1、 引言

　　為減(jian)少辦公(gong)自動化設備、計(ji)算機和(he)(he)家用電(dian)(dian)器等(deng)(deng)內部開(kai)關電(dian)(dian)源(yuan)對電(dian)(dian)網的(de)污染，國際電(dian)(dian)工委員會(hui)和(he)(he)一些(xie)國家與地區推(tui)出了(le)IEC1000-3-2和(he)(he)EN61000-3-2等(deng)(deng)標準(zhun)，對電(dian)(dian)流皆波作出了(le)限(xian)量規定。為滿足輸(shu)入電(dian)(dian)流諧波限(xian)制要求，最(zui)有(you)效的(de)技術手段就有(you)源(yuan)功率因數校(xiao)正（有(you)源(yuan)PFC）。

　　目前被廣為采(cai)用的有(you)源PFC技術是兩級方案，即有(you)源PFC升壓變換器(qi)+DC-DC變換器(qi)，如圖1所示。

圖(tu)1　兩級(ji)PFC變換器電路級(ji)成框(kuang)圖(tu)

　　兩(liang)(liang)(liang)級PFC變換(huan)器(qi)(qi)使用(yong)(yong)兩(liang)(liang)(liang)個(ge)(ge)開關（通常為MOSFET）和兩(liang)(liang)(liang)個(ge)(ge)控(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)器(qi)(qi)，即一(yi)個(ge)(ge)功率因(yin)數(shu)控(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)器(qi)(qi)和一(yi)個(ge)(ge)PWM控(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)器(qi)(qi)。只有在(zai)采用(yong)(yong)PFC/PWM組合控(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)器(qi)(qi)IC時(shi)，才能使用(yong)(yong)一(yi)個(ge)(ge)控(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)器(qi)(qi)，但(dan)仍需用(yong)(yong)兩(liang)(liang)(liang)個(ge)(ge)開關。兩(liang)(liang)(liang)級PFC在(zai)技術上十分成(cheng)熟(shu)，早已獲得廣(guang)泛應用(yong)(yong)，但(dan)該方案存(cun)在(zai)電路拓樸(pu)復(fu)雜和成(cheng)本較(jiao)高等缺點。

　　單(dan)級PFC  AC-DC變換(huan)器(qi)中的(de)PFC級和DC-DC級共(gong)用一個開關管和采用PWM方式的(de)一套(tao)控制電路，同時實(shi)現功率因數校(xiao)正和對輸出電壓的(de)調節(jie)。

　　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(ji)(ji)PFC變(bian)換器通常由升(sheng)壓(ya)型PFC級(ji)(ji)和(he)DC-DC變(bian)換器組合(he)而成(cheng)。其(qi)中的(de)DC-DC變(bian)換器又分正激(ji)(ji)式(shi)和(he)反激(ji)(ji)式(shi)兩種(zhong)類(lei)型。圖2所(suo)示為基本的(de)單級(ji)(ji)隔(ge)離型正激(ji)(ji)式(shi)升(sheng)壓(ya)PFC電(dian)(dian)(dian)(dian)路。兩部分電(dian)(dian)(dian)(dian)路共(gong)用一個開關（Q1），通過=極管D1的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)流為儲能(neng)電(dian)(dian)(dian)(dian)容C1充電(dian)(dian)(dian)(dian)，D2在(zai)Q1關斷時(shi)防(fang)止(zhi)電(dian)(dian)(dian)(dian)流倒流。通過控制Q1的(de)通斷，電(dian)(dian)(dian)(dian)路同(tong)時(shi)完(wan)成(cheng)對(dui)(dui)AC輸入電(dian)(dian)(dian)(dian)流的(de)整形(xing)和(he)對(dui)(dui)輸出電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)的(de)調節(jie)。

圖2　基本(ben)的單級隔離式升壓型(xing)PFC電(dian)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(huan)器(qi)(qi)，通常(chang)在連續模式（CCM）下工(gong)作，占空因數不隨頁(ye)栽(zai)變化。而全橋整(zheng)流輸(shu)(shu)(shu)出(chu)電壓與頁(ye)載大(da)小無關(guan)(guan)，當頁(ye)栽(zai)減輕(qing)時(shi)，輸(shu)(shu)(shu)出(chu)功(gong)率(lv)減小，但PFC級輸(shu)(shu)(shu)入(ru)功(gong)率(lv)同重載時(shi)一樣，使(shi)充入(ru)CI的能量(liang)等于從CI抽取的能量(liang)，別起直流總(zong)線電壓明顯(xian)上升，CI上的電壓應力(li)往往達1000V以上，對開關(guan)(guan)器(qi)(qi)件(jian)的耐壓要求非常(chang)高。由于開關(guan)(guan)器(qi)(qi)件(jian)的電壓高，電流應力(li)大(da)，開關(guan)(guan)損耗大(da)，并(bing)且(qie)功(gong)率(lv)從輸(shu)(shu)(shu)入(ru)到輸(shu)(shu)(shu)出(chu)要經兩次變換(huan)，故效率(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)種用變壓器雙線組(zu)實(shi)現(xian)頁反饋的(de)(de)單級PFC變換器電(dian)路如圖3所示。N1和(he)N2繞(rao)組(zu)為(wei)變壓器T1的(de)(de)耦合繞(rao)組(zu)。

圖3　用雙(shuang)繞組實(shi)現頁反饋的(de)單級PFC變換器

　　當開關Q1導通時(shi)，電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓VC1施加(jia)到T1初級繞(rao)組。當經(jing)整(zheng)的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓大于N1上的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓時(shi)，升壓電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)感(gan)器L1上才會有電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)通過(guo)。當Q1截(jie)止(zhi)時(shi)，加(jia)在L1上的(de)反向(xiang)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓為VC1與N2上的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓VN2之(zhi)和(he)減去輸(shu)(shu)入(ru)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓。N1和(he)N2兩個耦(ou)合線圈的(de)加(jia)入(ru)，提供了頁反饋電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓，減輕(qing)了C1上的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓應力，提高(gao)了效率。但是，加(jia)入(ru)N1和(he)N2后，會降低功率因(yin)數，增加(jia)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)諧波含量(liang)。如果(guo)在D2與N1之(zhi)間加(jia)入(ru)一個電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)感(gan)，使輸(shu)(shu)入(ru)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)工(gong)作在CCM，C1上的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓還可(ke)以降低。在圖(tu)3中。要求N1+N2＜NP。

　　圖4示出了(le)帶低頻輔助(zhu)開關的(de)CCM單級PFC變換(huan)器電(dian)(dian)路。Q1為(wei)主開關，Q2為(wei)輔助(zhu)開關。在輸(shu)(shu)入電(dian)(dian)流(liu)(liu)過(guo)(guo)零附(fu)近，Q2導通(tong)，使附(fu)加繞組N1短路當輸(shu)(shu)入電(dian)(dian)壓大(da)于(yu)某一值時，Q2關斷。由于(yu)Q2在輸(shu)(shu)入電(dian)(dian)壓很(hen)小(xiao)時才會導通(tong)，其余(yu)的(de)時間阻(zu)斷，流(liu)(liu)過(guo)(guo)Q2的(de)電(dian)(dian)流(liu)(liu)很(hen)小(xiao)，Q2的(de)功率(lv)損耗也就很(hen)小(xiao)。這種(zhong)電(dian)(dian)路拓樸與圖3電(dian)(dian)路比較，減小(xiao)了(le)輸(shu)(shu)入電(dian)(dian)流(liu)(liu)的(de)諧波含量，提高了(le)功率(lv)因數和效率(lv)，降低了(le)電(dian)(dian)容（C1）上的(de)電(dian)(dian)壓。

圖4　帶低頻輔(fu)助開關的CCM單級PFC變換(huan)器

　　圖5所示為(wei)帶有(you)源箱信和(he)(he)軟開(kai)關(guan)(guan)的單級(ji)隔(ge)離式PFC變換(huan)器(qi)電(dian)(dian)(dian)路(lu)。圖中，Q1為(wei)主開(kai)關(guan)(guan)，Q2為(wei)輔助開(kai)關(guan)(guan)，C1為(wei)儲(chu)能電(dian)(dian)(dian)容(rong)，C2為(wei)箱位電(dian)(dian)(dian)容(rong)，C2為(wei)Q1、Q2和(he)(he)電(dian)(dian)(dian)路(lu)中寄生電(dian)(dian)(dian)容(rong)之和(he)(he)。電(dian)(dian)(dian)路(lu)的升壓級(ji)工(gong)作在(zai)DCM，從(cong)(cong)而保證有(you)較高(gao)的功率因數。反激式變換(huan)器(qi)級(ji)設計工(gong)作在(zai)CCM，，從(cong)(cong)而避(bi)免了產生較高(gao)的電(dian)(dian)(dian)流應力。電(dian)(dian)(dian)路(lu)采用(yong)有(you)源箱位和(he)(he)軟開(kai)關(guan)(guan)技術來限(xian)制開(kai)關(guan)(guan)MOSFET的電(dian)(dian)(dian)壓應力。存(cun)儲(chu)在(zai)變壓器(qi)漏感中的再生能量，為(wei)主開(kai)關(guan)(guan)Q1和(he)(he)輔助開(kai)關(guan)(guan)Q2提供了軟開(kai)關(guan)(guan)條件，從(cong)(cong)而減少了開(kai)關(guan)(guan)損(sun)耗，提高(gao)了變換(huan)器(qi)效率。Q1和(he)(he)Q2采用(yong)同(tong)一(yi)控制電(dian)(dian)(dian)路(lu)和(he)(he)驅動(dong)電(dian)(dian)(dian)路(lu)，從(cong)(cong)而使拓(tuo)樸結構(gou)簡化。

圖5　帶有源箱位(wei)和軟開關(guan)的(de)單(dan)級隔離式PFC變換器

　　3、基于Flyboost模塊的單級PFC  AC-DC變換器

　　基(ji)于(yu)Flyboost模塊的(de)單級PFC AC-DC變換(huan)器(qi)電(dian)路如圖6所示。該變換(huan)器(qi)建立在(zai)反(fan)(fan)(fan)激(ji)式(shi)升壓(ya)拓樸基(ji)礎上，工(gong)(gong)作狀(zhuang)態(tai)(tai)分反(fan)(fan)(fan)激(ji)式(shi)變壓(ya)器(qi)狀(zhuang)態(tai)(tai)和(he)升壓(ya)狀(zhuang)態(tai)(tai)兩個(ge)工(gong)(gong)作狀(zhuang)態(tai)(tai)。若Vin(t)為Ac輸(shu)(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)的(de)瞬時(shi)值，Vc1為儲(chu)(chu)能(neng)電(dian)容C1上的(de)電(dian)壓(ya)，n為變壓(ya)器(qi)T1的(de)電(dian)壓(ya)比，在(zai)反(fan)(fan)(fan)激(ji)式(shi)變壓(ya)器(qi)狀(zhuang)態(tai)(tai)的(de)一個(ge)開(kai)關周期內，當開(kai)關Q1導通(tong)時(shi)，T1被充電(dian)，儲(chu)(chu)存能(neng)量；當Q1截(jie)止時(shi)，由(you)于(yu)（Vin(t)）＜（Vc1-nVo），D6不能(neng)導通(tong)，儲(chu)(chu)存在(zai)T1中的(de)能(neng)量全部傳(chuan)送(song)到輸(shu)(shu)出(chu)端(duan)。在(zai)這(zhe)種工(gong)(gong)作狀(zhuang)態(tai)(tai)，全橋(qiao)整流輸(shu)(shu)出(chu)端(duan)的(de)變換(huan)器(qi)輸(shu)(shu)入(ru)電(dian)流Iin波形為直(zhi)角三角形，平均輸(shu)(shu)入(ru)電(dian)流Iin(avg)為：

　　在升壓電感狀態，當＞（Vc1-Vo）時，T1相當于一個升(sheng)壓電感(gan)。在(zai)(zai)一個開(kai)關周期內(nei)，當Q1導(dao)能時，T1初級繞組(zu)電感(gan)LP經D5充電儲(chu)(chu)能；當Q1關斷時，D6導(dao)通，在(zai)(zai)LP中的儲(chu)(chu)能向C1放電，工作情況與(yu)一般升(sheng)壓電感(gan)型(xing)單級PFC變換器相同。在(zai)(zai)此狀態下，平均輸入電流可表(biao)示為：

　　式(shi)中：D為開關5空比，Ts為開關周期。

　　從式(shi)（1）和(he)（2）可(ke)知，在兩(liang)種工作(zuo)狀(zhuang)態下，平(ping)均(jun)輸(shu)入電(dian)流均(jun)與輸(shu)入電(dian)壓(ya)(ya)成正(zheng)比，從而實現功率因(yin)數校正(zheng)。C1上的電(dian)壓(ya)(ya)被箱位在（Vin(peak)+n.Vo）電(dian)平(ping)上，通常不超過400Vo此電(dian)路拓樸的功率因(yin)數一般可(ke)達0.95以上，效(xiao)率超過80%。

圖6　基于Flyboost模塊的(de)單級PFC  AC-DC變(bian)換(huan)器

4、基于：W2202的數字單級PFC電路

　　圖(tu)7所示為基于數字(zi)(zi)控(kong)制(zhi)(zhi)器iw2202的單級PFC變(bian)換(huan)器電路。Iw2202與本刊2005年第11期《一種全(quan)數字(zi)(zi)高(gao)效率(lv)開關電源》一文中(zhong)介紹的iw2201一樣，采用了(le)(le)脈沖(chong)串（pulseTainTM）專(zhuan)有技術和實(shi)時波形分(fen)析及智能跳越（SmartSkip）技術。但是，iw2201不具(ju)有PFC功能，而iw2202集成了(le)(le)單級PFC變(bian)換(huan)器控(kong)制(zhi)(zhi)功能。

圖7　基于(yu)數字控(kong)制器iw2202的單級(ji)PFC變換器

　　圖7所示的電(dian)路橋式整(zheng)流(liu)后邊(bian)拓樸，為(wei)PFC升壓與反(fan)激式整(zheng)流(liu)器(qi)(qi)相(xiang)結合/能量儲存/DC-DC（BoostintegratedwithFlybackRectifier/Energy  Storage/DC-DC,簡寫為(wei)（BIFRED）拓樸，利用不連續模(mo)式（DCM）升壓變(bian)換器(qi)(qi)實(shi)現(xian)功率(lv)因數校正。變(bian)壓器(qi)(qi)初級繞組（WP）串聯的儲能電(dian)容(rong)C1，用作(zuo)驅動反(fan)激式變(bian)換器(qi)(qi)。電(dian)路的工(gong)作(zuo)原理如下：

　　當開(kai)關Q1導通(tong)時(shi)，來自(zi)AC線(xian)路的能(neng)量(liang)被儲存在(zai)升壓電感(gan)器(qi)L1中。與此同時(shi)，來自(zi)C1的能(neng)量(liang)被儲存在(zai)反激式變壓器(qi)T1的初級繞組中。

　　當Q1關(guan)斷(duan)時，在(zai)T1初(chu)級儲存的能量傳(chuan)送到輸(shu)出。同時，在(zai)升壓電(dian)感(gan)器L1中(zhong)的能量傳(chuan)輸(shu)到電(dian)容C1，對C1進(jin)行充(chong)電(dian)。

　　在AC線路(lu)輸入的(de)半周(zhou)期內，兩(liang)個(ge)電感(gan)器(qi)（L1和LP）儲(chu)存的(de)能量平均值(zhi)相等，從(cong)而(er)使C1上的(de)電壓(ya)(ya)保持(chi)不變。用iw2202作為(wei)控制器(qi)，解決了(le)儲(chu)能電容上電壓(ya)(ya)應力過高的(de)問題。在通常情況下，C1上的(de)電壓(ya)(ya)不會超過400V，從(cong)而(er)C1可選用400V的(de)標準電容器(qi)。基于iw2202的(de)全數字SMPS，可以實現單位功(gong)率因數（即PF=1）和小(xiao)于5%的(de)總諧(xie)波失(shi)真（THD）

　　5、結束語

　　單級(ji)PFC變換(huan)器電路簡(jian)單，但PFC和(he)對輸入(ru)電流諧(xie)波抑制(zhi)的效果(guo)不(bu)如兩級(ji)PFC變換(huan)器。基于(yu)全數(shu)字(zi)控制(zhi)器iw2202的單級(ji)全數(shu)字(zi)PFC變換(huan)器，可以實(shi)現接近于(yu)I的功率(lv)因數(shu)，輸入(ru)電流達(da)到低失真(zhen)指標，滿足IEC1000-3-2規定限值。