单级功率因数校正（PFC）研究的新进展

摘要：传统两级功率因数校正（PFC）电路复杂、器件多、功率密度低，效率不是很理想，且成本高，难以应用到小功率消费类电子设备中。而单级式PFC变换器则特别适用于小功率电子设备，但仍存在许多问题。针对这些问题，人们提出了很多新的改进拓扑。为此，对最近产生的单级PFC拓扑进行了分类总结，分析了他们的优缺点，并指出了单级PFC的发展方向。

关键词：两级功率因数校正；单级功率因数校正；单级并联功率因数校正；拓扑

1  引言

    由二极管和滤波电容组成的整流电路，被大量用作电子设备的前端电源。由于电路的非线性，这类电源的输入电流并不是正弦的，包含大量谐波，而且功率因数较低。因此，有必要对这类电源的输入电流进行波形整定(Input Current Shaping，ICS)，对其功率因数进行校正。

    近几年来，PFC技术已得到大量研究，有了许多实现方案。其中较成熟的是两级式PFC变换器。两级式PFC对谐波的处理效果较好，可以达到较高的功率因数；具有独立的PFC级，可以对输入DC/DC级的直流电压进行预调节，输出电压比较精确；带载能力比较高，适合于功率较高的场合。但是，它所需的元器件较多，成本较高；功率密度低，损耗比较大；尤其对于中小功率的电子设备，很不经济。因此，将PFC功能与DC/DC功能融为一体的单级式PFC应运而生，以弥补两级PFC的不足。

    目前，单级式PFC已成为研究的重点和热点。许多新的电源技术被应用到单级式PFC拓扑中。本文对这些新的单级式PFC的拓扑结构特点作分类总结，分析了各自的优缺点，并提出了单级PFC的发展方向。

2   单级式PFC变换器的基本要求  

    图1(a)为典型3端式单级PFC的电路框图，图1(b)则为相应的基本电路。

（a）三端式单级PFC电路框图

（b）基本的单级PFC变换器电路

图1  单级PFC电路

    从图1(b)可以看到，典型的单级PFC变换器是由Boost变换器与基本的功率变换器合成的。两部分共用一个开关管，其中D1电路是充电电路，D2是放电电路（同时防止开关管关断时电流倒流）。由于控制电路只是完成输出电压整定的任务，因此要求变换电路本身具有自然的PFC功能。而Boost变换器恰恰具有这种内在的功率因数校正能力。

    从图1(a)可以看到，典型的PFC变换器是直接与交流电路相连的，因此，瞬时输入功率是随时变化的，要得到稳定的功率输出，储能电容CB是必需的功率平衡手段。但由于整流后的输入电压同负载大小无关，因此负载越轻，积累在CB上的不平衡能量就越多。这导致CB上的电压应力很大，对器件耐压的要求很高。

    基于典型单级PFC的上述特点，在开发新结构的单级PFC电路时，应尽可能满足以下几个方面的要求：

    1）变换器电路要有较好的谐波处理能力，可以满足各种标准的要求；

    2）变换器要有较好的稳定输出电压能力；

    3）变换器的电路拓扑应具有降低电压应力、减少电路损耗的能力；

    4）开关管的控制方式应达到较好的校正、输出效果。

    根据以上要求，下面对一些新的单级PFC拓扑电路进行了分类总结。

3  新型的单级PFC变换器拓扑结构

    许多新型的单级PFC变换器拓扑结构，基本都是在典型单级PFC的基础上，围绕着减少器件的电压应力，降低电路的损耗而进行的改进。下面对这类改进措施及技术分类作一介绍。

3.1  基本电路的改进

    实际中常在图1(b)的D1、D2两条二极管电路中加入电感线圈等元件，以减少电路的电压应力。这种改进很多，图2(a)是一个典型例子（类似改进见参考文献[2]等）。它是在图1(b)的D1、D2两条电路中加入负反馈线圈W1、W2而获得的。在电路开通或关断的时候，两线圈提供负反馈电压，减轻了储能电容CB的电压应力，延缓了输入电流的变化。这种方法还有利于输入电感工作在CCM（ConTInuous Current Mode）模式，保持较低的谐波含量。

（a）单级PFC变换器电路拓扑

(b)双端式单级PFC电路框图

图2  改进的单级PFC变换电路

    在实际应用中，还常用到如图2(b)所示的双端式单级PFC电路。它与三端式单级PFC电路类似，但充、放电电路的连接方法与三端式有差别。实际上，双端式单级PFC电路往往与三端式PFC有相对应的关系，两类电路的工作原理、以及所要实现的目标是基本一致的，两者间的相互转化关系见参考文献[2]。

3.2  与其它变换器电路的结合

    PFC技术发展至今已经逐渐融入到许多优秀的变换器电路中。这些新的拓扑结构可以很好地抑制电源输入谐波，整定输入电流波形，同时又具有极好的输出特性。充分发挥了PFC电路和功率变换电路的特点。

    根据图1中单级PFC变换器的原理，我们可以将Boost电路与其它功率变换器结合在一起。图3将Boost电路与全桥变换器合成单级PFC电路。实际应用中可参照文献[2]的方法，对Dx1、Dx2的充放电电路进行改进，可以得到更好的效果。该电路可以实现对输入电流波形的整定，同时又可以工作在较大功率场合，发挥了全桥电路的特点。同样，PFC电路还可以与其它电路结合，能收到很好的效果。

图3  单级全桥PFC变换器

3.3  有源钳位和软开关技术的应用

    与普通DC/DC变换器相比，单级式PFC变换器具有电压应力大、损耗大的缺点。因此，人们又将有源钳位和软开关等技术应用到单级式PFC变换器当中，使主、辅开关在软开关条件下开关，减少损耗，或降低电路的电压应力，从而使单级式PFC变换器电路能够得到实际应用。

    图4中，有源钳位电路由S2、Cc构成。主开关S1关断后，Cr充电，当Vcr被充电到Cc的电压Vc时，辅助开关S2导通，则S1的电压被钳位在Vc，降低了S1的电压应力。

图4  带有源钳位和软开关的Boost单级隔离式PFC变换器

    软开关过程则由谐振电感Lr、寄生电容Cr的谐振来实现。为了实现零电压开关，必须适当选择Lr，且要求Lr远小于励磁电感Lm。Lr越大，越容易满足主开关的ZVS（Zero Voltage Switching）条件，但Lr的增大会增加开关管S1、S2的电压应力，带来更多的占空比丢失；而Lr越小，输出二极管VD3的电流下降率diD3/dt就会越大，带来严重的反向恢复问题。

3.4  单级并联PFC电路

    针对传统两级式PFC电路的缺点，单级PFC变换器把PFC级与DC/DC功率转换级整合在一起，达到了减少器件数量、简化控制电路、提高功率密度的目的，并力图使整个变换器电路具有较高的效率、较好的输出稳定性。但在单级电路中，由于单个开关管须同时实现PFC功能和输出电压整定功能，因此，其效率、输出等性能都逊色于两极式PFC变换器。针对这一问题，又产生了新的并联式PFC电路。与两级式电路及普通单级电路相比，这种电路的效率较高，输出特性也比较好。

    图5(a)是基本的并联式PFC变换器原理图。在一个周期中，PFC级无需处理所有的传输功率，这是并联式PFC的基本特征。

(a)  基本的并联式PFC变换器

(b)  单级并联式PFC变换器

图5  并联式PFC变换器

    对于图5(a)的并联PFC变换器，其输入输出的功率关系如图6(a)所示。在t0－t1时刻，Pin>Po，功率P1经主电路传输到输出侧，无需经过PFC级，多输入的功率Pin－Po积累在储能电容中。在t1－t2时刻，Pin<Po，输出功率的一部分由电源主电路和PFC级提供，差额部分Po－Pin由储能电容经PFC级提供。阴影部分P1占平均输入功率的68％左右，为直接经由主电路传输到输出侧的功率；阴影部分P2占32％左右，为储能电容提供给输出侧的功率。

    图5(a)的并联PFC变换器，其主电路、辅助PFC电路各需要一个变压器，结构比较复杂，体积、重量较大，成本也比较高，因此常用于较大功率的场合。在中、小功率场合，常用图5(b)的单级并联PFC变换器。该电路中，主电路、辅助电路被整合在一起，输入功率Pin和32％的功率差额都由同一功率级进行处理。图6(b)是单级并联PFC电路的概念图。

(a) 基本并联式输入输出功率关系

(b) 单级并联输入输出功率概念图

图6  并联PFC变换器输入输出功率关系

    图7则是一个实际的反激式单级并联PFC变换器电路。图中输入电感Lin、变压器激磁电感Lm、附加线圈N2完成图6(b)中受控电压源的功能。实验证明：该电路输入电流平均值与负载电流反馈有关，随负载电流变化，这种自身具有的负载电流反馈的性质，可以使电路在轻载时不需要减少占空比就可以降低输入功率；另外，这种电路不会增加开关管的电流应力，并可以减少储能电容的电压应力以及其它有源器件的电路应力。

图7  单级反激式并联PFC电路

4  结语

    近些年来，对单级式PFC变换器电路的大量研究，基本上都是围绕着本文所述的四个目标进行的。由于单级式PFC变换器电路有着先天的缺点，减少其电压应力、降低损耗就有着格外重要的意义，本文提到的三类拓扑方面的改进，都是针对这一目标来进行的。当然，对一个变换器而言控制也有着格外重要的作用，最近，许多与数字控制技术相结合的单级PFC变换器已成为研究的热点。一个优秀的PFC变换器必然是好的拓扑和好的控制技术的结合。今后，围绕着本文中的几个目标，新的单级PFC拓扑及控制策略将不断地被提出。所有这些研究必将推动单级式PFC变换器的应用。