1、 引言

　　為(wei)(wei)減少辦公自動化(hua)設備、計算機和(he)家用電(dian)器等內部開關(guan)電(dian)源對電(dian)網的污染，國際電(dian)工委員會和(he)一些國家與地區推出了(le)IEC1000-3-2和(he)EN61000-3-2等標準，對電(dian)流(liu)皆波作出了(le)限量規定(ding)。為(wei)(wei)滿足(zu)輸(shu)入(ru)電(dian)流(liu)諧波限制要求，最(zui)有(you)(you)效的技術(shu)手段就(jiu)有(you)(you)源功率因(yin)數校正（有(you)(you)源PFC）。

　　目前被廣為采用的有源(yuan)PFC技術是兩級方案，即有源(yuan)PFC升壓變換(huan)器+DC-DC變換(huan)器，如圖(tu)1所示。

圖1　兩級PFC變換器電路級成(cheng)框圖

　　兩級PFC變(bian)換器使用(yong)(yong)兩個(ge)開關(guan)（通常為MOSFET）和(he)兩個(ge)控(kong)(kong)制(zhi)器，即一個(ge)功率因數控(kong)(kong)制(zhi)器和(he)一個(ge)PWM控(kong)(kong)制(zhi)器。只(zhi)有在(zai)采用(yong)(yong)PFC/PWM組(zu)合控(kong)(kong)制(zhi)器IC時，才能使用(yong)(yong)一個(ge)控(kong)(kong)制(zhi)器，但仍需用(yong)(yong)兩個(ge)開關(guan)。兩級PFC在(zai)技術上十(shi)分(fen)成(cheng)熟，早已獲得廣泛應用(yong)(yong)，但該(gai)方(fang)案存在(zai)電路拓樸(pu)復雜(za)和(he)成(cheng)本較高等缺點。

　　單級PFC  AC-DC變(bian)換(huan)器中的PFC級和(he)DC-DC級共(gong)用一(yi)個開關管和(he)采用PWM方式的一(yi)套控制電路，同時(shi)實現(xian)功率因數校(xiao)正和(he)對輸出電壓(ya)的調節。

　　2、單級PFC變換器基本電路拓樸

　　2．1 單級PFC變換器基本電路

　　單級PFC變(bian)(bian)換(huan)器(qi)通常由升壓(ya)型PFC級和DC-DC變(bian)(bian)換(huan)器(qi)組合而成。其中的DC-DC變(bian)(bian)換(huan)器(qi)又分(fen)正激(ji)式(shi)(shi)和反激(ji)式(shi)(shi)兩(liang)種類型。圖(tu)2所示為(wei)基本的單級隔(ge)離型正激(ji)式(shi)(shi)升壓(ya)PFC電(dian)(dian)路。兩(liang)部分(fen)電(dian)(dian)路共用(yong)一個開關（Q1），通過(guo)=極管D1的電(dian)(dian)流(liu)為(wei)儲能電(dian)(dian)容C1充電(dian)(dian)，D2在(zai)Q1關斷時防止電(dian)(dian)流(liu)倒流(liu)。通過(guo)控(kong)制(zhi)Q1的通斷，電(dian)(dian)路同(tong)時完成對(dui)AC輸(shu)入電(dian)(dian)流(liu)的整(zheng)形和對(dui)輸(shu)出電(dian)(dian)壓(ya)的調節。

圖2　基本的單級隔(ge)離式升壓(ya)型PFC電路

　　由于全波橋式整流電路輸入連接AC供電線路，瞬時輸入功率是隨時變化的，欲得到穩定的功率輸出，要依靠儲能電容實現功率平衡。對于DC-DC變換器(qi)，通常在連續模(mo)式（CCM）下(xia)工作，占空因數不(bu)隨頁(ye)栽(zai)(zai)變化。而全橋(qiao)整流(liu)輸(shu)出(chu)電(dian)(dian)壓與頁(ye)載大小無關，當頁(ye)栽(zai)(zai)減輕時，輸(shu)出(chu)功(gong)率(lv)(lv)減小，但(dan)PFC級輸(shu)入功(gong)率(lv)(lv)同重(zhong)載時一(yi)樣，使充入CI的(de)能量(liang)等于從(cong)CI抽取的(de)能量(liang)，別起直流(liu)總線電(dian)(dian)壓明(ming)顯(xian)上(shang)升，CI上(shang)的(de)電(dian)(dian)壓應(ying)力往往達1000V以上(shang)，對開(kai)關器(qi)件的(de)耐壓要(yao)求非常高。由于開(kai)關器(qi)件的(de)電(dian)(dian)壓高，電(dian)(dian)流(liu)應(ying)力大，開(kai)關損(sun)耗大，并且功(gong)率(lv)(lv)從(cong)輸(shu)入到輸(shu)出(chu)要(yao)經(jing)兩次(ci)變換，故效率(lv)(lv)低。

   　2．2 改刊型單級PFC變換器電路

　　為降低儲能電容上的高壓和變換器效率，必須對圖2所示的單級PFC基本電路拓樸進行改進。
一(yi)種(zhong)用(yong)變(bian)壓(ya)器(qi)雙線組實現頁反饋的單級(ji)PFC變(bian)換器(qi)電路如圖(tu)3所示(shi)。N1和N2繞(rao)(rao)組為變(bian)壓(ya)器(qi)T1的耦合(he)繞(rao)(rao)組。

圖(tu)3　用雙繞組實現頁反饋的單級PFC變換器

　　當開關(guan)Q1導通(tong)時，電(dian)(dian)(dian)壓(ya)VC1施加(jia)到T1初級繞組。當經(jing)整的電(dian)(dian)(dian)壓(ya)大(da)于(yu)N1上(shang)(shang)的電(dian)(dian)(dian)壓(ya)時，升壓(ya)電(dian)(dian)(dian)感器L1上(shang)(shang)才會(hui)有電(dian)(dian)(dian)流通(tong)過。當Q1截止時，加(jia)在L1上(shang)(shang)的反向電(dian)(dian)(dian)壓(ya)為VC1與N2上(shang)(shang)的電(dian)(dian)(dian)壓(ya)VN2之和減去輸入電(dian)(dian)(dian)壓(ya)。N1和N2兩個耦合線圈的加(jia)入，提供了頁反饋電(dian)(dian)(dian)壓(ya)，減輕了C1上(shang)(shang)的電(dian)(dian)(dian)壓(ya)應力(li)，提高(gao)了效(xiao)率。但是，加(jia)入N1和N2后(hou)，會(hui)降(jiang)低功率因數，增(zeng)加(jia)電(dian)(dian)(dian)流諧波含量。如果在D2與N1之間加(jia)入一個電(dian)(dian)(dian)感，使(shi)輸入電(dian)(dian)(dian)流工作在CCM，C1上(shang)(shang)的電(dian)(dian)(dian)壓(ya)還可以降(jiang)低。在圖(tu)3中(zhong)。要(yao)求N1+N2＜NP。

　　圖(tu)4示出了帶低頻輔(fu)助開關(guan)的(de)CCM單級PFC變換(huan)器(qi)電(dian)(dian)路(lu)。Q1為主開關(guan)，Q2為輔(fu)助開關(guan)。在輸(shu)(shu)入(ru)電(dian)(dian)流(liu)過零附(fu)(fu)近，Q2導(dao)(dao)通(tong)，使(shi)附(fu)(fu)加繞組N1短(duan)路(lu)當輸(shu)(shu)入(ru)電(dian)(dian)壓(ya)大于(yu)某一值時(shi)，Q2關(guan)斷。由于(yu)Q2在輸(shu)(shu)入(ru)電(dian)(dian)壓(ya)很小(xiao)時(shi)才會導(dao)(dao)通(tong)，其余的(de)時(shi)間阻斷，流(liu)過Q2的(de)電(dian)(dian)流(liu)很小(xiao)，Q2的(de)功率損(sun)耗也就很小(xiao)。這種電(dian)(dian)路(lu)拓樸與圖(tu)3電(dian)(dian)路(lu)比(bi)較(jiao)，減小(xiao)了輸(shu)(shu)入(ru)電(dian)(dian)流(liu)的(de)諧波含(han)量，提高了功率因數和(he)效率，降低了電(dian)(dian)容（C1）上的(de)電(dian)(dian)壓(ya)。

圖4　帶低頻輔助開關的(de)CCM單級PFC變(bian)換器

　　圖5所示(shi)為帶(dai)有源(yuan)箱(xiang)(xiang)(xiang)信(xin)和(he)軟(ruan)開(kai)(kai)關(guan)的單級(ji)(ji)隔離式(shi)PFC變(bian)(bian)換器電(dian)(dian)(dian)路(lu)。圖中，Q1為主開(kai)(kai)關(guan)，Q2為輔助開(kai)(kai)關(guan)，C1為儲能(neng)電(dian)(dian)(dian)容，C2為箱(xiang)(xiang)(xiang)位(wei)電(dian)(dian)(dian)容，C2為Q1、Q2和(he)電(dian)(dian)(dian)路(lu)中寄(ji)生(sheng)電(dian)(dian)(dian)容之和(he)。電(dian)(dian)(dian)路(lu)的升(sheng)壓(ya)(ya)級(ji)(ji)工作(zuo)在(zai)DCM，從(cong)而保證有較高(gao)的功率因數。反激(ji)式(shi)變(bian)(bian)換器級(ji)(ji)設計工作(zuo)在(zai)CCM，，從(cong)而避免了產生(sheng)較高(gao)的電(dian)(dian)(dian)流應(ying)力(li)。電(dian)(dian)(dian)路(lu)采用(yong)(yong)有源(yuan)箱(xiang)(xiang)(xiang)位(wei)和(he)軟(ruan)開(kai)(kai)關(guan)技術來限(xian)制(zhi)開(kai)(kai)關(guan)MOSFET的電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)應(ying)力(li)。存儲在(zai)變(bian)(bian)壓(ya)(ya)器漏感中的再生(sheng)能(neng)量，為主開(kai)(kai)關(guan)Q1和(he)輔助開(kai)(kai)關(guan)Q2提(ti)供了軟(ruan)開(kai)(kai)關(guan)條件(jian)，從(cong)而減(jian)少了開(kai)(kai)關(guan)損耗，提(ti)高(gao)了變(bian)(bian)換器效率。Q1和(he)Q2采用(yong)(yong)同一控制(zhi)電(dian)(dian)(dian)路(lu)和(he)驅動電(dian)(dian)(dian)路(lu)，從(cong)而使拓樸結構簡化。

圖5　帶有(you)源箱位和軟開關(guan)的(de)單級隔離式PFC變換器

　　3、基于Flyboost模塊的單級PFC  AC-DC變換器

　　基于Flyboost模(mo)塊的(de)單級(ji)PFC AC-DC變(bian)(bian)換器電(dian)(dian)路如圖(tu)6所示(shi)。該變(bian)(bian)換器建立在(zai)反(fan)激式升(sheng)壓(ya)(ya)(ya)(ya)拓樸基礎上，工作(zuo)(zuo)狀(zhuang)(zhuang)態(tai)分反(fan)激式變(bian)(bian)壓(ya)(ya)(ya)(ya)器狀(zhuang)(zhuang)態(tai)和升(sheng)壓(ya)(ya)(ya)(ya)狀(zhuang)(zhuang)態(tai)兩個工作(zuo)(zuo)狀(zhuang)(zhuang)態(tai)。若Vin(t)為(wei)(wei)(wei)Ac輸(shu)入電(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)(ya)的(de)瞬時(shi)(shi)值，Vc1為(wei)(wei)(wei)儲(chu)能(neng)(neng)電(dian)(dian)容(rong)C1上的(de)電(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)(ya)，n為(wei)(wei)(wei)變(bian)(bian)壓(ya)(ya)(ya)(ya)器T1的(de)電(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)(ya)比(bi)，在(zai)反(fan)激式變(bian)(bian)壓(ya)(ya)(ya)(ya)器狀(zhuang)(zhuang)態(tai)的(de)一(yi)個開關(guan)周(zhou)期內，當開關(guan)Q1導通時(shi)(shi)，T1被充電(dian)(dian)，儲(chu)存能(neng)(neng)量(liang)；當Q1截止(zhi)時(shi)(shi)，由于（Vin(t)）＜（Vc1-nVo），D6不能(neng)(neng)導通，儲(chu)存在(zai)T1中的(de)能(neng)(neng)量(liang)全部(bu)傳(chuan)送到輸(shu)出端。在(zai)這種工作(zuo)(zuo)狀(zhuang)(zhuang)態(tai)，全橋整流(liu)輸(shu)出端的(de)變(bian)(bian)換器輸(shu)入電(dian)(dian)流(liu)Iin波(bo)形(xing)為(wei)(wei)(wei)直角三角形(xing)，平(ping)均輸(shu)入電(dian)(dian)流(liu)Iin(avg)為(wei)(wei)(wei)：

　　在升壓電感狀態，當＞（Vc1-Vo）時，T1相(xiang)當(dang)于一個(ge)升(sheng)壓電(dian)感。在(zai)一個(ge)開關周期(qi)內，當(dang)Q1導能時，T1初級繞組(zu)電(dian)感LP經D5充電(dian)儲(chu)能；當(dang)Q1關斷時，D6導通(tong)，在(zai)LP中(zhong)的儲(chu)能向C1放電(dian)，工作情況(kuang)與一般升(sheng)壓電(dian)感型單級PFC變換器相(xiang)同(tong)。在(zai)此(ci)狀態(tai)下，平均輸入電(dian)流可表示為：

　　式中(zhong)：D為開關5空比(bi)，Ts為開關周期。

　　從式（1）和（2）可知(zhi)，在(zai)兩種工作狀態下，平(ping)均輸(shu)入電流均與(yu)輸(shu)入電壓成正(zheng)比，從而實現功率因數(shu)校正(zheng)。C1上(shang)的電壓被箱位在(zai)（Vin(peak)+n.Vo）電平(ping)上(shang)，通常不超(chao)過400Vo此電路(lu)拓樸的功率因數(shu)一(yi)般(ban)可達0.95以(yi)上(shang)，效率超(chao)過80%。

圖(tu)6　基于Flyboost模塊的單級(ji)PFC  AC-DC變換器

4、基于：W2202的數字單級PFC電路

　　圖7所示為基于數字控制器iw2202的單級PFC變換器電(dian)路。Iw2202與本刊2005年第11期(qi)《一(yi)(yi)種全數字高效率開關(guan)電(dian)源》一(yi)(yi)文(wen)中介紹(shao)的iw2201一(yi)(yi)樣，采(cai)用了脈(mo)沖(chong)串（pulseTainTM）專(zhuan)有(you)技術和(he)實時波形分(fen)析及智能跳越（SmartSkip）技術。但是(shi)，iw2201不(bu)具有(you)PFC功(gong)(gong)能，而iw2202集成了單級PFC變換器控制功(gong)(gong)能。

圖7　基于數字控制器iw2202的(de)單(dan)級(ji)PFC變換器

　　圖7所示的(de)電(dian)路橋式(shi)(shi)整(zheng)流(liu)后邊拓樸，為PFC升壓與反激式(shi)(shi)整(zheng)流(liu)器(qi)相(xiang)結合/能(neng)量儲存/DC-DC（BoostintegratedwithFlybackRectifier/Energy  Storage/DC-DC,簡寫為（BIFRED）拓樸，利用(yong)不(bu)連續模式(shi)(shi)（DCM）升壓變換器(qi)實現功率因(yin)數校(xiao)正。變壓器(qi)初(chu)級繞組（WP）串聯的(de)儲能(neng)電(dian)容C1，用(yong)作(zuo)驅動(dong)反激式(shi)(shi)變換器(qi)。電(dian)路的(de)工(gong)作(zuo)原理如下：

　　當(dang)開(kai)關Q1導(dao)通(tong)時(shi)，來(lai)自(zi)AC線路的能量(liang)被儲(chu)存在升壓(ya)電感(gan)器L1中(zhong)。與(yu)此(ci)同時(shi)，來(lai)自(zi)C1的能量(liang)被儲(chu)存在反激式變壓(ya)器T1的初級繞(rao)組中(zhong)。

　　當Q1關斷(duan)時(shi)，在(zai)T1初級(ji)儲存(cun)的(de)能(neng)量傳送到輸出。同時(shi)，在(zai)升壓電感器L1中(zhong)的(de)能(neng)量傳輸到電容C1，對C1進行充電。

　　在(zai)AC線路(lu)輸入(ru)的(de)半周期(qi)內，兩個電(dian)感器(qi)（L1和(he)LP）儲存的(de)能(neng)量平均值相(xiang)等，從(cong)(cong)而使C1上(shang)的(de)電(dian)壓(ya)保持不(bu)變。用iw2202作為控制器(qi)，解決了(le)儲能(neng)電(dian)容上(shang)電(dian)壓(ya)應力(li)過(guo)高的(de)問題。在(zai)通常情(qing)況下，C1上(shang)的(de)電(dian)壓(ya)不(bu)會超過(guo)400V，從(cong)(cong)而C1可選用400V的(de)標準電(dian)容器(qi)。基于(yu)iw2202的(de)全數字SMPS，可以實現(xian)單位(wei)功率因數（即PF=1）和(he)小于(yu)5%的(de)總諧波(bo)失真（THD）

　　5、結束語

　　單(dan)(dan)級(ji)PFC變換(huan)器(qi)電(dian)路簡(jian)單(dan)(dan)，但PFC和對輸入電(dian)流(liu)諧波(bo)抑制的(de)效果不如兩級(ji)PFC變換(huan)器(qi)。基于全數字控制器(qi)iw2202的(de)單(dan)(dan)級(ji)全數字PFC變換(huan)器(qi)，可以實現接近于I的(de)功(gong)率(lv)因數，輸入電(dian)流(liu)達到(dao)低(di)失真指標(biao)，滿足IEC1000-3-2規定限(xian)值。