單級(jí)功率因數(shù)校正開關(guān)電源的設(shè)計(jì)
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1、 引言
為減少辦公自動(dòng)化設(shè)備、計(jì)算機(jī)和家用電器等內(nèi)部開關(guān)電源對(duì)電網(wǎng)的污染，國(guó)際電工委員會(huì)和一些國(guó)家與地區(qū)推出了IEC1000-3-2和EN61000-3-2等標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)電流諧波作出了限量規(guī)定。為滿足輸入電流諧波限制要求，最有效的技術(shù)手段就有源功率因數(shù)校正（有源PFC）。
目前被廣為采用的有源PFC技術(shù)是兩級(jí)方案，即有源PFC升壓變換器+DC-DC變換器，如圖1所示。
兩級(jí)PFC變換器使用兩個(gè)開關(guān)（通常為MOSFET）和兩個(gè)控制器，即一個(gè)功率因數(shù)控制器和一個(gè)PWM控制器。只有在采用PFC/PWM組合控制器IC時(shí)，才能使用一個(gè)控制器，但仍需用兩個(gè)開關(guān)。兩級(jí)PFC在技術(shù)上十分成熟，早已獲得廣泛應(yīng)用，但該方案存在單級(jí)PFC AC-DC變換器中的PFC級(jí)和DC-DC級(jí)共用一個(gè)開關(guān)管和采用PWM方式的一套控制電路，同時(shí)實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正和對(duì)輸出電壓的調(diào)節(jié)。
2、 單級(jí)PFC變換器基本單級(jí)PFC變換器基本電路
單級(jí)PFC變換器通常由升壓型PFC級(jí)和DC-DC變換器組合而成。其中的DC-DC變換器又分為正激式和反激式兩種類型。圖2所示為基本的單級(jí)隔離型正激式升壓PFC電路。兩部分電路共用一個(gè)開關(guān)（Q1），通過二極管D1的電流為儲(chǔ)能電容C1充電，D2在Q1關(guān)斷時(shí)防止電流倒流。通過控制Q1的通斷，電路同時(shí)完成對(duì)AC輸入電流的整形和對(duì)輸出電壓的調(diào)節(jié)。
由于全波橋式整流電路輸入連接AC供電線路，瞬時(shí)輸入功率是隨時(shí)變化的，欲得到穩(wěn)定的功率輸出，要依靠?jī)?chǔ)能電容實(shí)現(xiàn)功率平衡。對(duì)于DC-DC變換器，通常在連續(xù)模式（CCM）下工作，占空因數(shù)不隨負(fù)載變化。而全橋整流輸出電壓與負(fù)載大小無關(guān)，當(dāng)負(fù)載減輕時(shí)，輸出功率減小，但PFC級(jí)輸入功率同重載時(shí)一樣，使充入C1的能量等于從C1抽取的能量，引起直流總線電壓明顯上升，C1上的電壓應(yīng)力往往達(dá)1000V以上，對(duì)開關(guān)器件的耐壓要求非常高。由于開關(guān)器件的電壓高，電流應(yīng)力大，開關(guān)損耗大，并且功率從輸入到輸出要經(jīng)兩次變換，故效率低。
2.2改進(jìn)型單級(jí)PFC變換器電路
為降低儲(chǔ)能電容上的高壓和變換器效率，必須對(duì)圖2所示的單級(jí)PFC基本
（1）
在升壓電感狀態(tài)，當(dāng)
時(shí)，T1相當(dāng)于一個(gè)升壓電感。在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，當(dāng)Q1導(dǎo)通時(shí)，T1初級(jí)繞組電感LP經(jīng)D5充電儲(chǔ)能；當(dāng)Q1關(guān)斷時(shí)，D6導(dǎo)通，在LP中的儲(chǔ)能向C1放電，工作情況與一般升壓電感型單級(jí)PFC變換器相同。在此狀態(tài)下，平均輸入電流可表示為：
（2）
式中，D為開關(guān)占空比，Ts為開關(guān)周期。
從式（1）和（2）可知，在兩種工作狀態(tài)下，平均輸入電流均與輸入電壓成正比，從而實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正。C1上的電壓被鉗位在（Vin(peak)+n·Vo）電平上，通常不超過400V。此電路拓?fù)涞墓β室驍?shù)一般可達(dá)0.95以上，效率超過80%。
4、 基于：iW2202的數(shù)字單級(jí)PFC電路
圖7所示為基于數(shù)字控制器IW2202的單級(jí)PFC變換器電路。IW2202采用了脈沖串(pulseTainTM)專有技術(shù)和實(shí)時(shí)波形分析及智能跳越(SmartSkip)技術(shù)。IW2202集成了單級(jí)PFC變換器控制功能。
圖7所示的電路橋式整流后邊拓?fù)洌瑸镻FC升壓與反激式整流器相結(jié)合/能量?jī)?chǔ)存/DC-DC(Boost integrated with Flyback Rectifier/Energy Storage/DC-DC,簡(jiǎn)寫為BIFRED)拓?fù)?，利用不連續(xù)模式（DCM）升壓變換器實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正。變壓器初級(jí)繞組(WP)串聯(lián)的儲(chǔ)能電容C1，用作驅(qū)動(dòng)反激式變換器。電路的工作原理如下：
當(dāng)開關(guān)Q1導(dǎo)通時(shí)，來自AC線路的能量被儲(chǔ)存在升壓電感器L1中。與此同時(shí)，來自C1的能量被儲(chǔ)存在反激式變換器T1的初級(jí)繞組中。
當(dāng)Q1關(guān)斷時(shí)，在T1初級(jí)儲(chǔ)存的能量傳送到輸出。同時(shí)，在升壓電感器L1中的能量傳輸?shù)诫娙軨1，對(duì)C1進(jìn)行充電。
在AC線路輸入的半周期內(nèi)，兩個(gè)電感器(L1和LP)儲(chǔ)存的能量平均值相等，從而上使C1上的電壓保持不變。用iw2202作為控制器，解決了儲(chǔ)能電容上電壓應(yīng)力過高的問題。在通常情況下，C1上的電壓不會(huì)超過400V，從而C1可選用400V的標(biāo)準(zhǔn)電容器。基于iw2202的全數(shù)字SMPS，可以實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)（即PF=1）和小于5%的總諧波失真（THD）。
5、 結(jié)束語(yǔ)
單級(jí)PFC變換器電路簡(jiǎn)單，但PFC和對(duì)輸入電流諧波抑制的效果不如兩級(jí)PFC變換器?；谌珨?shù)字控制器iw2202的單級(jí)全數(shù)字PFC變換器，可以實(shí)現(xiàn)接近于1的功率因數(shù)，輸入電流達(dá)到低失真指標(biāo)，滿足IEC1000-3-2規(guī)定限值。
評(píng)論