图腾柱TCM的工作过程分析

图1 两相TCM图腾柱拓扑图

上图1为一个典型的两单元TCM控制的图腾PFC拓扑结构图。Qsr1和Qsr2为工频整流的开关管，也可以为二极管，他们构成的桥臂，之间的连接点连在输入电源的一端，桥臂两端连接母线电容。Q1～Q4为4个开关管，Q1，Q2为一个桥臂，它们之间的连接点连接到一个滤波电感L1，Q3，Q4为另一个桥臂，它们之间的连接点连接到另一个滤波电感L2，同时两个滤波电感的另一端都连接到输入电源。两个开关管的桥臂的两端连在母线电容的两端。其中两个桥臂开关管，上下互补，左右互差180度，这样就构成了交错并联的两个图腾柱模块。

图2 单个图腾柱单元的工作波形图

为简化分析过程，以交流输入的正半周为例分析，此时的工频整流管Qsr1一直处于关断状态，而Qsr2一直处于开通状态。其中，由高频功率管Q1、Q2和电感L1构成的单个图腾柱的电流波形如图2所示。

在单个开关周期内，大致分五个工作状态：

t0～t1

t0～t1之间：在死区时间内，主功率Q2和同步整流管Q1都没有开通。但主功率管Q2体二极管导通，它与电感L1和工频整流管Qsr2构成电流回路，对电感L1放电，L1释放能量。此时电感L1的负向电流幅度逐渐减少。

t1～t2

t1～t2之间：主功率管Q2导通，电流从主功率管Q2的体二极管转移到主功率管，此时的电流回路由主功率管Q2、电感L1和工频整流管Qsr2构成。由于主功率管Q2的开通时的电压只有二极管的管压降，因此是一个零电压的开通过程（ZVS）。电感L1的负向电流幅度逐渐减少到零，并转为正向电流，且正向电流逐渐变大。此过程电感L1先释放少量负向电流所存储的能量，然后通过正向电流增大逐渐充电来储存能量。

t2～t3

t2～t3之间：在死区时间内，主功率管Q2和同步整流管Q1都没有开通，但同步整流管Q1的体二极管续流导通，它与电感输出电容Cpfc、工频整流管Qsr2和电感L1构成回路。此时电感L1放电，L1的正向电流逐渐减少，给输出电容Cpfc充电。

t3～t4

t3～t4之间：主功率管Q2关断，同步整流管Q1开通。此时的电流回路由同步整流管Q1、输出电容Cpfc、工频整流管Qsr2和电感L1构成。此时电感L1的正向电流逐渐减少到零，并将储存的能量释放出来，给输出电容Cpfc充电。

t4～t5

t4～t5之间：功率管Q1和Q2的驱动与上一过程一致。此时的电流回路仍然由同步整流管Q1、输出电容Cpfc、工频整流管Qsr2和电感L1构成。但由于同步整流管Q1继续导通，使得电感电流的方向由正向转变为负向，且负向电流幅度逐渐变大。此时电感L1是负向电流的方式充电，储存能量，并为下一个周期主功率管Q2的ZVS做准备。

同样的工作方式的两个相位相差180度的图腾柱模块交错并联的波形如图3所示。为了达到较小的交错电流值，两个图腾柱单元的电流波形的相位差应该相差半个周期。也就是功率管Q4的驱动波形比Q2超前或滞后半个开关周期，同时功率管Q3的驱动波形比Q1超前或滞后半个开关周期，从而得到电感L2的电流波形超前或之后L1的电流波形，这样可以得到比较理想的电流交错波形，也就是比较小的总纹波电流Itotal。

图3两路交错TCM控制的波形图