1、 引言

　　為減少辦公(gong)自動化設備、計算(suan)機(ji)和家用電(dian)(dian)器等(deng)內(nei)部開關電(dian)(dian)源對電(dian)(dian)網的(de)污(wu)染，國(guo)際電(dian)(dian)工委員會和一些國(guo)家與地區推出了(le)(le)IEC1000-3-2和EN61000-3-2等(deng)標準，對電(dian)(dian)流(liu)(liu)皆波作(zuo)出了(le)(le)限量規定。為滿足輸入電(dian)(dian)流(liu)(liu)諧波限制要(yao)求(qiu)，最有效的(de)技術手段就(jiu)有源功率因數校正（有源PFC）。

　　目前(qian)被(bei)廣為采用的有(you)源(yuan)PFC技術是(shi)兩級方(fang)案，即(ji)有(you)源(yuan)PFC升壓變(bian)(bian)換(huan)器(qi)+DC-DC變(bian)(bian)換(huan)器(qi)，如圖1所(suo)示。

圖1　兩(liang)級(ji)PFC變(bian)換器電路級(ji)成(cheng)框圖

　　兩級PFC變換器(qi)使用(yong)(yong)兩個開關(guan)（通常為MOSFET）和(he)兩個控(kong)制器(qi)，即一(yi)個功(gong)率因數控(kong)制器(qi)和(he)一(yi)個PWM控(kong)制器(qi)。只有在(zai)采用(yong)(yong)PFC/PWM組合控(kong)制器(qi)IC時(shi)，才能(neng)使用(yong)(yong)一(yi)個控(kong)制器(qi)，但仍需用(yong)(yong)兩個開關(guan)。兩級PFC在(zai)技術(shu)上(shang)十分(fen)成熟，早已獲得廣泛應用(yong)(yong)，但該方案(an)存在(zai)電路拓樸復雜和(he)成本較高(gao)等缺點。

　　單級(ji)(ji)PFC  AC-DC變換器中的(de)PFC級(ji)(ji)和(he)DC-DC級(ji)(ji)共用一個開(kai)關管和(he)采用PWM方式的(de)一套(tao)控制電路，同時實現功率(lv)因數校正和(he)對輸出電壓的(de)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)換器(qi)通(tong)常由升壓(ya)(ya)型(xing)PFC級和DC-DC變(bian)換器(qi)組合而成。其中的(de)DC-DC變(bian)換器(qi)又(you)分正激(ji)式(shi)和反(fan)激(ji)式(shi)兩種(zhong)類型(xing)。圖2所(suo)示為(wei)基本的(de)單級隔離型(xing)正激(ji)式(shi)升壓(ya)(ya)PFC電(dian)(dian)(dian)(dian)路。兩部分電(dian)(dian)(dian)(dian)路共用一(yi)個開關(guan)(guan)（Q1），通(tong)過=極管D1的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)(liu)為(wei)儲能(neng)電(dian)(dian)(dian)(dian)容C1充電(dian)(dian)(dian)(dian)，D2在Q1關(guan)(guan)斷時防(fang)止電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)(liu)倒流(liu)(liu)(liu)。通(tong)過控制(zhi)Q1的(de)通(tong)斷，電(dian)(dian)(dian)(dian)路同時完成對(dui)AC輸入電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)(liu)的(de)整形和對(dui)輸出電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)的(de)調節。

圖(tu)2　基本的單級隔離式升壓型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變換(huan)器，通常(chang)在連續模式（CCM）下工作，占空因(yin)數不隨頁(ye)栽(zai)變化。而全橋整流(liu)輸(shu)出電壓與頁(ye)載大小無關(guan)，當頁(ye)栽(zai)減輕(qing)時(shi)，輸(shu)出功(gong)率(lv)減小，但PFC級(ji)輸(shu)入功(gong)率(lv)同(tong)重(zhong)載時(shi)一樣，使充(chong)入CI的(de)(de)能量(liang)等于從CI抽取的(de)(de)能量(liang)，別起直(zhi)流(liu)總線電壓明顯上(shang)升，CI上(shang)的(de)(de)電壓應(ying)力(li)往往達1000V以上(shang)，對開關(guan)器件(jian)的(de)(de)耐壓要(yao)求(qiu)非常(chang)高(gao)。由于開關(guan)器件(jian)的(de)(de)電壓高(gao)，電流(liu)應(ying)力(li)大，開關(guan)損(sun)耗大，并且功(gong)率(lv)從輸(shu)入到輸(shu)出要(yao)經兩次變換(huan)，故效率(lv)低(di)。

   　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。
一種用變壓器(qi)雙線組實現頁反(fan)饋的單級PFC變換器(qi)電路如圖3所示(shi)。N1和(he)N2繞(rao)組為(wei)變壓器(qi)T1的耦合(he)繞(rao)組。

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

　　當開(kai)關(guan)Q1導通(tong)時，電(dian)(dian)(dian)(dian)壓VC1施加(jia)(jia)(jia)到T1初級繞組。當經整的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓大(da)于N1上(shang)的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓時，升壓電(dian)(dian)(dian)(dian)感器L1上(shang)才(cai)會有電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)通(tong)過。當Q1截止(zhi)時，加(jia)(jia)(jia)在L1上(shang)的(de)反向電(dian)(dian)(dian)(dian)壓為(wei)VC1與N2上(shang)的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓VN2之和(he)減去(qu)輸(shu)入電(dian)(dian)(dian)(dian)壓。N1和(he)N2兩個耦合線圈的(de)加(jia)(jia)(jia)入，提供了(le)頁反饋電(dian)(dian)(dian)(dian)壓，減輕了(le)C1上(shang)的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓應力，提高了(le)效率。但是，加(jia)(jia)(jia)入N1和(he)N2后，會降低功率因數，增加(jia)(jia)(jia)電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)諧(xie)波含量。如果在D2與N1之間加(jia)(jia)(jia)入一個電(dian)(dian)(dian)(dian)感，使輸(shu)入電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)工作(zuo)在CCM，C1上(shang)的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓還可以降低。在圖3中。要求N1+N2＜NP。

　　圖4示出(chu)了帶低頻(pin)輔助(zhu)開關的(de)(de)CCM單級PFC變換器電(dian)(dian)路。Q1為(wei)主開關，Q2為(wei)輔助(zhu)開關。在輸(shu)入電(dian)(dian)流(liu)(liu)過零附近(jin)，Q2導通(tong)，使附加繞組N1短路當輸(shu)入電(dian)(dian)壓大于某一值時，Q2關斷。由于Q2在輸(shu)入電(dian)(dian)壓很(hen)小時才會導通(tong)，其余的(de)(de)時間(jian)阻斷，流(liu)(liu)過Q2的(de)(de)電(dian)(dian)流(liu)(liu)很(hen)小，Q2的(de)(de)功率(lv)損(sun)耗(hao)也就很(hen)小。這(zhe)種電(dian)(dian)路拓樸與圖3電(dian)(dian)路比較，減(jian)小了輸(shu)入電(dian)(dian)流(liu)(liu)的(de)(de)諧波含量，提高了功率(lv)因數和(he)效(xiao)率(lv)，降低了電(dian)(dian)容(rong)（C1）上(shang)的(de)(de)電(dian)(dian)壓。

圖4　帶低(di)頻輔助開關的(de)CCM單級(ji)PFC變(bian)換器

　　圖5所示為(wei)(wei)帶有源(yuan)箱信和(he)(he)軟開(kai)關(guan)的單(dan)級(ji)隔(ge)離(li)式PFC變(bian)換(huan)器(qi)(qi)電(dian)(dian)路。圖中(zhong)，Q1為(wei)(wei)主開(kai)關(guan)，Q2為(wei)(wei)輔(fu)助(zhu)開(kai)關(guan)，C1為(wei)(wei)儲能(neng)電(dian)(dian)容(rong)，C2為(wei)(wei)箱位(wei)電(dian)(dian)容(rong)，C2為(wei)(wei)Q1、Q2和(he)(he)電(dian)(dian)路中(zhong)寄生(sheng)電(dian)(dian)容(rong)之和(he)(he)。電(dian)(dian)路的升(sheng)壓(ya)級(ji)工作在(zai)(zai)DCM，從而(er)保證有較高(gao)的功(gong)率因數。反激式變(bian)換(huan)器(qi)(qi)級(ji)設計(ji)工作在(zai)(zai)CCM，，從而(er)避免(mian)了(le)產生(sheng)較高(gao)的電(dian)(dian)流(liu)應力(li)。電(dian)(dian)路采(cai)用有源(yuan)箱位(wei)和(he)(he)軟開(kai)關(guan)技術(shu)來限制開(kai)關(guan)MOSFET的電(dian)(dian)壓(ya)應力(li)。存儲在(zai)(zai)變(bian)壓(ya)器(qi)(qi)漏感中(zhong)的再(zai)生(sheng)能(neng)量，為(wei)(wei)主開(kai)關(guan)Q1和(he)(he)輔(fu)助(zhu)開(kai)關(guan)Q2提供了(le)軟開(kai)關(guan)條件，從而(er)減(jian)少了(le)開(kai)關(guan)損耗，提高(gao)了(le)變(bian)換(huan)器(qi)(qi)效率。Q1和(he)(he)Q2采(cai)用同(tong)一控制電(dian)(dian)路和(he)(he)驅動電(dian)(dian)路，從而(er)使拓樸結構簡化(hua)。

圖5　帶有源箱位和軟(ruan)開關(guan)的單級隔(ge)離式PFC變換器

　　3、基于Flyboost模塊的單級PFC  AC-DC變換器

　　基于Flyboost模塊的(de)(de)(de)單(dan)級(ji)PFC AC-DC變(bian)換(huan)(huan)器(qi)電(dian)路如圖6所示。該變(bian)換(huan)(huan)器(qi)建立在反激(ji)式升壓(ya)拓樸(pu)基礎(chu)上(shang)，工作狀(zhuang)態分反激(ji)式變(bian)壓(ya)器(qi)狀(zhuang)態和升壓(ya)狀(zhuang)態兩個工作狀(zhuang)態。若Vin(t)為(wei)(wei)Ac輸(shu)入電(dian)壓(ya)的(de)(de)(de)瞬時值，Vc1為(wei)(wei)儲(chu)能電(dian)容C1上(shang)的(de)(de)(de)電(dian)壓(ya)，n為(wei)(wei)變(bian)壓(ya)器(qi)T1的(de)(de)(de)電(dian)壓(ya)比(bi)，在反激(ji)式變(bian)壓(ya)器(qi)狀(zhuang)態的(de)(de)(de)一個開關周(zhou)期(qi)內，當開關Q1導通時，T1被充(chong)電(dian)，儲(chu)存(cun)能量(liang)；當Q1截止時，由于（Vin(t)）＜（Vc1-nVo），D6不能導通，儲(chu)存(cun)在T1中的(de)(de)(de)能量(liang)全(quan)(quan)部(bu)傳送到輸(shu)出端。在這(zhe)種(zhong)工作狀(zhuang)態，全(quan)(quan)橋整流輸(shu)出端的(de)(de)(de)變(bian)換(huan)(huan)器(qi)輸(shu)入電(dian)流Iin波形為(wei)(wei)直(zhi)角三角形，平均(jun)輸(shu)入電(dian)流Iin(avg)為(wei)(wei)：

　　在升壓電感狀態，當＞（Vc1-Vo）時(shi)，T1相(xiang)當于(yu)一個升壓電(dian)(dian)(dian)感(gan)。在一個開關(guan)周(zhou)期內，當Q1導能(neng)時(shi)，T1初級繞組電(dian)(dian)(dian)感(gan)LP經D5充電(dian)(dian)(dian)儲(chu)能(neng)；當Q1關(guan)斷時(shi)，D6導通，在LP中(zhong)的儲(chu)能(neng)向(xiang)C1放電(dian)(dian)(dian)，工作情況與一般升壓電(dian)(dian)(dian)感(gan)型單級PFC變換器(qi)相(xiang)同。在此狀態下，平均輸入電(dian)(dian)(dian)流可表示為：

　　式中：D為開(kai)關5空比(bi)，Ts為開(kai)關周期。

　　從式(shi)（1）和（2）可(ke)知(zhi)，在兩種工作狀態(tai)下，平(ping)均輸(shu)入電(dian)流均與輸(shu)入電(dian)壓成正比(bi)，從而實現(xian)功率(lv)因數校正。C1上的電(dian)壓被箱(xiang)位在（Vin(peak)+n.Vo）電(dian)平(ping)上，通常(chang)不超過400Vo此(ci)電(dian)路拓樸的功率(lv)因數一(yi)般可(ke)達0.95以上，效率(lv)超過80%。

圖(tu)6　基于Flyboost模塊的單(dan)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(shu)字控制(zhi)器iw2202的(de)單(dan)級(ji)(ji)PFC變(bian)換器電路。Iw2202與本(ben)刊2005年(nian)第11期《一種全數(shu)字高效(xiao)率開關電源》一文(wen)中介(jie)紹的(de)iw2201一樣(yang)，采用了脈沖串（pulseTainTM）專有(you)技(ji)術和實時波形(xing)分析(xi)及智能(neng)(neng)跳越（SmartSkip）技(ji)術。但是，iw2201不具(ju)有(you)PFC功能(neng)(neng)，而iw2202集成了單(dan)級(ji)(ji)PFC變(bian)換器控制(zhi)功能(neng)(neng)。

圖(tu)7　基(ji)于數字控(kong)制(zhi)器iw2202的單級(ji)PFC變換(huan)器

　　圖7所示的電(dian)(dian)(dian)路橋式整流(liu)后(hou)邊拓樸，為(wei)PFC升(sheng)(sheng)壓與反激式整流(liu)器(qi)相結合/能(neng)量儲存(cun)/DC-DC（BoostintegratedwithFlybackRectifier/Energy  Storage/DC-DC,簡寫為(wei)（BIFRED）拓樸，利用(yong)不連(lian)續模式（DCM）升(sheng)(sheng)壓變(bian)(bian)換器(qi)實現功率因數(shu)校正。變(bian)(bian)壓器(qi)初級繞組(zu)（WP）串聯的儲能(neng)電(dian)(dian)(dian)容(rong)C1，用(yong)作(zuo)驅(qu)動反激式變(bian)(bian)換器(qi)。電(dian)(dian)(dian)路的工作(zuo)原理如下：

　　當(dang)開關(guan)Q1導(dao)通時(shi)，來(lai)自AC線路的(de)能量被(bei)儲存在升壓電感器(qi)L1中(zhong)。與此同(tong)時(shi)，來(lai)自C1的(de)能量被(bei)儲存在反(fan)激式變壓器(qi)T1的(de)初級繞組中(zhong)。

　　當(dang)Q1關斷時，在T1初級儲存(cun)的(de)能(neng)量傳送到輸(shu)出。同時，在升(sheng)壓(ya)電感(gan)器L1中的(de)能(neng)量傳輸(shu)到電容C1，對(dui)C1進行充電。

　　在AC線路輸入的半(ban)周期內，兩個電感器(qi)（L1和(he)(he)LP）儲(chu)存(cun)的能量平均值(zhi)相等，從而使(shi)C1上(shang)的電壓(ya)保持不變(bian)。用(yong)iw2202作(zuo)為(wei)控制器(qi)，解決了儲(chu)能電容上(shang)電壓(ya)應(ying)力過高的問題。在通常情況下，C1上(shang)的電壓(ya)不會超過400V，從而C1可選用(yong)400V的標準電容器(qi)。基于iw2202的全數字SMPS，可以實現單位功率因數（即PF=1）和(he)(he)小于5%的總諧波失真（THD）

　　5、結束語

　　單級(ji)PFC變(bian)換器(qi)電路簡單，但PFC和對(dui)輸入電流諧波抑制的效果不如兩級(ji)PFC變(bian)換器(qi)。基(ji)于(yu)全(quan)(quan)數(shu)字控制器(qi)iw2202的單級(ji)全(quan)(quan)數(shu)字PFC變(bian)換器(qi)，可以實現接(jie)近于(yu)I的功率(lv)因數(shu)，輸入電流達到低失(shi)真指(zhi)標(biao)，滿足IEC1000-3-2規定限(xian)值。