單極隔離式功率因數(shù)校正（PFC）變換器

1引言

現(xiàn)代開關(guān)電源的主要發(fā)展趨向之一是提高AC/DC變換器輸入端功率因數(shù)，減少對電網(wǎng)的諧波污染。傳統(tǒng)的AC/DC開關(guān)變換器輸入端是二極管整流—電容濾波組合電路，其輸入端電流波形呈脈沖狀，交流網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)只有0?6～0?7，電流的總諧波畸變THD(TotalHarmonicDistortion)達到100％。(功率因數(shù)為0?999時，THD約為3％)[1]。因此進行網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)校正成為目前研究的熱點之一。

目前研究和應(yīng)用得最多的隔離式高功率因數(shù)變換器要用兩級DC/DC開關(guān)變換器串聯(lián)，成本增加15％～20％。這種電路的最大缺點是需多個元器件，成本高，效率低，尤其在中小功率場合應(yīng)用時，很不經(jīng)濟。對于小功率AC/DC變換器，現(xiàn)在國內(nèi)外正在研究開發(fā)單級高功率因數(shù)電路，功率因數(shù)可達0?9，而成本只增加5％。因而研究單級功率因數(shù)校正及變換技術(shù)已成為很迫切的要求。

為了減小PFC變換器的尺寸，降低成本，研究人員嘗試把PFC和隔離式DC/DC變換集成為單個功率級，同時完成輸入功率因數(shù)為1和輸出電壓恒定的功能。R.Erickson[2]在1990年較早地提出了建立在反激變換器基礎(chǔ)上的簡單功率因數(shù)整流器的設(shè)計。接下來的幾年里，M.H.Kherulawa[3]等人陸續(xù)提出了幾種單級PFC技術(shù)，但所有這些方案都有輸出電壓調(diào)節(jié)慢，控制復(fù)雜和效率低等缺點。1994年，RichardRedl[4]等提出了一系列新型單級隔離式功率因數(shù)校正變換器，克服了上述缺點，具有快速調(diào)節(jié)輸出電壓，只需一個或共同控制的兩個開關(guān)，一個PWM控制電路和自動整定線電流的優(yōu)點。RichardRedl的這項技術(shù)獲得了專利。之后，許多研究者在此基礎(chǔ)上研究出各種更完善的單級隔離式PFC變換器，它們與先前研究的變換器相比，在降低貯能電容電壓，減少諧波失真和快速調(diào)節(jié)輸出響應(yīng)等方面有很大的改善。

2單級隔離式變換器的結(jié)構(gòu)圖

單級隔離式PFC變換器的功率流圖如圖1所示，而傳統(tǒng)的兩級變換的隔離式PFC電路的功率流圖如

圖1單級式PFC變換器結(jié)構(gòu)圖

圖2兩級式PFC變換器結(jié)構(gòu)圖

圖3基本BOOST單級隔離式PFC變換器

圖4帶有再生鉗位的BOOST反激型單級隔離式PFC變換器

圖5帶有源鉗位和軟開關(guān)的BOOST反激型單級

圖6單級充電激勵式PFC變換器

圖2所示。

比較圖1和圖2，單級隔離式變換器通過控制開關(guān)的通斷，電路同時滿足了輸入側(cè)高功率因數(shù)和輸出側(cè)電壓的穩(wěn)定與快速調(diào)節(jié)。PFC單元與DC/DC變換單元的開關(guān)由同一個PWM控制信號控制，而兩級變換器的控制電路相互獨立。

3單級隔離式PFC變換器的分類及特點

單級隔離式PFC變換器大體分為串聯(lián)式和并聯(lián)式兩種。下面具體介紹各種類型的典型變換器。

3?1串聯(lián)式單級隔離式PFC變換器

圖3是由BOOST型PFC電路與單開關(guān)反激變換器組合而成的最基本的單級隔離式PFC變換器拓?fù)?。它與普通的DC/DC變換器相比，有電壓應(yīng)力較高，損失較多的缺點。因此，人們研制出應(yīng)用各種軟開關(guān)技術(shù)，減少開關(guān)損耗及開關(guān)應(yīng)力的各類新型單級PFC變換器，效率高，而電路拓?fù)溆质趾唵巍Ｔ斒鋈缦隆?

（1）帶有再生鉗位的BOOST反激型單級隔離式PFC變換器

與最基本的單級隔離式PFC變換器相比，圖4所示的帶有再生鉗位的BOOST反激型單級隔離式PFC變換器只增加了再生鉗位電容Cc和二極管Dd兩個元器件來構(gòu)成鉗位電路。Cc用來鉗位開關(guān)上電壓，Dd用來阻止Lk,Lp,Ce,L和Cc在開關(guān)S關(guān)斷時諧振。鉗位電路雖然簡單，但它有效地減小了開關(guān)應(yīng)力(鉗位在Vc＋nV0上)，通過Cc與漏感Lk的諧振再生了貯存在變壓器漏感中的能量，免去了損耗能量的緩沖電路。而且，變換器的功率因數(shù)可高于0?99，而普通的單級PFC變換器在相同條件下僅為0?98左右。THD比加緩沖電路時降低9％左右。但這種變換器的開關(guān)在閉合時應(yīng)力較大，不是零電壓下關(guān)斷。

（2）帶有源鉗位和軟開關(guān)的BOOST反激型單級隔離式PFC變換器

電路拓?fù)淙鐖D5所示，S1為主開關(guān)，S2為有源鉗位輔助開關(guān)，電路可看為BOOST單元與反激單元的串聯(lián)組合。兩個單元共用一個主開關(guān)S1。Cr代表開關(guān)S1和S2的總寄生電容，Lk代表變壓器的漏感，Cr、Lk形成串聯(lián)諧振電路，實現(xiàn)S1的軟開關(guān)，Cc和S2構(gòu)成有源鉗位電路，限制開關(guān)上的諧振電壓。

這種電路可再生變壓器漏感中的能量，減小電壓應(yīng)力，與前面提到的再生鉗位電路類似，但它又增加了一個輔助開關(guān)，實現(xiàn)了零電壓開關(guān)，而主開關(guān)和輔助開關(guān)用同一個控制/驅(qū)動電路?？刂齐娐放c沒有有源鉗位電路的控制電路相同，能夠采用常用的PWM控制芯片來設(shè)計。目前帶有源鉗位和軟開關(guān)的單級隔離式PFC變換器廣泛應(yīng)用于各種小功率場合。

（3）單級充電激勵式PFC變換器

這種變換器沒有用BOOST或其它變換器作為PFC單元，僅用兩個電容來實現(xiàn)PFC。充電激勵式PFC單元由諧振電感Lr，充電電容Ca及Cs,輸出整流管Dx和鉗位二極管Ds組成。如圖6所示。

簡單工作原理如下：開關(guān)S閉合，電容CB上的能量傳遞給變壓器的初級繞組，Dx由于加反壓而截止，Lr、Ca和Cs形成串聯(lián)諧振從電源吸收能量。這期間，開關(guān)不僅承受PFC級的電流，而且還承受DC/DC級的電流。當(dāng)Vm達到母線電壓VB，Dx開始導(dǎo)通，Lr上貯存的能量傳送給CB，由于Vm被鉗位到母線電壓，所以諧振電容電壓不變，也就沒有電流流過諧振電容，這時開關(guān)僅承受來自DC/DC級的電流。開關(guān)斷開，Ca及Cs放電，Ca全部放電時，Ds導(dǎo)通，Ca和Cs貯存的能量送給磁化電感，Df開始導(dǎo)通，磁場能量傳送給負(fù)載，磁化電流降為零后，Df截止，反向電壓Vcs加到Dx上，Df截止，然后又開始下一個開關(guān)周期。

圖7全橋式單級PFC變換器

圖8兩級并聯(lián)PFC結(jié)構(gòu)圖

圖9并聯(lián)式單級PFC結(jié)構(gòu)圖

開關(guān)S在Vm被鉗位到母線電壓時，來自PFC單元的電流為零，開關(guān)電流僅來自DC/DC單元。因此，電流應(yīng)力很小，與DC/DC變換器的基本相同。換句話說，也就是PFC單元不增加動作和開關(guān)損耗，變換器有較高的功率變換效率。這是這種變換器的主要優(yōu)點。同時，這種變換器可在滿載的0?5％到滿載情況下最高貯能電容電壓應(yīng)力仍低于一般單級隔離式PFC變換器中的貯能電容電壓，而且在負(fù)載的0?5％情況下還能調(diào)節(jié)輸出電壓，這可應(yīng)用在某些特殊場合。

(4)全橋式單級PFC變換器

圖7給出了ZVS(零電壓開關(guān))、全橋式單級PFC變換器。它在一般的全橋式PFC變換器中加入了含一個開關(guān)的輔助電路來實現(xiàn)ZVS，且ZVS可在大的負(fù)載范圍內(nèi)實現(xiàn)，同時有小的電壓、電流應(yīng)力，開關(guān)損耗幾乎為零，EMI噪聲很低。次級部分的整流二極管在ZCS(零電流開關(guān))和ZVS下動作，初級有源器件在ZVS下動作。這個特點很重要是因為在高電壓、高頻率開關(guān)電源的開關(guān)損失中，主要的損失是由二級管反向恢復(fù)損失產(chǎn)生的，而不是有源器件。這種變換器可應(yīng)用在較高功率場合。然而，它也存在著電路拓?fù)鋸?fù)雜，需要器件較多，增加費用的缺點，而且輔助開關(guān)的峰值電流應(yīng)力比主開關(guān)的要高，但是有效電流應(yīng)力低。

還有一些具有低諧波失真及軟開關(guān)特性的單級PFC變換器，其拓?fù)浯蠖噍^為復(fù)雜，在此不多敘述。

3?2并聯(lián)式單級PFC變換器

所謂單相兩級并聯(lián)PFC就是為同時能獲得單位輸入功率因數(shù)并調(diào)節(jié)輸出電壓，大約68％的平均輸入功率(P1)可通過一個功率變換級送到輸出端，僅有剩下的32％的功率(P2)需要處理兩次。功率流圖見圖8。

新型的并聯(lián)式單級PFC變換只有一個功率變換級，同時處理輸入功率(P1)和余下的32％功率(P2)。功率流圖見圖9。

下面給出一種并聯(lián)式單級BOOST型PFC變換器，如圖10所示。與串聯(lián)式單級PFC變換器相比，它具有較高的變換效率，但是電路復(fù)雜。因此，近年來研究、應(yīng)用較多的大多是電路簡單的串聯(lián)式單級PFC變換器。

4控制方案

單級隔離式PFC變換器的優(yōu)點之一就是控制簡單，僅用一個電路即可。目前單級PFC變換器的控制方法有電壓反饋單環(huán)控制；也有用電流峰值控制的，它比電壓反饋控制多了一個電流環(huán)，除了保持輸出電壓穩(wěn)定還可控制電感電流，但這種控制方法需斜率補償，對噪聲敏感；另外，還有用平均電流控制法，例如前面提到的全橋式單級PFC變換器，平均電流控制法具有電路穩(wěn)定性能好，電壓輸入范圍寬，無需斜率補償，測量精度高和適用的功率范圍寬等優(yōu)點。單級隔離式PFC變換器的主要特點之一就是成本低，因此，人們應(yīng)用較多的還是電壓反饋單環(huán)控制或電流峰值控制法，平均電流控制法雖然性能好，但費用高，背離了設(shè)計單級PFC變換器的初衷，所以僅用在少數(shù)功率較高的場合。M.H.L.Chow[11]等人在1998年首次提出了同時控制導(dǎo)通比和頻率的控制方案。這種方案通過改變導(dǎo)通比來調(diào)節(jié)輸出電壓，改變頻率獲得單位功率因數(shù)和低電壓應(yīng)力，同時獲得三種功能。而1994年Jovanovicetal[12]提出的變頻控制方案，不能減少諧波失真。目前，在單級隔離式PFC變換器中，變頻控制因它帶來的負(fù)面影響應(yīng)用得還很少，但應(yīng)用它可解決某些疑難問題，例如：所有的單級隔離式PFC變換器都存在一個固有的問題，當(dāng)負(fù)載超過最大負(fù)載值時，貯能電容電壓繼續(xù)上升。這時就可通過當(dāng)貯能電容上電壓達到最高值時增大開關(guān)頻率來解決這個問題。

圖10并聯(lián)式單級BOOST型PFC變換器

5小結(jié)

本文總結(jié)了幾種各具特色的單級隔離式PFC變換器，并在此基礎(chǔ)上討論了控制方案。單級功率因數(shù)校正及變換技術(shù)這門20世紀(jì)90年代發(fā)展起來的高效、低成本和實用的新技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于小功率的家用電器，充電電池和計算機電源等場合。今后，各種單級隔離式PFC變換技術(shù)必將得到進一步的深入研究，并在小功率開關(guān)電源領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用。