改進的單級功率因數校正AC/DC變換器的拓撲綜述

改進的單級功率因數校正AC/DC變換器的拓撲綜述

摘要：單級功率因數校正(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；開關損耗大等缺點。介紹了幾種改進的拓撲結構以解決這些問題。

1 概述

為了減小對交流電網的諧波污染，國內外都制訂了限制電流諧波的有關標準（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。目前廣泛采用的有源功率因數校正方法有兩種，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，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，減少諧波含量。后接的DC/DC級實現輸出電壓的快速調節。由于采用兩級結構，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及變換技術成為電力電子領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管和一套控制電路，同時實現對輸入電流的整形和對輸出電壓的調節。它與兩級方案不同的是，控制電路只調節輸出電壓，保證輸出電壓的穩定，在穩態時，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構，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構以解決這些問題。

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S為共享開關，CB為緩沖電容。通過控制S的通斷，電路同時實現對輸入電流的整形和對輸出電壓的調節。

眾所周知，電流斷續模式（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。但是，輸入和輸出電感電流的峰值較高，增加了有源開關的電流應力和開關損耗；變換器的效率低；另外電路需要一個更大的EMI濾波器。如果要求減小開關器件的電壓、電流應力，那就需要PFC級工作在電流連續模式（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，電壓反饋環調節輸出電壓，使占空比減小，輸入能量也相應減小，這個動態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化設計；另一種就是采用變壓器繞組實現負反饋。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，設計上也相對復雜。串聯單級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和快速調節輸出電壓的同時，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狀態時，開關器件承受的電壓、電流應力高，因此，開關損耗很大。所以，人們提出了用變壓器繞組實現負反饋，用軟開關技術以及并聯PFC等方法來降低電容電壓，開關損耗和提高效率。下面介紹幾種改進的拓撲以解決這些問題。

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