單級PFC變換器的功率因數校正效果的研究

1 前言

為了使開關電源的輸入電流諧波滿足要求，必須加入功率因數校正（PFC）。目前應用得最廣泛的是PFC級＋DC/DC級的兩級方案，它們有各自的開關器件和控制電路。這種方案能夠獲得很好的性能，但它的缺點是電路復雜，成本高。

近年來，提出了很多單級功率因數校正AC/DC變換器^[1]，特別是在小功率應用場合。在單級PFC變換器中，PFC級和DC/DC級共用一個開關管和一套控制電路，同時實現對輸入電流和輸出電壓的調節(jié)，它的優(yōu)點是電路簡單，成本低。

本文分析了單級PFC變換器進行功率因數校正的效果，并分析了輸入電流的畸變，得出了變換器的功率因數表達式，仿真與實驗結果證明了理論分析的正確性。

2 功率因數校正的效果

如圖1所示，單級功率因數校正變換器通常由Boost變換器和DC/DC變換器組成^[1,2]。電路的主要電流波形如圖2所示。

2.1 電路的工作原理

因為，開關頻率遠大于交流輸入電源的頻率，所以，假設在一個開關周期內，v_AC為恒定值。

圖1 單級PFC變換器

圖中：v_AC為交流輸入電源；

L₁為Boost電感；

C₁為中間儲能電容；

R_L為變換器負載。

圖2 電路的主要電流波形

圖中：u_gs為開關管S的控制信號；

T_s為開關周期；

D為占空比。

在一個開關周期內，電路的工作過程如下。

狀態(tài)1[t₀－t₁] S，D₂和D₃導通，D₁和D₄截止，電源v_AC向電感L₁充電，流過電感L₁上的電流線性增長，C₁經T₁向L_o，C_o和R_L放電。S在t₁時刻截止，電感L₁上的電流為最大值：

i_L1,P=DT_s （1）

i_D1=0，i_D2=i_L1 （2）

狀態(tài)2[t₁－t₂] S，D₂和D₃截止，D₁和D₄導通，v_AC和L₁通過D₁給C₁充電，負載R_L兩端電壓由L_o和C_o的儲能維持。在t₂時刻，L₁中的能量完全釋放，電流為零。在這期間

i_L1=i_L1,P－(t－DT_s) （3）

i_D1=i_L1，i_D2=0 （4）

狀態(tài)3[t₂－(t₀＋T_s)] S，D₂和D₃截止，由于D₁的存在，L₁上的電流不能反向，因此為零，即D₁也截止，D₄仍導通，負載R_L兩端電壓由L_o和C_o儲能維持。

2.2 輸入電流分析

在狀態(tài)1和2期間，Boost電感中的能量完全釋放，根據磁通守恒原理有

|v_AC|DT_s=(V_C1－|v_AC|)D₂₁T_s （5）

可以得到