工作原理

以單極性SPWM調(diào)制方式為例，說明圖騰柱PFC的工作原理。此處僅以正向AC-DC說明。后續(xù)會專門介紹DC-AC的功能介紹。

無橋圖騰柱式PFC電路拓?fù)溆腥缦聝煞N：

兩者拓?fù)涞膮^(qū)別：

在采用單極性SPWM調(diào)制時，兩種拓?fù)涞墓ぷ髟硪恢?。僅是右邊拓?fù)銶OS管（慢管）導(dǎo)通損耗會較小。下面會詳細(xì)說明其工作原理。

左邊的拓?fù)鋬H能采用單極性SPWM調(diào)制，而右邊的拓?fù)溥€可采用單極性倍頻調(diào)制、雙極性調(diào)制。

單極性和雙極性SPWM比較。（這里的波形是逆變電流的中點(diǎn)電位UAB波形）

其主要原理為：調(diào)制信號ur為正弦波，載波uc在ur的正半周為正極性的三角波，在ur的負(fù)半周 為負(fù)極性的三角波。

單極性SPWM：

在ur的正半周，V1保持通態(tài)，V2保持?jǐn)鄳B(tài)。當(dāng)ur>uc時,使V4導(dǎo)通，V3關(guān)斷，uo=Ud。當(dāng)ur時,使v4關(guān)斷,v3導(dǎo)通,uo=0。<>

在ur的負(fù)半周，V1保持?jǐn)鄳B(tài)，V2保持通態(tài)。當(dāng)uruc時使 V3關(guān)斷，V4 導(dǎo)通，uo=0。時,使v3>

雙極性SPWM

當(dāng)ur>uc時， V1和V4導(dǎo)通，V2和V3關(guān)斷，這時如io >0，則V1和V4通，如 io<0，則VD1 和VD4 通，不管哪種情況都是uo=Ud 。

當(dāng)ur0，則VD2 和VD3 通，不管哪種情況都是uo=-Ud 。時，v2和v3導(dǎo)通，v1和v4關(guān)斷，這時如io<0，則v2>

單極倍頻SPWM

從Uo的波形可以看出，兩路雙極性調(diào)制經(jīng)過全橋功率管的疊加之后最終的Uo波形變成了單極性，而且頻率加倍，這就是這種調(diào)制方式稱為單極性倍頻調(diào)制的原因。這種調(diào)制方式波形完美，對各種負(fù)載的適應(yīng)性好，因?yàn)楸额l輸出，LC的體積和成本可以比較小，缺點(diǎn)是4個功率管都工作在高頻狀態(tài),因而開關(guān)損耗比較大。

問：不同的調(diào)制方式下，系統(tǒng)的工作模態(tài)會有所區(qū)別，那么什么是調(diào)制方式？

答：調(diào)制方式指的是對開關(guān)管的導(dǎo)通時間進(jìn)行調(diào)制的方法。常見的調(diào)制方式包括單極性調(diào)制（Single-Polarity Modulation）和雙極性調(diào)制（Dual-Polarity Modulation）。調(diào)制方式?jīng)Q定了開關(guān)管導(dǎo)通時間的規(guī)律，從而影響輸出電壓的波形和功率因數(shù)校正的效果。

下面，將分析單極性SPWM調(diào)制方式的工作模態(tài)，由于正負(fù)半周相對稱，下面以正周期為例Vac>0，可以分為三個模態(tài)：（S3為常開狀態(tài)，S4為常閉狀態(tài)。）

工作模態(tài)一：此時Vg2和Vg4導(dǎo)通，電感電流上升，電感進(jìn)行儲能。S1體二極管僅在死區(qū)時間導(dǎo)通，可實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，S1可在Toff時間導(dǎo)通，減少體二極管的壓降。

工作模態(tài)二：此時Vg1和Vg4導(dǎo)通，電感釋放能量，電感電流下降。

工作模態(tài)三：當(dāng)電壓正半周過零點(diǎn)時，S4關(guān)閉，S1導(dǎo)通時，此時也會導(dǎo)致單極性SPWM存在電流過零畸變的缺陷。

整個系統(tǒng)可以分為6個工作模態(tài)，如下所示：

控制策略

控制策略指的是根據(jù)輸入電壓和輸出電流等信息，確定開關(guān)管導(dǎo)通時間的策略?？刂撇呗缘哪繕?biāo)是調(diào)整開關(guān)管的導(dǎo)通時間，使得輸出電流能夠與輸入電壓同相或近似同相，從而實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正。常見的控制策略包括平均電流模式（Average Current Mode）和邊界電流模式（Boundary Current Mode）等。（其中，平均電流控制是CCM控制中的一種，還有峰值電流控制和滯環(huán)電流控制等）

CCM模式：適用于中等、大功率應(yīng)用

DCM：最大峰值電流和電流紋波都比較大，開關(guān)管等器件的電流應(yīng)力也比較大，一般適用于中小功率場合

CCM模式下的控制策略又可分為：平均電流控制、 峰值電流控制和滯環(huán)電流控制等，控制策略如下圖所示：

峰值電流控制：通過采樣電感電流與參考基準(zhǔn)進(jìn)行比較，據(jù)此生成 PWM 控制信號，通過占空比來對電流進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。 但是峰值電流控制對噪聲比較敏感，而且在占空比超過 0.5 時會出現(xiàn)控制不穩(wěn)定，需要額外加斜坡償。

滯環(huán)電流控制：電流參考有 上下兩個閾值。 滯環(huán)電流控制具有動態(tài)響應(yīng)快、控制式自帶限流功能等優(yōu)點(diǎn)，但是滯環(huán)電流控制在一個周期內(nèi)頻率持續(xù)變化，容易降低電路 EMI 性能。

平均電流控制:同樣也是采 樣電感電流， 并與電流參 考比較生 成 PWM 控制信號。 平均電流控制一般采用雙環(huán)路控制，電壓外環(huán)帶寬較窄，環(huán)路響應(yīng)速度慢，可以有效地減弱干擾對控制環(huán)路的影響；電流內(nèi)環(huán)響應(yīng)較快，使得控制的電流可以準(zhǔn)確地跟蹤參考。而且在一個周期內(nèi)頻率恒定，EMI 性能比滯環(huán)電流控制好， 控制環(huán)路設(shè)計(jì)也較為簡單。

拓展1：雙向AC-DC電路拓?fù)?/p>

開關(guān)拓?fù)?/p>

對于無橋圖騰柱而言，也常用于V2G的技術(shù)當(dāng)中，即雙向AC-DC變換電路中。對于AC-DC雙向變換電路中，采用的拓?fù)溥€有如下所示：

電壓型全橋結(jié)構(gòu)：電路整體較為簡單；對比半橋，功率等級更高。

電壓型半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)簡單；電壓應(yīng)力高；若電容分壓不均，導(dǎo)致中點(diǎn)電壓失衡。

帶中性點(diǎn)二極管箝位電壓型三電平結(jié)構(gòu)：交流電流的諧波量更低，正弦度更好，更高的PF值；電路復(fù)雜，控制復(fù)雜，損耗較大；適用于大功率場合。

電壓型交錯圖騰柱式結(jié)構(gòu)：該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的兩個電感能夠起到分流的作用，大大降低了每個橋臂開關(guān)管的電流應(yīng)力，并且結(jié)合無橋和交錯并聯(lián)的技術(shù)可減少變換器的紋波，改善變換器的EMI特性，一定程度的提升變換器的功率密度，適用于較大功率的場合。

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