單級功率因數(shù)校正（PFC）研究的新進展

1 引言

由二極管和濾波電容組成的整流電路，被大量用作電子設備的前端電源。由于電路的非線性，這類電源的輸入電流并不是正弦的，包含大量諧波，而且功率因數(shù)較低。因此，有必要對這類電源的輸入電流進行波形整定(Input Current Shaping，ICS)，對其功率因數(shù)進行校正。

近幾年來，PFC技術(shù)已得到大量研究，有了許多實現(xiàn)方案。其中較成熟的是兩級式PFC變換器。兩級式PFC對諧波的處理效果較好，可以達到較高的功率因數(shù)；具有獨立的PFC級，可以對輸入DC/DC級的直流電壓進行預調(diào)節(jié)，輸出電壓比較精確；帶載能力比較高，適合于功率較高的場合。但是，它所需的元器件較多，成本較高；功率密度低，損耗比較大；尤其對于中小功率的電子設備，很不經(jīng)濟。因此，將PFC功能與DC/DC功能融為一體的單級式PFC應運而生，以彌補兩級PFC的不足。

目前，單級式PFC已成為研究的重點和熱點。許多新的電源技術(shù)被應用到單級式PFC拓撲中。本文對這些新的單級式PFC的拓撲結(jié)構(gòu)特點作分類總結(jié)，分析了各自的優(yōu)缺點，并提出了單級PFC的發(fā)展方向。

2 單級式PFC變換器的基本要求

圖1(a)為典型3端式單級PFC的電路框圖，圖1(b)則為相應的基本電路。

（a）三端式單級PFC電路框圖

（b）基本的單級PFC變換器電路

圖1 單級PFC電路

從圖1(b)可以看到，典型的單級PFC變換器是由Boost變換器與基本的功率變換器合成的。兩部分共用一個開關(guān)管，其中D1電路是充電電路，D2是放電電路（同時防止開關(guān)管關(guān)斷時電流倒流）。由于控制電路只是完成輸出電壓整定的任務，因此要求變換電路本身具有自然的PFC功能。而Boost變換器恰恰具有這種內(nèi)在的功率因數(shù)校正能力。

從圖1(a)可以看到，典型的PFC變換器是直接與交流電路相連的，因此，瞬時輸入功率是隨時變化的，要得到穩(wěn)定的功率輸出，儲能電容CB是必需的功率平衡手段。但由于整流后的輸入電壓同負載大小無關(guān)，因此負載越輕，積累在CB上的不平衡能量就越多。這導致CB上的電壓應力很大，對器件耐壓的要求很高。

基于典型單級PFC的上述特點，在開發(fā)新結(jié)構(gòu)的單級PFC電路時，應盡可能滿足以下幾個方面的要求：

1）變換器電路要有較好的諧波處理能力，可以滿足各種標準的要求；

2）變換器要有較好的穩(wěn)定輸出電壓能力；

3）變換器的電路拓撲應具有降低電壓應力、減少電路損耗的能力；

4）開關(guān)管的控制方式應達到較好的校正、輸出效果。

根據(jù)以上要求，下面對一些新的單級PFC拓撲電路進行了分類總結(jié)。

3 新型的單級PFC變換器拓撲結(jié)構(gòu)

許多新型的單級PFC變換器拓撲結(jié)構(gòu)，基本都是在典型單級PFC的基礎上，圍繞著減少器件的電壓應力，降低電路的損耗而進行的改進。下面對這類改進措施及技術(shù)分類作一介紹。

3.1 基本電路的改進

實際中常在圖1(b)的D1、D2兩條二極管電路中加入電感線圈等元件，以減少電路的電壓應力。這種改進很多，圖2(a)是一個典型例子（類似改進見參考文獻[2]等）。它是在圖1(b)的D1、D2兩條電路中加入負反饋線圈W1、W2而獲得的。在電路開通或關(guān)斷的時候，兩線圈提供負反饋電壓，減輕了儲能電容CB的電壓應力，延緩了輸入電流的變化。這種方法還有利于輸入電感工作在CCM（Continuous Current Mode）模式，保持較低的諧波含量。

（a）單級PFC變換器電路拓撲

(b)雙端式單級PFC電路框圖

圖2 改進的單級PFC變換電路

在實際應用中，還常用到如圖2(b)所示的雙端式單級PFC電路。它與三端式單級PFC電路類似，但充、放電電路的連接方法與三端式有差別。實際上，雙端式單級PFC電路往往與三端式PFC有相對應的關(guān)系，兩類電路的工作原理、以及所要實現(xiàn)的目標是基本一致的，兩者間的相互轉(zhuǎn)化關(guān)系見參考文獻[2]。

3.2 與其它變換器電路的結(jié)合

PFC技術(shù)發(fā)展至今已經(jīng)逐漸融入到許多優(yōu)秀的變換器電路中。這些新的拓撲結(jié)構(gòu)可以很好地抑制電源輸入諧波，整定輸入電流波形，同時又具有極好的輸出特性。充分發(fā)揮了PFC電路和功率變換電路的特點。

根據(jù)圖1中單級PFC變換器的原理，我們可以將Boost電路與其它功率變換器結(jié)合在一起。圖3將Boost電路與全橋變換器合成單級PFC電路。實際應用中可參照文獻[2]的方法，對Dx1、Dx2的充放電電路進行改進，可以得到更好的效果。該電路可以實現(xiàn)對輸入電流波形的整定，同時又可以工作在較大功率場合，發(fā)揮了全橋電路的特點。同樣，PFC電路還可以與其它電路結(jié)合，能收到很好的效果。

圖3 單級全橋PFC變換器

3.3 有源鉗位和軟開關(guān)技術(shù)的應用

與普通DC/DC變換器相比，單級式PFC變換器具有電壓應力大、損耗大的缺點。因此，人們又將有源鉗位和軟開關(guān)等技術(shù)應用到單級式PFC變換器當中，使主、輔開關(guān)在軟開關(guān)條件下開關(guān)，減少損耗，或降低電路的電壓應力，從而使單級式PFC變換器電路能夠得到實際應用。

圖4中，有源鉗位電路由S2、Cc構(gòu)成。主開關(guān)S1關(guān)斷后，Cr充電，當Vcr被充電到Cc的電壓Vc時，輔助開關(guān)S2導通，則S1的電壓被鉗位在Vc，降低了S1的電壓應力。

圖4 帶有源鉗位和軟開關(guān)的Boost單級隔離式PFC變換器

軟開關(guān)過程則由諧振電感Lr、寄生電容Cr的諧振來實現(xiàn)。為了實現(xiàn)零電壓開關(guān)，必須適當選擇Lr，且要求Lr遠小于勵磁電感Lm。Lr越大，越容易滿足主開關(guān)的ZVS（Zero Voltage Switching）條件，但Lr的增大會增加開關(guān)管S1、S2的電壓應力，帶來更多的占空比丟失；而Lr越小，輸出二極管VD3的電流下降率diD3/dt就會越大，帶來嚴重的反向恢復問題。

3.4 單級并聯(lián)PFC電路

針對傳統(tǒng)兩級式PFC電路的缺點，單級PFC變換器把PFC級與DC/DC功率轉(zhuǎn)換級整合在一起，達到了減少器件數(shù)量、簡化控制電路、提高功率密度的目的，并力圖使整個變換器電路具有較高的效率、較好的輸出穩(wěn)定性。但在單級電路中，由于單個開關(guān)管須同時實現(xiàn)PFC功能和輸出電壓整定功能，因此，其效率、輸出等性能都遜色于兩極式PFC變換器。針對這一問題，又產(chǎn)生了新的并聯(lián)式PFC電路。與兩級式電路及普通單級電路相比，這種電路的效率較高，輸出特性也比較好。

圖5(a)是基本的并聯(lián)式PFC變換器原理圖。在一個周期中，PFC級無需處理所有的傳輸功率，這是并聯(lián)式PFC的基本特征。

(a) 基本的并聯(lián)式PFC變換器

(b) 單級并聯(lián)式PFC變換器

圖5 并聯(lián)式PFC變換器

對于圖5(a)的并聯(lián)PFC變換器，其輸入輸出的功率關(guān)系如圖6(a)所示。在t0－t1時刻，Pin>Po，功率P1經(jīng)主電路傳輸?shù)捷敵鰝?cè)，無需經(jīng)過PFC級，多輸入的功率Pin－Po積累在儲能電容中。在t1－t2時刻，PinPo，輸出功率的一部分由電源主電路和PFC級提供，差額部分Po－Pin由儲能電容經(jīng)PFC級提供。陰影部分P1占平均輸入功率的68％左右，為直接經(jīng)由主電路傳輸?shù)捷敵鰝?cè)的功率；陰影部分P2占32％左右，為儲能電容提供給輸出側(cè)的功率。

圖5(a)的并聯(lián)PFC變換器，其主電路、輔助PFC電路各需要一個變壓器，結(jié)構(gòu)比較復雜，體積、重量較大，成本也比較高，因此常用于較大功率的場合。在中、小功率場合，常用圖5(b)的單級并聯(lián)PFC變換器。該電路中，主電路、輔助電路被整合在一起，輸入功率Pin和32％的功率差額都由同一功率級進行處理。圖6(b)是單級并聯(lián)PFC電路的概念圖。

(a) 基本并聯(lián)式輸入輸出功率關(guān)系

(b) 單級并聯(lián)輸入輸出功率概念圖

圖6 并聯(lián)PFC變換器輸入輸出功率關(guān)系

圖7則是一個實際的反激式單級并聯(lián)PFC變換器電路。圖中輸入電感Lin、變壓器激磁電感Lm、附加線圈N2完成圖6(b)中受控電壓源的功能。實驗證明：該電路輸入電流平均值與負載電流反饋有關(guān)，隨負載電流變化，這種自身具有的負載電流反饋的性質(zhì)，可以使電路在輕載時不需要減少占空比就可以降低輸入功率；另外，這種電路不會增加開關(guān)管的電流應力，并可以減少儲能電容的電壓應力以及其它有源器件的電路應力。

圖7 單級反激式并聯(lián)PFC電路

4 結(jié)語

近些年來，對單級式PFC變換器電路的大量研究，基本上都是圍繞著本文所述的四個目標進行的。由于單級式PFC變換器電路有著先天的缺點，減少其電壓應力、降低損耗就有著格外重要的意義，本文提到的三類拓撲方面的改進，都是針對這一目標來進行的。當然，對一個變換器而言控制也有著格外重要的作用，最近，許多與數(shù)字控制技術(shù)相結(jié)合的單級PFC變換器已成為研究的熱點。一個優(yōu)秀的PFC變換器必然是好的拓撲和好的控制技術(shù)的結(jié)合。今后，圍繞著本文中的幾個目標，新的單級PFC拓撲及控制策略將不斷地被提出。所有這些研究必將推動單級式PFC變換器的應用。