1、 引言

　　為(wei)減少辦(ban)公自動(dong)化設備、計(ji)算機和(he)(he)家(jia)用電(dian)(dian)(dian)器等內部開關(guan)電(dian)(dian)(dian)源(yuan)對(dui)電(dian)(dian)(dian)網(wang)的(de)污染，國際電(dian)(dian)(dian)工(gong)委員會(hui)和(he)(he)一些國家(jia)與地區推出(chu)了IEC1000-3-2和(he)(he)EN61000-3-2等標準，對(dui)電(dian)(dian)(dian)流(liu)皆波(bo)作出(chu)了限(xian)(xian)量規定。為(wei)滿足輸入(ru)電(dian)(dian)(dian)流(liu)諧波(bo)限(xian)(xian)制(zhi)要求，最有效的(de)技術手段(duan)就有源(yuan)功率因數校正(zheng)（有源(yuan)PFC）。

　　目(mu)前(qian)被廣(guang)為(wei)采用的有源(yuan)PFC技術(shu)是(shi)兩級(ji)方案，即有源(yuan)PFC升壓變換器(qi)+DC-DC變換器(qi)，如圖1所示。

圖1　兩級PFC變換器電路(lu)級成框(kuang)圖

　　兩(liang)級PFC變換器(qi)(qi)使用(yong)(yong)(yong)兩(liang)個(ge)開關（通常為MOSFET）和(he)兩(liang)個(ge)控(kong)制(zhi)器(qi)(qi)，即一個(ge)功(gong)率因數控(kong)制(zhi)器(qi)(qi)和(he)一個(ge)PWM控(kong)制(zhi)器(qi)(qi)。只(zhi)有在(zai)采用(yong)(yong)(yong)PFC/PWM組合控(kong)制(zhi)器(qi)(qi)IC時，才(cai)能使用(yong)(yong)(yong)一個(ge)控(kong)制(zhi)器(qi)(qi)，但仍需用(yong)(yong)(yong)兩(liang)個(ge)開關。兩(liang)級PFC在(zai)技(ji)術(shu)上十分成熟，早已獲(huo)得(de)廣(guang)泛應用(yong)(yong)(yong)，但該方案存在(zai)電(dian)路(lu)拓樸復雜和(he)成本較高等缺點。

　　單級PFC  AC-DC變換器中的PFC級和DC-DC級共用(yong)(yong)一個開關(guan)管和采用(yong)(yong)PWM方式(shi)的一套控(kong)制電路，同(tong)時實現功率因數校(xiao)正和對(dui)輸出電壓的調節。

　　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(dan)級(ji)PFC變(bian)換(huan)器(qi)(qi)(qi)通常由升(sheng)(sheng)壓(ya)型(xing)(xing)PFC級(ji)和DC-DC變(bian)換(huan)器(qi)(qi)(qi)組合(he)而成。其(qi)中的(de)DC-DC變(bian)換(huan)器(qi)(qi)(qi)又分正(zheng)激式(shi)和反激式(shi)兩種(zhong)類(lei)型(xing)(xing)。圖2所示為(wei)基本的(de)單(dan)級(ji)隔離型(xing)(xing)正(zheng)激式(shi)升(sheng)(sheng)壓(ya)PFC電(dian)路(lu)。兩部分電(dian)路(lu)共用一個開關（Q1），通過=極管D1的(de)電(dian)流(liu)為(wei)儲能電(dian)容(rong)C1充電(dian)，D2在Q1關斷時防止電(dian)流(liu)倒流(liu)。通過控制Q1的(de)通斷，電(dian)路(lu)同時完成對(dui)AC輸(shu)入(ru)電(dian)流(liu)的(de)整(zheng)形(xing)和對(dui)輸(shu)出電(dian)壓(ya)的(de)調(diao)節。

圖2　基本的單級(ji)隔離式升(sheng)壓型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(bian)換器(qi)，通(tong)常在連(lian)續模(mo)式（CCM）下工作(zuo)，占空因數不隨頁栽變(bian)化。而全橋(qiao)整流(liu)(liu)輸(shu)(shu)出(chu)電壓(ya)(ya)與頁載大小無關(guan)，當頁栽減輕時(shi)，輸(shu)(shu)出(chu)功(gong)率(lv)(lv)(lv)減小，但PFC級輸(shu)(shu)入功(gong)率(lv)(lv)(lv)同(tong)重載時(shi)一樣，使充入CI的(de)能量等于從CI抽取的(de)能量，別起直(zhi)流(liu)(liu)總線(xian)電壓(ya)(ya)明(ming)顯(xian)上(shang)升(sheng)，CI上(shang)的(de)電壓(ya)(ya)應(ying)力(li)(li)往往達1000V以上(shang)，對開關(guan)器(qi)件的(de)耐壓(ya)(ya)要求非常高。由于開關(guan)器(qi)件的(de)電壓(ya)(ya)高，電流(liu)(liu)應(ying)力(li)(li)大，開關(guan)損耗大，并且功(gong)率(lv)(lv)(lv)從輸(shu)(shu)入到輸(shu)(shu)出(chu)要經(jing)兩次(ci)變(bian)換，故效率(lv)(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。
一種(zhong)用變(bian)壓器雙線組(zu)(zu)實現頁反(fan)饋的(de)(de)單級PFC變(bian)換(huan)器電(dian)路如圖3所示。N1和N2繞組(zu)(zu)為變(bian)壓器T1的(de)(de)耦(ou)合繞組(zu)(zu)。

圖3　用雙繞組實(shi)現頁(ye)反(fan)饋的單級PFC變換器

　　當開關Q1導(dao)通時(shi)，電(dian)壓(ya)(ya)VC1施加(jia)到T1初(chu)級繞組。當經整的(de)(de)電(dian)壓(ya)(ya)大于N1上的(de)(de)電(dian)壓(ya)(ya)時(shi)，升壓(ya)(ya)電(dian)感(gan)器L1上才會有電(dian)流通過。當Q1截止時(shi)，加(jia)在(zai)L1上的(de)(de)反向(xiang)電(dian)壓(ya)(ya)為VC1與N2上的(de)(de)電(dian)壓(ya)(ya)VN2之(zhi)和(he)(he)減去輸(shu)(shu)入(ru)(ru)電(dian)壓(ya)(ya)。N1和(he)(he)N2兩個耦合線圈的(de)(de)加(jia)入(ru)(ru)，提供(gong)了(le)頁反饋電(dian)壓(ya)(ya)，減輕了(le)C1上的(de)(de)電(dian)壓(ya)(ya)應力，提高了(le)效率(lv)。但(dan)是(shi)，加(jia)入(ru)(ru)N1和(he)(he)N2后(hou)，會降(jiang)低(di)功率(lv)因數，增加(jia)電(dian)流諧波含量(liang)。如果在(zai)D2與N1之(zhi)間加(jia)入(ru)(ru)一個電(dian)感(gan)，使輸(shu)(shu)入(ru)(ru)電(dian)流工作在(zai)CCM，C1上的(de)(de)電(dian)壓(ya)(ya)還可以降(jiang)低(di)。在(zai)圖(tu)3中。要(yao)求(qiu)N1+N2＜NP。

　　圖(tu)4示(shi)出了帶(dai)低頻輔(fu)助開(kai)關的(de)CCM單級PFC變(bian)換器電(dian)路(lu)(lu)。Q1為(wei)主開(kai)關，Q2為(wei)輔(fu)助開(kai)關。在輸(shu)(shu)入電(dian)流(liu)(liu)過(guo)(guo)零附(fu)近，Q2導(dao)通，使(shi)附(fu)加繞組N1短路(lu)(lu)當輸(shu)(shu)入電(dian)壓(ya)大于(yu)某(mou)一值時，Q2關斷。由于(yu)Q2在輸(shu)(shu)入電(dian)壓(ya)很(hen)(hen)小(xiao)(xiao)時才(cai)會導(dao)通，其余的(de)時間阻斷，流(liu)(liu)過(guo)(guo)Q2的(de)電(dian)流(liu)(liu)很(hen)(hen)小(xiao)(xiao)，Q2的(de)功率損耗也就很(hen)(hen)小(xiao)(xiao)。這種電(dian)路(lu)(lu)拓(tuo)樸與圖(tu)3電(dian)路(lu)(lu)比(bi)較，減小(xiao)(xiao)了輸(shu)(shu)入電(dian)流(liu)(liu)的(de)諧波(bo)含(han)量，提高了功率因數(shu)和效率，降低了電(dian)容(rong)（C1）上的(de)電(dian)壓(ya)。

圖4　帶低頻輔助(zhu)開關(guan)的CCM單級(ji)PFC變換(huan)器

　　圖5所(suo)示為帶有(you)源箱(xiang)(xiang)信和(he)軟開(kai)關(guan)的單級隔離(li)式(shi)(shi)PFC變(bian)(bian)換(huan)器電(dian)(dian)(dian)路(lu)。圖中(zhong)，Q1為主開(kai)關(guan)，Q2為輔(fu)助開(kai)關(guan)，C1為儲能電(dian)(dian)(dian)容(rong)，C2為箱(xiang)(xiang)位(wei)(wei)電(dian)(dian)(dian)容(rong)，C2為Q1、Q2和(he)電(dian)(dian)(dian)路(lu)中(zhong)寄生(sheng)電(dian)(dian)(dian)容(rong)之和(he)。電(dian)(dian)(dian)路(lu)的升壓(ya)(ya)(ya)級工作在(zai)(zai)DCM，從(cong)而(er)(er)保證有(you)較高(gao)的功率因數。反激(ji)式(shi)(shi)變(bian)(bian)換(huan)器級設計工作在(zai)(zai)CCM，，從(cong)而(er)(er)避免了(le)產生(sheng)較高(gao)的電(dian)(dian)(dian)流應(ying)力。電(dian)(dian)(dian)路(lu)采(cai)用有(you)源箱(xiang)(xiang)位(wei)(wei)和(he)軟開(kai)關(guan)技術來(lai)限制開(kai)關(guan)MOSFET的電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)應(ying)力。存儲在(zai)(zai)變(bian)(bian)壓(ya)(ya)(ya)器漏感中(zhong)的再生(sheng)能量，為主開(kai)關(guan)Q1和(he)輔(fu)助開(kai)關(guan)Q2提(ti)供了(le)軟開(kai)關(guan)條件，從(cong)而(er)(er)減少了(le)開(kai)關(guan)損耗，提(ti)高(gao)了(le)變(bian)(bian)換(huan)器效率。Q1和(he)Q2采(cai)用同一控制電(dian)(dian)(dian)路(lu)和(he)驅動電(dian)(dian)(dian)路(lu)，從(cong)而(er)(er)使拓樸(pu)結(jie)構(gou)簡化。

圖5　帶有源箱位和軟開關的單級隔離式PFC變(bian)換器

　　3、基于Flyboost模塊的單級PFC  AC-DC變換器

　　基于Flyboost模塊的(de)(de)單級PFC AC-DC變(bian)換器(qi)電(dian)(dian)路(lu)如圖6所(suo)示(shi)。該變(bian)換器(qi)建立在(zai)反(fan)激(ji)(ji)式(shi)(shi)升壓(ya)拓樸基礎上，工作狀(zhuang)態(tai)分(fen)反(fan)激(ji)(ji)式(shi)(shi)變(bian)壓(ya)器(qi)狀(zhuang)態(tai)和(he)升壓(ya)狀(zhuang)態(tai)兩個工作狀(zhuang)態(tai)。若Vin(t)為Ac輸入(ru)電(dian)(dian)壓(ya)的(de)(de)瞬時值，Vc1為儲(chu)能電(dian)(dian)容C1上的(de)(de)電(dian)(dian)壓(ya)，n為變(bian)壓(ya)器(qi)T1的(de)(de)電(dian)(dian)壓(ya)比，在(zai)反(fan)激(ji)(ji)式(shi)(shi)變(bian)壓(ya)器(qi)狀(zhuang)態(tai)的(de)(de)一個開關(guan)(guan)周(zhou)期內(nei)，當(dang)開關(guan)(guan)Q1導通時，T1被充電(dian)(dian)，儲(chu)存(cun)能量；當(dang)Q1截止時，由于（Vin(t)）＜（Vc1-nVo），D6不能導通，儲(chu)存(cun)在(zai)T1中的(de)(de)能量全部(bu)傳送到輸出端。在(zai)這種工作狀(zhuang)態(tai)，全橋整流輸出端的(de)(de)變(bian)換器(qi)輸入(ru)電(dian)(dian)流Iin波形為直角(jiao)三角(jiao)形，平均輸入(ru)電(dian)(dian)流Iin(avg)為：

　　在升壓電感狀態，當＞（Vc1-Vo）時(shi)，T1相當于一(yi)個升壓(ya)(ya)電(dian)(dian)感(gan)。在一(yi)個開關(guan)周(zhou)期內，當Q1導能(neng)時(shi)，T1初級(ji)繞組電(dian)(dian)感(gan)LP經D5充電(dian)(dian)儲能(neng)；當Q1關(guan)斷時(shi)，D6導通，在LP中的儲能(neng)向(xiang)C1放電(dian)(dian)，工作情況與一(yi)般升壓(ya)(ya)電(dian)(dian)感(gan)型(xing)單級(ji)PFC變換(huan)器相同。在此狀(zhuang)態下，平均輸入電(dian)(dian)流可表示為：

　　式中：D為(wei)開(kai)(kai)關(guan)5空比(bi)，Ts為(wei)開(kai)(kai)關(guan)周期(qi)。

　　從(cong)式（1）和（2）可知(zhi)，在兩(liang)種工作(zuo)狀態下(xia)，平(ping)(ping)均輸入電(dian)(dian)(dian)流均與(yu)輸入電(dian)(dian)(dian)壓成正比，從(cong)而實(shi)現(xian)功(gong)率因數(shu)校(xiao)正。C1上的(de)電(dian)(dian)(dian)壓被(bei)箱位在（Vin(peak)+n.Vo）電(dian)(dian)(dian)平(ping)(ping)上，通常不超過(guo)400Vo此電(dian)(dian)(dian)路(lu)拓樸的(de)功(gong)率因數(shu)一般可達0.95以上，效率超過(guo)80%。

圖6　基于Flyboost模塊的單級PFC  AC-DC變換(huan)器

4、基于：W2202的數字單級PFC電路

　　圖7所(suo)示為基于(yu)數字控制(zhi)器iw2202的單級PFC變換器電路(lu)。Iw2202與本刊2005年(nian)第11期(qi)《一(yi)種全數字高效率開關電源(yuan)》一(yi)文中(zhong)介(jie)紹的iw2201一(yi)樣，采用了脈沖串（pulseTainTM）專(zhuan)有(you)技術和實(shi)時波形分析及智能跳(tiao)越（SmartSkip）技術。但是，iw2201不具有(you)PFC功(gong)能，而iw2202集成了單級PFC變換器控制(zhi)功(gong)能。

圖7　基于數字(zi)控制器iw2202的單級PFC變換器

　　圖7所示的電路橋式(shi)整流(liu)后邊(bian)拓樸，為PFC升壓與反(fan)激(ji)式(shi)整流(liu)器(qi)相結合(he)/能量儲(chu)存/DC-DC（BoostintegratedwithFlybackRectifier/Energy  Storage/DC-DC,簡寫為（BIFRED）拓樸，利(li)用(yong)不(bu)連續(xu)模式(shi)（DCM）升壓變(bian)(bian)換器(qi)實(shi)現功率因數校正(zheng)。變(bian)(bian)壓器(qi)初級(ji)繞組（WP）串聯的儲(chu)能電容(rong)C1，用(yong)作驅動反(fan)激(ji)式(shi)變(bian)(bian)換器(qi)。電路的工作原理如下：

　　當開關Q1導通時，來(lai)自(zi)AC線(xian)路的(de)能量(liang)被儲存在升壓電感(gan)器L1中(zhong)。與此(ci)同時，來(lai)自(zi)C1的(de)能量(liang)被儲存在反激式變(bian)壓器T1的(de)初級繞組中(zhong)。

　　當Q1關斷時，在(zai)T1初級儲(chu)存(cun)的(de)能量傳(chuan)送到(dao)輸出(chu)。同時，在(zai)升壓電感器L1中的(de)能量傳(chuan)輸到(dao)電容C1，對C1進(jin)行充電。

　　在(zai)AC線路輸入的(de)(de)半周(zhou)期內，兩個電感器（L1和LP）儲存的(de)(de)能量平(ping)均值相等，從而(er)使C1上的(de)(de)電壓保持不變。用iw2202作(zuo)為控制器，解決(jue)了(le)儲能電容上電壓應力過(guo)高的(de)(de)問(wen)題。在(zai)通常情況下，C1上的(de)(de)電壓不會超過(guo)400V，從而(er)C1可(ke)選用400V的(de)(de)標(biao)準電容器。基于(yu)iw2202的(de)(de)全數(shu)字SMPS，可(ke)以實現單位功率因(yin)數(shu)（即PF=1）和小(xiao)于(yu)5%的(de)(de)總諧(xie)波失(shi)真（THD）

　　5、結束語

　　單(dan)級(ji)(ji)PFC變換器電(dian)(dian)(dian)路簡(jian)單(dan)，但PFC和對輸(shu)入(ru)(ru)電(dian)(dian)(dian)流諧波抑制的(de)效果不如兩級(ji)(ji)PFC變換器。基(ji)于全(quan)數(shu)字(zi)控制器iw2202的(de)單(dan)級(ji)(ji)全(quan)數(shu)字(zi)PFC變換器，可以實現(xian)接近于I的(de)功率因(yin)數(shu)，輸(shu)入(ru)(ru)電(dian)(dian)(dian)流達到低失真指(zhi)標，滿(man)足IEC1000-3-2規定限值。