1引言

現(xiàn)代開(kāi)關(guān)電源的主要發(fā)展趨向之一是提高AC/DC變換器" title="變換器">變換器輸入端功率因數(shù)" title="功率因數(shù)">功率因數(shù),，減少對(duì)電網(wǎng)的諧波污染,。傳統(tǒng)的AC/DC開(kāi)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(dá)到100％。(功率因數(shù)為0999時(shí),，THD約為3％)[1],。因此進(jìn)行網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)校正成為目前研究的熱點(diǎn)之一,。

目前研究和應(yīng)用得最多的隔離式" title="隔離式">隔離式高功率因數(shù)變換器要用兩級(jí)DC/DC" title="DC/DC">DC/DC開(kāi)關(guān)變換器串聯(lián)，成本增加15％～20％,。這種電路的最大缺點(diǎn)是需多個(gè)元器件,，成本高，效率低,，尤其在中小功率場(chǎng)合應(yīng)用時(shí),，很不經(jīng)濟(jì)。對(duì)于小功率AC/DC變換器,，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外正在研究開(kāi)發(fā)單級(jí)高功率因數(shù)電路,，功率因數(shù)可達(dá)09，而成本只增加5％,。因而研究單級(jí)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(gè)功率級(jí),，同時(shí)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(jiǎn)單功率因數(shù)整流器的設(shè)計(jì),。接下來(lái)的幾年里,，M.H.Kherulawa[3]等人陸續(xù)提出了幾種單級(jí)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(diǎn),。1994年，RichardRedl[4]等提出了一系列新型單級(jí)隔離式功率因數(shù)校正變換器,，克服了上述缺點(diǎn),，具有快速調(diào)節(jié)輸出電壓，只需一個(gè)或共同控制的兩個(gè)開(kāi)關(guān),，一個(gè)PWM控制電路和自動(dòng)整定線電流的優(yōu)點(diǎn),。RichardRedl的這項(xiàng)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(jí)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(jí)隔離式變換器的結(jié)構(gòu)圖

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

圖1單級(jí)式PFC變換器結(jié)構(gòu)圖

圖2兩級(jí)式PFC變換器結(jié)構(gòu)圖

圖3基本BOOST單級(jí)隔離式PFC變換器

圖4帶有再生鉗位" title="鉗位">鉗位的BOOST反激型單級(jí)隔離式PFC變換器

圖5帶有源鉗位和軟開(kāi)關(guān)的BOOST反激型單級(jí)

圖6單級(jí)充電激勵(lì)式PFC變換器

圖2所示,。

比較圖1和圖2,，單級(jí)隔離式變換器通過(guò)控制開(kāi)關(guān)的通斷，電路同時(shí)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(kāi)關(guān)由同一個(gè)PWM控制信號(hào)控制,，而兩級(jí)變換器的控制電路相互獨(dú)立,。

3單級(jí)隔離式PFC變換器的分類及特點(diǎn)

單級(jí)隔離式PFC變換器大體分為串聯(lián)式和并聯(lián)式" title="并聯(lián)式">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(jí)隔離式PFC變換器

圖3是由BOOST型PFC電路與單開(kāi)關(guān)反激變換器組合而成的最基本的單級(jí)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(diǎn)。因此,，人們研制出應(yīng)用各種軟開(kāi)關(guān)技術(shù),，減少開(kāi)關(guān)損耗及開(kāi)關(guān)應(yīng)力的各類新型單級(jí)PFC變換器，效率高,，而電路拓?fù)溆质趾?jiǎn)單,。詳述如下。

（1）帶有再生鉗位的BOOST反激型單級(jí)隔離式PFC變換器

與最基本的單級(jí)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(jí)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(gè)元器件來(lái)構(gòu)成鉗位電路,。Cc用來(lái)鉗位開(kāi)關(guān)上電壓，Dd用來(lái)阻止Lk,Lp,Ce,L和Cc在開(kāi)關(guān)S關(guān)斷時(shí)諧振,。鉗位電路雖然簡(jiǎn)單,，但它有效地減小了開(kāi)關(guān)應(yīng)力(鉗位在Vc＋nV0上)，通過(guò)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(jí)PFC變換器在相同條件下僅為098左右,。THD比加緩沖電路時(shí)降低9％左右。但這種變換器的開(kāi)關(guān)在閉合時(shí)應(yīng)力較大,，不是零電壓下關(guān)斷,。

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

電路拓?fù)淙鐖D5所示，S1為主開(kāi)關(guān),，S2為有源鉗位輔助開(kāi)關(guān),，電路可看為BOOST單元與反激單元的串聯(lián)組合。兩個(gè)單元共用一個(gè)主開(kāi)關(guān)S1,。Cr代表開(kāi)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(shí)現(xiàn)S1的軟開(kāi)關(guān)，Cc和S2構(gòu)成有源鉗位電路,，限制開(kāi)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(gè)輔助開(kāi)關(guān),，實(shí)現(xiàn)了零電壓開(kāi)關(guān)，而主開(kāi)關(guān)和輔助開(kāi)關(guān)用同一個(gè)控制/驅(qū)動(dòng)電路,?？刂齐娐放c沒(méi)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(lái)設(shè)計(jì),。目前帶有源鉗位和軟開(kāi)關(guān)的單級(jí)隔離式PFC變換器廣泛應(yīng)用于各種小功率場(chǎng)合,。

（3）單級(jí)充電激勵(lì)式PFC變換器

這種變換器沒(méi)有用BOOST或其它變換器作為PFC單元，僅用兩個(gè)電容來(lái)實(shí)現(xiàn)PFC,。充電激勵(lì)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(jiǎn)單工作原理如下：開(kāi)關(guān)S閉合,，電容CB上的能量傳遞給變壓器的初級(jí)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(kāi)關(guān)不僅承受PFC級(jí)的電流,，而且還承受DC/DC級(jí)的電流。當(dāng)Vm達(dá)到母線電壓VB,，Dx開(kāi)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(méi)有電流流過(guò)諧振電容，這時(shí)開(kāi)關(guān)僅承受來(lái)自DC/DC級(jí)的電流,。開(kāi)關(guān)斷開(kāi),，Ca及Cs放電，Ca全部放電時(shí),，Ds導(dǎo)通,，Ca和Cs貯存的能量送給磁化電感，Df開(kāi)始導(dǎo)通,，磁場(chǎng)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(kāi)始下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期。

圖7全橋式單級(jí)PFC變換器

圖8兩級(jí)并聯(lián)PFC結(jié)構(gòu)圖

圖9并聯(lián)式單級(jí)PFC結(jié)構(gòu)圖

開(kāi)關(guān)S在Vm被鉗位到母線電壓時(shí),，來(lái)自PFC單元的電流為零,，開(kāi)關(guān)電流僅來(lái)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(shuō),，也就是PFC單元不增加動(dòng)作和開(kāi)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(diǎn),。同時(shí)，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(jí)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(chǎng)合。

(4)全橋式單級(jí)PFC變換器

圖7給出了ZVS(零電壓開(kāi)關(guān)),、全橋式單級(jí)PFC變換器,。它在一般的全橋式PFC變換器中加入了含一個(gè)開(kāi)關(guān)的輔助電路來(lái)實(shí)現(xiàn)ZVS，且ZVS可在大的負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn),，同時(shí)有小的電壓,、電流應(yīng)力，開(kāi)關(guān)損耗幾乎為零,，EMI噪聲很低,。次級(jí)部分的整流二極管在ZCS(零電流開(kāi)關(guān))和ZVS下動(dòng)作，初級(jí)有源器件在ZVS下動(dòng)作,。這個(gè)特點(diǎn)很重要是因?yàn)樵诟唠妷?、高頻率開(kāi)關(guān)電源的開(kāi)關(guān)損失中，主要的損失是由二級(jí)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(chǎng)合。然而,，它也存在著電路拓?fù)鋸?fù)雜,，需要器件較多，增加費(fèi)用的缺點(diǎn),，而且輔助開(kāi)關(guān)的峰值電流應(yīng)力比主開(kāi)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(kāi)關(guān)特性的單級(jí)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(jí)PFC變換器

所謂單相兩級(jí)并聯(lián)PFC就是為同時(shí)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(guò)一個(gè)功率變換級(jí)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(jiàn)圖8。

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

下面給出一種并聯(lián)式單級(jí)BOOST型PFC變換器,，如圖10所示,。與串聯(lián)式單級(jí)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(lái)研究,、應(yīng)用較多的大多是電路簡(jiǎn)單的串聯(lián)式單級(jí)PFC變換器,。

4控制方案

單級(jí)隔離式PFC變換器的優(yōu)點(diǎn)之一就是控制簡(jiǎn)單，僅用一個(gè)電路即可,。目前單級(jí)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(gè)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(bǔ)償，對(duì)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(jí)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(wú)需斜率補(bǔ)償,，測(cè)量精度高和適用的功率范圍寬等優(yōu)點(diǎn),。單級(jí)隔離式PFC變換器的主要特點(diǎn)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(fèi)用高,，背離了設(shè)計(jì)單級(jí)PFC變換器的初衷,，所以僅用在少數(shù)功率較高的場(chǎng)合,。M.H.L.Chow[11]等人在1998年首次提出了同時(shí)控制導(dǎo)通比和頻率的控制方案。這種方案通過(guò)改變導(dǎo)通比來(lái)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(shí)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(jí)隔離式PFC變換器中,，變頻控制因它帶來(lái)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(wèn)題，例如：所有的單級(jí)隔離式PFC變換器都存在一個(gè)固有的問(wèn)題,，當(dāng)負(fù)載超過(guò)最大負(fù)載值時(shí),，貯能電容電壓繼續(xù)上升。這時(shí)就可通過(guò)當(dāng)貯能電容上電壓達(dá)到最高值時(shí)增大開(kāi)關(guān)頻率來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題,。

圖10并聯(lián)式單級(jí)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(jí)隔離式PFC變換器,，并在此基礎(chǔ)上討論了控制方案。單級(jí)功率因數(shù)校正及變換技術(shù)這門(mén)20世紀(jì)90年代發(fā)展起來(lái)的高效,、低成本和實(shí)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(jì)算機(jī)電源等場(chǎng)合,。今后，各種單級(jí)隔離式PFC變換技術(shù)必將得到進(jìn)一步的深入研究,，并在小功率開(kāi)關(guān)電源領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用,。