單級(jí)功率因數(shù)校正（PFC）研究的新進(jìn)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(shè)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(duì)這類電源的輸入電流進(jìn)行波形整定(Input Current Shaping，ICS)，對(duì)其功率因數(shù)進(jìn)行校正。

近幾年來，PFC技術(shù)已得到大量研究，有了許多實(shí)現(xiàn)方案。其中較成熟的是兩級(jí)式PFC變換器。兩級(jí)式PFC對(duì)諧波的處理效果較好，可以達(dá)到較高的功率因數(shù)；具有獨(dú)立的PFC級(jí)，可以對(duì)輸入DC/DC級(jí)的直流電壓進(jìn)行預(yù)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(duì)于中小功率的電子設(shè)備，很不經(jīng)濟(jì)。因此，將PFC功能與DC/DC功能融為一體的單級(jí)式PFC應(yīng)運(yùn)而生，以彌補(bǔ)兩級(jí)PFC的不足。

目前，單級(jí)式PFC已成為研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。許多新的電源技術(shù)被應(yīng)用到單級(jí)式PFC

（a）三端式單級(jí)PFC電路框圖

（b）基本的單級(jí)PFC變換器電路

圖1 單級(jí)PFC電路

從圖1(b)可以看到，典型的單級(jí)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(gè)開關(guān)管，其中D1電路是充電電路，D2是放電電路（同時(shí)防止開關(guān)管關(guān)斷時(shí)電流倒流）。由于控制電路只是完成輸出電壓整定的任務(wù)，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(shí)輸入功率是隨時(shí)變化的，要得到穩(wěn)定的功率輸出，儲(chǔ)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(fù)載大小無關(guān)，因此負(fù)載越輕，積累在CB上的不平衡能量就越多。這導(dǎo)致CB上的電壓應(yīng)力很大，對(duì)器件耐壓的要求很高。

基于典型單級(jí)PFC的上述特點(diǎn)，在開發(fā)新結(jié)構(gòu)的單級(jí)PFC電路時(shí)，應(yīng)盡可能滿足以下幾個(gè)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(biāo)準(zhǔn)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

（a）單級(jí)PFC變換器電路拓?fù)?

(b)雙端式單級(jí)PFC電路框圖

圖2 改進(jìn)的單級(jí)PFC變換電路

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

根據(jù)圖1中單級(jí)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(jí)PFC電路。實(shí)際應(yīng)用中可參照文獻(xiàn)[2]的方法，對(duì)Dx1、Dx2的充放電電路進(jìn)行改進(jìn)，可以得到更好的效果。該電路可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入電流波形的整定，同時(shí)又可以工作在較大功率場合，發(fā)揮了全橋電路的特點(diǎn)。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(jí)全橋PFC變換器

3.3 有源鉗位和軟開關(guān)技術(shù)的應(yīng)用

與普通DC/DC變換器相比，單級(jí)式PFC變換器具有電壓應(yīng)力大、損耗大的缺點(diǎn)。因此，人們又將有源鉗位和軟開關(guān)等技術(shù)應(yīng)用到單級(jí)式PFC變換器當(dāng)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(yīng)力，從而使單級(jí)式PFC變換器電路能夠得到實(shí)際應(yīng)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(dāng)Vcr被充電到Cc的電壓Vc時(shí)，輔助開關(guān)S2導(dǎo)通，則S1的電壓被鉗位在Vc，降低了S1的電壓應(yīng)力。

圖4 帶有源鉗位和軟開關(guān)的Boost單級(jí)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(shí)現(xiàn)。為了實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)，必須適當(dāng)選擇Lr，且要求Lr遠(yuǎn)小于勵(lì)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(huì)增加開關(guān)管S1、S2的電壓應(yīng)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(huì)越大，帶來嚴(yán)重的反向恢復(fù)問題。

3.4 單級(jí)并聯(lián)PFC電路

針對(duì)傳統(tǒng)兩級(jí)式PFC電路的缺點(diǎn)，單級(jí)PFC變換器把PFC級(jí)與DC/DC功率轉(zhuǎn)換級(jí)整合在一起，達(dá)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(gè)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(jí)電路中，由于單個(gè)開關(guān)管須同時(shí)實(shí)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(duì)這一問題，又產(chǎn)生了新的并聯(lián)式PFC電路。與兩級(jí)式電路及普通單級(jí)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(gè)周期中，PFC級(jí)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(jí)并聯(lián)式PFC變換器

圖5 并聯(lián)式PFC變換器

對(duì)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(shí)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(jí)，多輸入的功率Pin－Po積累在儲(chǔ)能電容中。在t1－t2時(shí)刻，PinPo，輸出功率的一部分由電源主電路和PFC級(jí)提供，差額部分Po－Pin由儲(chǔ)能電容經(jīng)PFC級(jí)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(chǔ)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(gè)變壓器，結(jié)構(gòu)比較復(fù)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(jí)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(jí)進(jìn)行處理。圖6(b)是單級(jí)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(jí)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(gè)實(shí)際的反激式單級(jí)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(shí)驗(yàn)證明：該電路輸入電流平均值與負(fù)載電流反饋有關(guān)，隨負(fù)載電流變化，這種自身具有的負(fù)載電流反饋的性質(zhì)，可以使電路在輕載時(shí)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(huì)增加開關(guān)管的電流應(yīng)力，并可以減少儲(chǔ)能電容的電壓應(yīng)力以及其它有源器件的電路應(yīng)力。

圖7 單級(jí)反激式并聯(lián)PFC電路

4 結(jié)語

近些年來，對(duì)單級(jí)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(gè)目標(biāo)進(jìn)行的。由于單級(jí)式PFC變換器電路有著先天的缺點(diǎn)，減少其電壓應(yīng)力、降低損耗就有著格外重要的意義，本文提到的三類拓?fù)浞矫娴母倪M(jìn)，都是針對(duì)這一目標(biāo)來進(jìn)行的。當(dāng)然，對(duì)一個(gè)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(jí)PFC變換器已成為研究的熱點(diǎn)。一個(gè)優(yōu)秀的PFC變換器必然是好的拓?fù)浜秃玫目刂萍夹g(shù)的結(jié)合。今后，圍繞著本文中的幾個(gè)目標(biāo)，新的單級(jí)PFC拓?fù)浼翱刂撇呗詫⒉粩嗟乇惶岢?。所有這些研究必將推動(dòng)單級(jí)式PFC變換器的應(yīng)用。