單級(jí)功率因數(shù)校正電路實(shí)用性的分析

引言

為了減少諧波對(duì)交流電網(wǎng)的污染，國(guó)內(nèi)外都制訂了限制電流諧波的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，因此，功率因數(shù)校正（PFC）技術(shù)已成為電力電子領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)。隨著電力質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的日益嚴(yán)格，PFC變換器被越來(lái)越多地應(yīng)用于開(kāi)關(guān)電源、變頻調(diào)速器和熒光燈交流電子鎮(zhèn)流器中。近幾年來(lái)，隨著相關(guān)技術(shù)和各種控制策略的發(fā)展，PFC技術(shù)已得到大量研究。PFC電路根據(jù)工作方式可分為兩大類，即無(wú)源PFC電路和有源PFC電路。有源PFC電路根據(jù)變換級(jí)數(shù)可以分為單級(jí)PFC電路和多級(jí)PFC電路。近年來(lái)，單級(jí)PFC電路得到廣泛的關(guān)注，對(duì)它的研究也越來(lái)越熱了，但是，在工業(yè)上它還沒(méi)有得到廣泛應(yīng)用。

通常，通過(guò)以下幾個(gè)方面來(lái)判斷一個(gè)功率因數(shù)校正拓?fù)涞膬?yōu)劣：

——功率因數(shù)的高低；
——輸入電流波形畸變的大??；
——效率和功率密度的高低；
——開(kāi)關(guān)管應(yīng)力的大小。

單級(jí)功率因數(shù)校正將PFC級(jí)和DC/DC級(jí)組合在一起，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入電流的整形和對(duì)輸出電壓的調(diào)節(jié)，但與兩級(jí)方案相比，它只調(diào)節(jié)輸出電壓，保證輸出電壓的穩(wěn)定，而對(duì)輸入電流沒(méi)有進(jìn)行調(diào)節(jié)，讓輸入電流自動(dòng)跟蹤輸入電壓，因此，單級(jí)PFC電路的效果比較差。本文根據(jù)現(xiàn)在國(guó)際上的電流諧波標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)單級(jí)PFC電路在工業(yè)上能否被廣泛應(yīng)用進(jìn)行了分析。

1單級(jí)PFC電路的分析

圖1是單級(jí)PFC的通用結(jié)構(gòu)。不像兩級(jí)PFC，單級(jí)PFC中使PFC級(jí)和DC/DC級(jí)共用一個(gè)開(kāi)關(guān)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)輸入電流波形的整形和輸出電壓的快速調(diào)節(jié)，輸入輸出的隔離。由于控制電路只負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)輸出電壓，在穩(wěn)態(tài)時(shí)占空比（D）幾乎是個(gè)恒定值，所以，單級(jí)PFC要求輸入電流能夠自動(dòng)跟隨輸入電壓，圖2為單級(jí)PFC的輸入電壓、電流波形和占空比波形。

1.1儲(chǔ)能電容的比較

在單級(jí)PFC中，由于DC/DC級(jí)工作在CCM，占空比不隨負(fù)載變化。當(dāng)負(fù)載變輕時(shí)，輸出功率減少，PFC級(jí)輸入功率Pin卻沒(méi)有這么快的變化。這樣，充入儲(chǔ)能電容的能量大于從儲(chǔ)能電容抽走的能量，導(dǎo)致儲(chǔ)能電容電壓上升，如果輸入具有較少的阻抗，VB會(huì)急劇上升以維持輸入功率和輸出功率的平衡。另外,單級(jí)PFC電路儲(chǔ)能電容上的電壓變化范圍比較大，在輸入電壓低的時(shí)候，儲(chǔ)能電容上的電壓比較低；在輸入電壓高的時(shí)候，儲(chǔ)能電容上的電壓比較高，因此，對(duì)于相同的輸出功率等級(jí)來(lái)說(shuō)，單級(jí)PFC電路中所需的儲(chǔ)能電容比兩級(jí)PFC電路要大很多，儲(chǔ)能電容上的電壓應(yīng)力也要大很多。從圖3中可以發(fā)現(xiàn)VB由輸入功率控制，而不受輸入電壓和輸出負(fù)載的控制。

1.2半導(dǎo)體器件的比較

在兩級(jí)PFC變換器中，PFC開(kāi)關(guān)管承受PFC級(jí)的電流，DC/DC變換器的開(kāi)關(guān)管承受DC/DC級(jí)的電流。而在單級(jí)PFC變換器中只使用了一個(gè)開(kāi)關(guān)管，它要承受PFC級(jí)和DC/DC級(jí)的電流，這樣，單級(jí)PFC變換器中開(kāi)關(guān)管要承受更高的電流應(yīng)力。通過(guò)開(kāi)關(guān)管的電流的大小決定了管子的損耗和尺寸。圖4給出了兩級(jí)PFC變換器和單級(jí)PFC變換器中電流大小的比較。另外，與兩級(jí)PFC電路相比，單級(jí)PFC電路中儲(chǔ)能電容上的電壓比較高，因此，單級(jí)PFC電路中管子上的電壓應(yīng)力也比較高。

1.3磁芯元件的比較

在兩級(jí)PFC電路中的輸入電感主要是由輸入電流最大紋波和PFC級(jí)的占空比來(lái)決定的，而在單級(jí)PFC電路中主變壓器不僅是PFC電路的輸入電感，而且還用來(lái)儲(chǔ)存能量，因此，在相同的輸出功率下，單級(jí)PFC電路中的磁芯元件要承受更大的應(yīng)力。

考慮到單級(jí)PFC電路中元器件的應(yīng)力等問(wèn)題，它的最大輸出功率就會(huì)受到限制。一般說(shuō)來(lái)，單級(jí)PFC電路的最大輸出功率在100W左右。

2單級(jí)PFC電路實(shí)用性的分析

圖5給出了功率電子裝置的4種分類等級(jí)：A，B，C，和D。對(duì)于這4種不同的等級(jí)，分別有相應(yīng)的各次諧波限制?，F(xiàn)在對(duì)輸入電流諧波的要求越來(lái)越嚴(yán)格，IEC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，輸出功率在75～600W的電子裝置都要滿足ClassD，對(duì)于這類設(shè)備不僅在滿載時(shí)要滿足ClassD，而且在輸入功率=75W時(shí)也要滿足ClassD；而對(duì)于照明裝置的要求更加嚴(yán)格，要求它滿足ClassC。

隨著人們對(duì)電力質(zhì)量的關(guān)注越來(lái)越強(qiáng)，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電網(wǎng)輸入電流的諧波要求也越來(lái)越高了。以前規(guī)定，如果輸入電流波形的95％以上在圖6所示的方框內(nèi)，那么這個(gè)輸入電流必須滿足ClassD；如果輸入電流波形不足95％以上在圖6所示的方框內(nèi)時(shí)，只要滿足ClassA。而ClassA的要求比ClassD要低很多。因此，很多公司為了降低設(shè)計(jì)成本故意惡化輸入電流波形，讓其輸入電流波形不超過(guò)95％的部分在這個(gè)方框內(nèi)，這樣只要滿足ClassA就可以了，但是，這樣的波形對(duì)電網(wǎng)的污染增加了。因此，為了減少對(duì)電網(wǎng)的污染，現(xiàn)在對(duì)輸入電流諧波要求的標(biāo)準(zhǔn)越來(lái)越高了，沒(méi)有圖6所示的方框了，對(duì)于75W<輸出功率<600W的電子裝置必須滿足ClassD。這樣，輸入電流波形比較差的產(chǎn)品就很難通過(guò)諧波標(biāo)準(zhǔn)。

就單級(jí)PFC電路而言，它的輸入電流波形和電路的效率成反比。這是因?yàn)閱渭?jí)PFC中的輸入電流波形與電壓、電流應(yīng)力成正比。如果要求輸入電流波形比較好，那么就要選用應(yīng)力高的管子，應(yīng)力高的管子損耗比較大，電路的效率就降低了。而實(shí)際的產(chǎn)品不僅要求輸入電流能否滿足諧波標(biāo)準(zhǔn)，而且還要考慮電路的效率，因此，就目前單級(jí)PFC電路而言，它很難在工業(yè)上得到廣泛的應(yīng)用。

3結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)在對(duì)電網(wǎng)質(zhì)量的要求越來(lái)越嚴(yán)格了，要求輸入電流的諧波含量低。而單級(jí)PFC電路只調(diào)節(jié)輸出電壓，輸入電流中諧波含量比較高，其元器件所承受的應(yīng)力比兩級(jí)PFC中的大很多，因此，單級(jí)PFC電路很難在工業(yè)界得到廣泛應(yīng)用。為了使單級(jí)PFC能夠在工業(yè)上得到廣泛使用，就必須改善輸入電流波形，降低電容應(yīng)力及變壓器應(yīng)力，管子的電流應(yīng)力和電壓應(yīng)力。