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單級功率因數(shù)校正電路實用性的分析
摘要：針對電網(wǎng)對電源功率因數(shù)和諧波含量的要求，單級功率因數(shù)校正電路已經(jīng)是電力電子領(lǐng)域的研究熱點。對單級功率因數(shù)校正電路進行了分析，同時根據(jù)現(xiàn)在的輸入電流的諧波標(biāo)準(zhǔn)，分析了單級功率因數(shù)校正電路的實用性。引言
為了減少諧波對交流電網(wǎng)的污染，國內(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。隨著電力質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的日益嚴(yán)格，PFC變換器被越來越多地應(yīng)用于開關(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，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，即無源PFC電路和有源PFC電路。有源PFC電路根據(jù)變換級數(shù)可以分為單級PFC電路和多級PFC電路。近年來，單級PFC電路得到廣泛的關(guān)注，對它的研究也越來越熱了，但是，在工業(yè)上它還沒有得到廣泛應(yīng)用。
通常，通過以下幾個方面來判斷一個功率因數(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小；
--效率和功率密度的高低；
--開關(guān)管應(yīng)力的大小。
單級功率因數(shù)校正將PFC級和DC/DC級組合在一起，同時實現(xiàn)對輸入電流的整形和對輸出電壓的調(diào)節(jié)，但與兩級方案相比，它只調(diào)節(jié)輸出電壓，保證輸出電壓的穩(wěn)定，而對輸入電流沒有進行調(diào)節(jié)，讓輸入電流自動跟蹤輸入電壓，因此，單級PFC電路的效果比較差。本文根據(jù)現(xiàn)在國際上的電流諧波標(biāo)準(zhǔn)，對單級PFC電路在工業(yè)上能否被廣泛應(yīng)用進行了分析。
1 單級PFC電路的分析
圖1是單級PFC的通用結(jié)構(gòu)。不像兩級PFC，單級PFC中使PFC級和DC/DC級共用一個開關(guān)，同時實現(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)時占空比（D）幾乎是個恒定值，所以，單級PFC要求輸入電流能夠自動跟隨輸入電壓，圖2為單級PFC的輸入電壓、電流波形和占空比波形。
1.1 儲能電容的比較
在單級PFC中，由于DC/DC級工作在CCM，占空比不隨負(fù)載變化。當(dāng)負(fù)載變輕時，輸出功率減少，PFC級輸入功率Pin卻沒有這么快的變化。這樣，充入儲能電容的能量大于從儲能電容抽走的能量，導(dǎo)致儲能電容電壓上升，如果輸入具有較少的阻抗，VB會急劇上升以維持輸入功率和輸出功率的平衡。另外,單級PFC電路儲能電容上的電壓變化范圍比較大，在輸入電壓低的時候，儲能電容上的電壓比較低；在輸入電壓高的時候，儲能電容上的電壓比較高，因此，對于相同的輸出功率等級來說，單級PFC電路中所需的儲能電容比兩級PFC電路要大很多，儲能電容上的電壓應(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PFC變換器中，PFC開關(guān)管承受PFC級的電流，DC/DC變換器的開關(guān)管承受DC/DC級的電流。而在單級PFC變換器中只使用了一個開關(guān)管，它要承受PFC級和DC/DC級的電流，這樣，單級PFC變換器中開關(guān)管要承受更高的電流應(yīng)力。通過開關(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PFC變換器和單級PFC變換器中電流大小的比較。另外，與兩級PFC電路相比，單級PFC電路中儲能電容上的電壓比較高，因此，單級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PFC電路中的輸入電感主要是由輸入電流最大紋波和PFC級的占空比來決定的，而在單級PFC電路中主變壓器不僅是PFC電路的輸入電感，而且還用來儲存能量，因此，在相同的輸出功率下，單級PFC電路中的磁芯元件要承受更大的應(yīng)力。
考慮到單級PFC電路中元器件的應(yīng)力等問題，它的最大輸出功率就會受到限制。一般說來，單級PFC電路的最大輸出功率在100W左右。
2 單級PFC電路實用性的分析
圖5給出了功率電子裝置的4種分類等級：A，B，C，和D。對于這4種不同的等級，分別有相應(yīng)的各次諧波限制。現(xiàn)在對輸入電流諧波的要求越來越嚴(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，對于這類設(shè)備不僅在滿載時要滿足ClassD，而且在輸入功率=75W時也要滿足ClassD；而對于照明裝置的要求更加嚴(yán)格，要求它滿足ClassC。
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