1、 引言

　　為減少辦公自動化設備(bei)、計(ji)算(suan)機和(he)家(jia)用電器等內部(bu)開關電源對(dui)電網的污(wu)染，國(guo)際電工委員會和(he)一些國(guo)家(jia)與(yu)地區推出了(le)IEC1000-3-2和(he)EN61000-3-2等標準，對(dui)電流(liu)皆波作(zuo)出了(le)限量規定(ding)。為滿足輸入電流(liu)諧波限制要求(qiu)，最有(you)(you)效的技術手段(duan)就有(you)(you)源功(gong)率(lv)因數(shu)校正（有(you)(you)源PFC）。

　　目前(qian)被廣為采用的有源(yuan)PFC技術是兩級方案，即(ji)有源(yuan)PFC升壓變(bian)換器(qi)+DC-DC變(bian)換器(qi)，如圖1所(suo)示(shi)。

圖1　兩級PFC變(bian)換器電路級成(cheng)框圖

　　兩級(ji)PFC變(bian)換器使(shi)用兩個(ge)開(kai)關(guan)（通常為(wei)MOSFET）和(he)(he)兩個(ge)控制(zhi)(zhi)器，即一(yi)個(ge)功(gong)率(lv)因數控制(zhi)(zhi)器和(he)(he)一(yi)個(ge)PWM控制(zhi)(zhi)器。只(zhi)有在采用PFC/PWM組合控制(zhi)(zhi)器IC時(shi)，才(cai)能使(shi)用一(yi)個(ge)控制(zhi)(zhi)器，但仍(reng)需用兩個(ge)開(kai)關(guan)。兩級(ji)PFC在技術上十分(fen)成熟，早已獲得廣泛應用，但該方案存在電路拓(tuo)樸(pu)復(fu)雜和(he)(he)成本較高等缺點。

　　單級(ji)PFC  AC-DC變(bian)換器中的PFC級(ji)和(he)DC-DC級(ji)共用一個開關管(guan)和(he)采用PWM方式的一套控制(zhi)電路(lu)，同時實現(xian)功率因數校(xiao)正(zheng)和(he)對輸出電壓的調節。

　　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)通(tong)常由(you)升壓型(xing)PFC級(ji)和(he)DC-DC變(bian)換(huan)器(qi)組(zu)合(he)而成。其中的(de)(de)(de)(de)DC-DC變(bian)換(huan)器(qi)又分正(zheng)激式和(he)反(fan)激式兩(liang)種(zhong)類型(xing)。圖(tu)2所示為基本的(de)(de)(de)(de)單(dan)級(ji)隔離型(xing)正(zheng)激式升壓PFC電(dian)(dian)路。兩(liang)部分電(dian)(dian)路共用(yong)一(yi)個開關（Q1），通(tong)過=極管(guan)D1的(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)流(liu)為儲能電(dian)(dian)容C1充電(dian)(dian)，D2在Q1關斷(duan)時(shi)防止(zhi)電(dian)(dian)流(liu)倒流(liu)。通(tong)過控制Q1的(de)(de)(de)(de)通(tong)斷(duan)，電(dian)(dian)路同時(shi)完成對AC輸(shu)入電(dian)(dian)流(liu)的(de)(de)(de)(de)整(zheng)形和(he)對輸(shu)出(chu)電(dian)(dian)壓的(de)(de)(de)(de)調節。

圖2　基本的單級隔(ge)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)，通常(chang)在連續模式（CCM）下工(gong)作，占空因數不隨頁(ye)栽(zai)(zai)變化。而全橋整流輸出(chu)電(dian)壓與頁(ye)載(zai)大(da)(da)(da)小(xiao)無關，當(dang)頁(ye)栽(zai)(zai)減(jian)輕時，輸出(chu)功率(lv)減(jian)小(xiao)，但PFC級輸入(ru)(ru)功率(lv)同(tong)重載(zai)時一樣，使充(chong)入(ru)(ru)CI的(de)(de)能量(liang)等于從CI抽取的(de)(de)能量(liang)，別起直流總(zong)線電(dian)壓明(ming)顯(xian)上升(sheng)，CI上的(de)(de)電(dian)壓應力往往達(da)1000V以上，對開(kai)關器(qi)件的(de)(de)耐壓要求非常(chang)高。由于開(kai)關器(qi)件的(de)(de)電(dian)壓高，電(dian)流應力大(da)(da)(da)，開(kai)關損耗大(da)(da)(da)，并且功率(lv)從輸入(ru)(ru)到輸出(chu)要經兩次變換(huan)，故效(xiao)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。
一種用(yong)變壓器(qi)雙線組實現頁反饋的(de)單級PFC變換器(qi)電(dian)路如圖(tu)3所(suo)示(shi)。N1和N2繞組為變壓器(qi)T1的(de)耦合(he)繞組。

圖(tu)3　用雙繞(rao)組實現(xian)頁反(fan)饋的單級PFC變換器

　　當開關Q1導通時，電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓VC1施加到T1初級(ji)繞組。當經整的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓大于N1上(shang)的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓時，升壓電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)感(gan)器L1上(shang)才(cai)會有電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)通過(guo)。當Q1截止(zhi)時，加在L1上(shang)的(de)(de)(de)反向電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓為VC1與N2上(shang)的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓VN2之和(he)減去輸入(ru)(ru)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓。N1和(he)N2兩個耦合(he)線圈(quan)的(de)(de)(de)加入(ru)(ru)，提供了頁反饋電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓，減輕(qing)了C1上(shang)的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓應力，提高了效(xiao)率。但是，加入(ru)(ru)N1和(he)N2后，會降低(di)功率因數，增加電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)諧波含量。如果(guo)在D2與N1之間加入(ru)(ru)一個電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)感(gan)，使輸入(ru)(ru)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)工作在CCM，C1上(shang)的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓還可以降低(di)。在圖(tu)3中。要求N1+N2＜NP。

　　圖(tu)(tu)4示出了帶低頻輔(fu)助開關(guan)(guan)的(de)CCM單級PFC變換器電(dian)(dian)路(lu)。Q1為主開關(guan)(guan)，Q2為輔(fu)助開關(guan)(guan)。在輸入(ru)(ru)電(dian)(dian)流(liu)過(guo)零附(fu)近(jin)，Q2導通，使附(fu)加(jia)繞組N1短路(lu)當輸入(ru)(ru)電(dian)(dian)壓大于某一(yi)值(zhi)時，Q2關(guan)(guan)斷(duan)。由于Q2在輸入(ru)(ru)電(dian)(dian)壓很(hen)小(xiao)時才會導通，其(qi)余的(de)時間阻斷(duan)，流(liu)過(guo)Q2的(de)電(dian)(dian)流(liu)很(hen)小(xiao)，Q2的(de)功率損(sun)耗(hao)也就(jiu)很(hen)小(xiao)。這種電(dian)(dian)路(lu)拓樸(pu)與圖(tu)(tu)3電(dian)(dian)路(lu)比較，減(jian)小(xiao)了輸入(ru)(ru)電(dian)(dian)流(liu)的(de)諧波含(han)量，提(ti)高了功率因數和(he)效(xiao)率，降低了電(dian)(dian)容（C1）上的(de)電(dian)(dian)壓。

圖4　帶低頻輔助開(kai)關的CCM單級PFC變換器(qi)

　　圖5所示為(wei)(wei)帶有源箱信和(he)(he)(he)(he)(he)軟(ruan)開(kai)(kai)關(guan)的單級(ji)隔離式(shi)PFC變(bian)換(huan)器電(dian)(dian)路(lu)。圖中(zhong)(zhong)，Q1為(wei)(wei)主(zhu)開(kai)(kai)關(guan)，Q2為(wei)(wei)輔助開(kai)(kai)關(guan)，C1為(wei)(wei)儲(chu)能(neng)電(dian)(dian)容(rong)，C2為(wei)(wei)箱位電(dian)(dian)容(rong)，C2為(wei)(wei)Q1、Q2和(he)(he)(he)(he)(he)電(dian)(dian)路(lu)中(zhong)(zhong)寄生(sheng)電(dian)(dian)容(rong)之和(he)(he)(he)(he)(he)。電(dian)(dian)路(lu)的升壓(ya)級(ji)工作在(zai)(zai)DCM，從(cong)而(er)(er)保證有較高的功率因數。反激式(shi)變(bian)換(huan)器級(ji)設計(ji)工作在(zai)(zai)CCM，，從(cong)而(er)(er)避免了(le)產生(sheng)較高的電(dian)(dian)流應(ying)力(li)。電(dian)(dian)路(lu)采(cai)用有源箱位和(he)(he)(he)(he)(he)軟(ruan)開(kai)(kai)關(guan)技術來限制開(kai)(kai)關(guan)MOSFET的電(dian)(dian)壓(ya)應(ying)力(li)。存儲(chu)在(zai)(zai)變(bian)壓(ya)器漏感中(zhong)(zhong)的再生(sheng)能(neng)量，為(wei)(wei)主(zhu)開(kai)(kai)關(guan)Q1和(he)(he)(he)(he)(he)輔助開(kai)(kai)關(guan)Q2提供了(le)軟(ruan)開(kai)(kai)關(guan)條件(jian)，從(cong)而(er)(er)減少了(le)開(kai)(kai)關(guan)損耗，提高了(le)變(bian)換(huan)器效率。Q1和(he)(he)(he)(he)(he)Q2采(cai)用同(tong)一控制電(dian)(dian)路(lu)和(he)(he)(he)(he)(he)驅動電(dian)(dian)路(lu)，從(cong)而(er)(er)使拓樸結構簡化。

圖5　帶有源箱位和軟開關的單級隔離式(shi)PFC變換器

　　3、基于Flyboost模塊的單級PFC  AC-DC變換器

　　基于(yu)Flyboost模塊的(de)單級PFC AC-DC變(bian)換器(qi)(qi)電路如圖6所(suo)示。該變(bian)換器(qi)(qi)建立在反激式升壓(ya)(ya)拓樸基礎上(shang)，工作(zuo)狀(zhuang)(zhuang)態(tai)分(fen)反激式變(bian)壓(ya)(ya)器(qi)(qi)狀(zhuang)(zhuang)態(tai)和升壓(ya)(ya)狀(zhuang)(zhuang)態(tai)兩個工作(zuo)狀(zhuang)(zhuang)態(tai)。若Vin(t)為Ac輸(shu)入(ru)電壓(ya)(ya)的(de)瞬(shun)時值，Vc1為儲能(neng)電容C1上(shang)的(de)電壓(ya)(ya)，n為變(bian)壓(ya)(ya)器(qi)(qi)T1的(de)電壓(ya)(ya)比(bi)，在反激式變(bian)壓(ya)(ya)器(qi)(qi)狀(zhuang)(zhuang)態(tai)的(de)一個開關周期內，當開關Q1導通時，T1被(bei)充電，儲存(cun)(cun)能(neng)量(liang)；當Q1截止(zhi)時，由于(yu)（Vin(t)）＜（Vc1-nVo），D6不能(neng)導通，儲存(cun)(cun)在T1中的(de)能(neng)量(liang)全(quan)(quan)部(bu)傳送(song)到輸(shu)出(chu)端(duan)。在這種(zhong)工作(zuo)狀(zhuang)(zhuang)態(tai)，全(quan)(quan)橋整流輸(shu)出(chu)端(duan)的(de)變(bian)換器(qi)(qi)輸(shu)入(ru)電流Iin波形為直角三角形，平均輸(shu)入(ru)電流Iin(avg)為：

　　在升壓電感狀態，當＞（Vc1-Vo）時(shi)，T1相(xiang)當于一個升(sheng)壓(ya)電感。在一個開關(guan)(guan)周期(qi)內，當Q1導(dao)能時(shi)，T1初級繞組電感LP經D5充電儲(chu)能；當Q1關(guan)(guan)斷時(shi)，D6導(dao)通，在LP中的儲(chu)能向C1放電，工(gong)作情(qing)況與一般升(sheng)壓(ya)電感型單級PFC變(bian)換器相(xiang)同。在此(ci)狀態下，平(ping)均輸入電流可表示為：

　　式中：D為(wei)開關(guan)(guan)5空比，Ts為(wei)開關(guan)(guan)周期。

　　從(cong)式（1）和（2）可知，在兩種工作狀(zhuang)態下，平均輸(shu)入電(dian)流均與(yu)輸(shu)入電(dian)壓成正比(bi)，從(cong)而實現功(gong)率因數(shu)(shu)校正。C1上(shang)的(de)電(dian)壓被(bei)箱位在（Vin(peak)+n.Vo）電(dian)平上(shang)，通常不超(chao)過(guo)400Vo此電(dian)路拓樸的(de)功(gong)率因數(shu)(shu)一般可達0.95以上(shang)，效(xiao)率超(chao)過(guo)80%。

圖(tu)6　基于Flyboost模塊的單級PFC  AC-DC變換器

4、基于：W2202的數字單級PFC電路

　　圖(tu)7所示為基于數字控制(zhi)器iw2202的(de)單級PFC變(bian)換器電路。Iw2202與(yu)本(ben)刊2005年第11期(qi)《一(yi)種全數字高效率開關電源(yuan)》一(yi)文中介紹的(de)iw2201一(yi)樣，采(cai)用了(le)脈沖串(chuan)（pulseTainTM）專(zhuan)有技術和實時波(bo)形分析及(ji)智能(neng)跳越（SmartSkip）技術。但(dan)是，iw2201不具有PFC功能(neng)，而(er)iw2202集成了(le)單級PFC變(bian)換器控制(zhi)功能(neng)。

圖(tu)7　基于數字控制器(qi)iw2202的單級PFC變換(huan)器(qi)

　　圖7所示的(de)電路橋式整流后邊(bian)拓樸(pu)，為PFC升壓(ya)與反(fan)激式整流器(qi)相結合(he)/能量儲存/DC-DC（BoostintegratedwithFlybackRectifier/Energy  Storage/DC-DC,簡(jian)寫為（BIFRED）拓樸(pu)，利用(yong)不連續模式（DCM）升壓(ya)變(bian)換器(qi)實(shi)現(xian)功率(lv)因數校正。變(bian)壓(ya)器(qi)初級繞組(zu)（WP）串(chuan)聯(lian)的(de)儲能電容C1，用(yong)作驅(qu)動反(fan)激式變(bian)換器(qi)。電路的(de)工作原理如下：

　　當(dang)開(kai)關Q1導通時，來自AC線路的能量被(bei)儲存在(zai)升(sheng)壓電感器(qi)L1中。與(yu)此同(tong)時，來自C1的能量被(bei)儲存在(zai)反激式(shi)變壓器(qi)T1的初級繞(rao)組中。

　　當Q1關斷時，在T1初(chu)級儲存的能(neng)量(liang)傳送到輸出。同(tong)時，在升(sheng)壓電感器(qi)L1中的能(neng)量(liang)傳輸到電容C1，對C1進行充電。

　　在AC線路輸入的(de)(de)半周期內，兩個電(dian)感器(qi)（L1和LP）儲存(cun)的(de)(de)能(neng)量平均值相等，從(cong)而使(shi)C1上(shang)的(de)(de)電(dian)壓保(bao)持不(bu)變。用iw2202作為控制器(qi)，解(jie)決了儲能(neng)電(dian)容(rong)上(shang)電(dian)壓應(ying)力過高的(de)(de)問(wen)題。在通(tong)常(chang)情況下，C1上(shang)的(de)(de)電(dian)壓不(bu)會超過400V，從(cong)而C1可(ke)選用400V的(de)(de)標準電(dian)容(rong)器(qi)。基于iw2202的(de)(de)全數字SMPS，可(ke)以實現單位功率因數（即PF=1）和小于5%的(de)(de)總(zong)諧波(bo)失真（THD）

　　5、結束語

　　單(dan)級PFC變(bian)(bian)換(huan)器(qi)電(dian)路(lu)簡(jian)單(dan)，但PFC和對輸(shu)(shu)入電(dian)流諧波(bo)抑制(zhi)(zhi)的效(xiao)果不如(ru)兩(liang)級PFC變(bian)(bian)換(huan)器(qi)。基于全數(shu)字控制(zhi)(zhi)器(qi)iw2202的單(dan)級全數(shu)字PFC變(bian)(bian)換(huan)器(qi)，可以實(shi)現接近于I的功率因數(shu)，輸(shu)(shu)入電(dian)流達到(dao)低失真(zhen)指標(biao)，滿足IEC1000-3-2規定限值(zhi)。