改進的單級功率因數(shù)校正AC/DC變換器的拓撲綜述

改進的單級功率因數(shù)校正AC/DC變換器的拓撲綜述

摘要：單級功率因數(shù)校正(簡稱單級PFC)由于控制電路簡單、成本低、功率密度高在中小功率場合得到了廣泛的應用。但是，單級PFC中存在一些問題，如儲能電容電壓隨輸入電壓和負載的變化而變化，在輸入高壓或輕載時，電容電壓可能達到上千伏；變換器的效率低；開關(guān)損耗大等缺點。介紹了幾種改進的拓撲結(jié)構(gòu)以解決這些問題。

1 概述

為了減小對交流電網(wǎng)的諧波污染，國內(nèi)外都制訂了限制電流諧波的有關(guān)標準（如IEC1000-3-?2）。因此，要求交流輸入電源必須采取措施降低電流諧波含量，提高功率因數(shù)。目前廣泛采用的有源功率因數(shù)校正方法有兩種，即兩級PFC和單級PFC。兩級PFC方案[1]如圖1所示，將PFC級輸出端與DC/DC變換器相串聯(lián)，兩級控制電路相互獨立。

PFC級使輸入電流跟隨輸入電壓，使輸入電流正弦化，提高功率因數(shù)，減少諧波含量。后接的DC/DC級實現(xiàn)輸出電壓的快速調(diào)節(jié)。由于采用兩級結(jié)構(gòu)，電路復雜，裝置費用高，效率低。在小功率應用場合，兩級PFC很不適用。因此，研究單級PFC及變換技術(shù)成為電力電子領(lǐng)域中的一項重要課題。

單級PFC[2][3]將PFC級和DC/DC級組合在一起共用一個開關(guān)管和一套控制電路，同時實現(xiàn)對輸入電流的整形和對輸出電壓的調(diào)節(jié)。它與兩級方案不同的是，控制電路只調(diào)節(jié)輸出電壓，保證輸出電壓的穩(wěn)定，在穩(wěn)態(tài)時，占空比恒定，因此，要求PFC級的電流能自動跟隨輸入電壓，雖然，單級PFC變換器的輸入電流不是正弦波，PF值不如兩級方案高，但由于IEC1000-3-2只對電流諧波含量有要求，對PF值沒有嚴格的要求，單級PFC變換器的輸入電流諧波足以滿足IEC1000-3-2。而且由于采用單級結(jié)構(gòu)，電路簡單，成本低，功率密度高。

因此，單級PFC變換器在小功率場合得到了廣泛的應用。本文主要對單級PFC的拓撲進行了分析，指出了存在的問題，介紹了幾種改進的拓撲結(jié)構(gòu)以解決這些問題。

2 單級隔離式Boost PFC電路的分析及存在的問題

典型的單級隔離式BoostPFC電路如圖2所示，該拓撲是由升壓型PFC級和正激式DC/DC變換器組合而成。有源開關(guān)S為共享開關(guān)，CB為緩沖電容。通過控制S的通斷，電路同時實現(xiàn)對輸入電流的整形和對輸出電壓的調(diào)節(jié)。

眾所周知，電流斷續(xù)模式（DCM）的Boost變換器，在固定占空比下電流自動跟隨輸入電壓，因此，PFC級工作在DCM下可以得到較高的功率因數(shù)。但是，輸入和輸出電感電流的峰值較高，增加了有源開關(guān)的電流應力和開關(guān)損耗；變換器的效率低；另外電路需要一個更大的EMI濾波器。如果要求減小開關(guān)器件的電壓、電流應力，那就需要PFC級工作在電流連續(xù)模式（CCM）下，同時可以提高整個變換器的效率并減小EMI。如在圖2的a和b之間加一電感L1，可以使PFC級工作在CCM下。對于DC/DC變換器而言，為了提高變換器的效率，一般工作在CCM下，因此，占空比不隨負載變化。當負載變輕時，輸出功率減小，而PFC級輸入功率同重載時一樣，則充入儲能電容的容量大于從儲能電容抽走的能量，導致儲能電容電壓上升。為了保持輸出電壓一致，電壓反饋環(huán)調(diào)節(jié)輸出電壓，使占空比減小，輸入能量也相應減小，這個動態(tài)過程要到輸入和輸出功率平衡后才停止。負載減小帶來的后果是直流總線電壓明顯上升，也就是電容電壓明顯上升，甚至達到上千伏。

降低電容電壓通常有兩種方法：一種方法就是采用變頻控制[4]，可以使電容電壓低于450V，但是頻率變化范圍可能高達十倍，不利于磁性元件的優(yōu)化設(shè)計；另一種就是采用變壓器繞組實現(xiàn)負反饋。如果PFC級和DC/DC變換器都工作在CCM下，輸出功率減小時，雖然占空比不變，但輸入功率也會相應減小，抑制了儲能電容電壓的增加，它的效率是最高的，PF值有所降低，但是，很難找到一種拓撲完全工作在CCM下，設(shè)計上也相對復雜。串聯(lián)單級PFC變換器的功率流圖如圖3所示，從圖中可以看出，功率由輸入傳送到輸出，經(jīng)過了兩次變換，效率低。

因此，單級PFC變換器的主要問題是，在使輸入電流諧波滿足IEC1000-3-2和快速調(diào)節(jié)輸出電壓的同時，降低電容電壓和提高效率；另外單級PFC變換器工作在硬開關(guān)狀態(tài)時，開關(guān)器件承受的電壓、電流應力高，因此，開關(guān)損耗很大。所以，人們提出了用變壓器繞組實現(xiàn)負反饋，用軟開關(guān)技術(shù)以及并聯(lián)PFC等方法來降低電容電壓，開關(guān)損耗和提高效率。下面介紹幾種改進的拓撲以解決這些問題。

【改進的單級功率因數(shù)校正AC/DC變換器的拓撲綜述】相關(guān)文章：

用于機車空調(diào)的DC/DC變換器03-18

單級功率因數(shù)校正電路實用性的分析03-19

DC-DC變換器AVP控制方法的分析03-18

一種具有恒功率控制的單級功率因數(shù)校正電路03-20

基于EL7558BC的DC/DC變換器的設(shè)計與實現(xiàn)03-19

功率因數(shù)校正(PFC)的數(shù)字控制方法03-19

兩種雙管反激型DC/DC變換器的研究和比較03-20

三相功率因數(shù)校正電路研究03-07

自適應有源濾波算法的優(yōu)化與功率因數(shù)校正03-07