Modeling and development of a bridgeless PFC Boost rectifier

Abstract

RESUMEN: Este artículo propone un modelo para rectificadores elevadores PFC (Power Factor Correction por sus siglas en inglés) sin puente para propósitos de control y basado en el análisis del promedio de pequeña señal. A partir de las leyes circuitales, cuatro modos de operación son definidos y explicados, asegurando una relación entre las variables físicas del convertidor. Basados en el modelo propuesto, dos lazos cerrados de control compuestos por controladores lineales Proporcionales e Integrales (PI) son propuestos. Algunas consideraciones de diseño para dimensionar los elementos reactivos son incluidas, de tal forma que se obtienen valores mínimos para su inductancia y capacitancia. Se presenta la implementación de un prototipo de 900 W con resultados experimentales que permite validar y reafirmar el modelo propuesto. Los resultados experimentales demuestran que el uso del convertidor PFC permite elevar el factor de potencia FP a 0,99 o más y reducir el THDi (Total Harmonic Distortion of the Current por sus siglas en Inglés) a 3,9 %, además de controlar el bus DC en la salida. Se verifica experimentalmente que el convertidor PFC desarrollado está de acuerdo con los estándares de calidad de la potencia EN 61000-3-2 (IEC 1000-3-2).

ABSTRACT: This paper proposes a model of the bridgeless PFC (Power Factor Correction) boost rectifier for control purposes based on an averaged small-signal analysis. From circuital laws, four operation modes are defined and explained, ensuring a relationship of physical variables in the converter. Based on the proposed model, two-loop cascade control structures composed of Proportional-Integral (PI) lineal controllers are proposed. Design consideration for dimensioning reactive elements is included, providing minimum values for their inductance and capacitance. Implementation of a laboratory prototype of 900 W and experimental results are presented to validate and reaffirm the proposed model. Experimental results demonstrate that the use of the bridgeless PFC boost converter model allows the Power Factor (PF) to be elevated up to 0.99, to reduce the THDi (Total Harmonic Distortion of the Current) to 3.9% and to control the DC voltage level on output. Compliance of standards of power quality EN 61000-3-2 (IEC 1000-3-2) are experimentally verified.