为消除电解电容对高亮度发光二极管（HB-LEDs）寿命的影响，并迎合轻量化设计理念，四川大学电气工程学院、河北科技大学电气工程学院的研究人员田涵雷、夏益文、陈茂林、梁国壮，在2022年第8期《电工技术学报》上撰文，提出一种具有功率解耦能力的单级无桥式虚拟三端口整流器。
该拓扑采用路径优化的方式缩短能量传输路径，并通过功率器件共享的方式实现多级整合，极大地提升了器件利用率与电路功率密度；虚拟第三端口专用于功率解耦，从而有效缓解系统对大电容的依赖，为薄膜电容替代电解电容提供可能。此外，所提整流器可实现功率因数校正（PFC），控制单元简单、易行。该文分析该整流器的工作原理，详述关键电路的参数设计，并通过额定输出功率为90W的实验样机验证了该整流器的优越性。
目前，全球照明损耗约占能源损耗的五分之一。开发高效、节能、低成本的照明灯具依然是解决世界能源问题的重要途径。高亮度发光二极管（High- Brightness Light-Emitting Diodes, HB-LEDs）具有光效高、性能好、寿命长、环保和体积小等优点，近年来已逐渐成为照明领域的主流产品。因发光二极管（LED）本身不能直接与交流源相连接，常采用整流器作为中间环节。
现有整流器按能量传递方式可大致分为单级、两级和多级三大类，前级常用于功率因数校正（Power Factor Correction, PFC），以满足IEC 61000-3-2、EnergyStar等标准，后级为DC-DC变换器以提供负载所需的驱动电流。两/多级整流器具有功率因数高、输出控制简单等优点，但成本高、效率低。
如何消除电解电容是当前研究的另一个热点。但若无电解电容消纳二倍工频的脉动功率，负载势必存在频闪现象，输入、输出功率的理论波形如图1所示。图中，vs、is、Pin和Pout分别为输入电压、输入电流、输入功率和输出功率；VC-av、VC-max和VC-min分别为电容CD两端的平均电压、峰值电压和谷值电压。因此变换器是否采用电解电容已经成为衡量其稳定性的重要标准。
图1 输入、输出功率的理论波形
根据现阶段学者研究内容，可将消除电解电容的方法分为两类，即改进控制策略和优化电路拓扑。但相关方案缺陷为并未完全消除电解电容，电路仍需较大电容平衡输入、输出功率。为消除对电解电容的依赖，有关学者进行了研究，但是所提方案仍存在一定的不足。
综上，对于传统整流器而言，通常需要较大的电解电容平衡功率脉动，因此限制了系统的整体寿命，同时也影响了其轻量化设计。然而，现有解决方案的解耦电路和控制策略较为复杂。此外，尽管Boost电路在PFC中具有良好的性能，但它会使大部分器件承受高电压应力，从而导致较大导通损耗。
为此，四川大学电气工程学院、河北科技大学电气工程学院的研究人员提出了一种新型虚拟三端口网络整流器，其中虚拟端口特定用于功率解耦。该拓扑具有元件数少、功率密度高、成本低、效率高等优点。
图2 实验样机
该整流器的优点在于：①通过多单元整合和器件共享，消除冗余元件，实现了能量单级变换；②控制上采用高频脉动电流驱动，消除了承受高电压应力的输出电容；③大多情况下，仅两个开关管工作于高频状态，有效降低了导通损耗；④解耦电感可同时用作输出滤波，大大削减了磁损和铁耗。
研究人员理论分析了该整流器的工作原理和调制方式，并通过样机实验验证了理论分析的正确性。他们总结指出：1）采用3×2.2μF/400V的薄膜电容替代了电解电容，且功率因数均高于0.971；2）通过改变驱动模式，消除了传统电路中承受高压应力的输出电容，效率得到了进一步提高；3）通过多单元整合，有效消除了功率器件和磁性器件的数量；器件分时复用，简化了解耦单元。Q1、Q2不仅用于功率因数校正，还可实现大范围亮度调节，且无需多路反馈通道，控制单元简单、易行。
此外，研究人员表示，当输出电流约为1A时，纹波率最大，其数值为6.6%，满足LED无频闪要求。实验结果也表明，该整流器拥有良好的输出电流质量。
本文编自2022年第8期《电工技术学报》，论文标题为“具有功率解耦能力的单级无桥式虚拟三端口整流器”。本课题得到了国家自然科学基金和中央高校基础科研业务费专项资金资助项目的支持。
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