高于工作频率，可以看作电源电压为恒定值，则L上的电流iL反向逐渐增加；同时输出滤波电容C2放电，给负载提供能量。这个时间段的电路微分方程为（3）式。

工作状态4（t5<t<t6）：在这个时间段内，开关管V1关断，则图1可等效为图3（d）所示的电路，此时，电源Vs处于负半周，iL的实际方向与图示参考方向相反，Vs一边给C2充电，一边给负载提供能量。储能电容C2两端的电压逐渐上升。这个时间段的电路微分方程为（4）式。

　　(3)

　　(4)

来源：电源世界