1、 引言

　　為減(jian)少辦公自動化設備、計算機和家(jia)用(yong)電(dian)器等內(nei)部(bu)開關電(dian)源對電(dian)網的污(wu)染，國際(ji)電(dian)工(gong)委員(yuan)會(hui)和一些國家(jia)與地區推(tui)出(chu)(chu)了IEC1000-3-2和EN61000-3-2等標準，對電(dian)流皆(jie)波(bo)作(zuo)出(chu)(chu)了限量規定。為滿足輸入電(dian)流諧波(bo)限制要求，最有效的技術手段就(jiu)有源功率因數校正（有源PFC）。

　　目(mu)前被(bei)廣為采用的有(you)源(yuan)PFC技術是兩級方案，即有(you)源(yuan)PFC升壓變換(huan)(huan)器+DC-DC變換(huan)(huan)器，如圖1所(suo)示。

圖1　兩級(ji)PFC變換器(qi)電路級(ji)成框(kuang)圖

　　兩級PFC變換(huan)器使(shi)(shi)用(yong)(yong)兩個開關(guan)（通(tong)常為(wei)MOSFET）和兩個控制器，即一(yi)個功率因數控制器和一(yi)個PWM控制器。只有(you)在采用(yong)(yong)PFC/PWM組合控制器IC時(shi)，才能使(shi)(shi)用(yong)(yong)一(yi)個控制器，但仍需用(yong)(yong)兩個開關(guan)。兩級PFC在技術上十分成熟，早已獲得廣泛應(ying)用(yong)(yong)，但該方(fang)案存在電路拓樸復雜和成本較高等缺點。

　　單(dan)級PFC  AC-DC變換器中的PFC級和DC-DC級共(gong)用一個開(kai)關管和采用PWM方(fang)式的一套控制(zhi)電路，同時(shi)實現(xian)功率(lv)因(yin)數校正和對(dui)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(ji)PFC變(bian)換器通(tong)常(chang)由升壓型(xing)(xing)PFC級(ji)和DC-DC變(bian)換器組合而成。其中的(de)(de)DC-DC變(bian)換器又分(fen)正激式和反(fan)激式兩(liang)種類型(xing)(xing)。圖2所示為基本(ben)的(de)(de)單級(ji)隔離(li)型(xing)(xing)正激式升壓PFC電(dian)(dian)(dian)(dian)路。兩(liang)部(bu)分(fen)電(dian)(dian)(dian)(dian)路共用一個開關（Q1），通(tong)過=極(ji)管D1的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)為儲(chu)能電(dian)(dian)(dian)(dian)容C1充電(dian)(dian)(dian)(dian)，D2在Q1關斷時防止電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)倒流(liu)。通(tong)過控制Q1的(de)(de)通(tong)斷，電(dian)(dian)(dian)(dian)路同時完成對AC輸(shu)入電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)的(de)(de)整形和對輸(shu)出電(dian)(dian)(dian)(dian)壓的(de)(de)調(diao)節。

圖2　基本的單級隔(ge)離(li)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(bian)換(huan)器，通常(chang)在連續模(mo)式（CCM）下工作，占空因(yin)數不隨頁(ye)栽變(bian)化。而(er)全橋整流輸(shu)(shu)出(chu)電(dian)壓與頁(ye)載大(da)(da)小無關(guan)，當頁(ye)栽減輕時，輸(shu)(shu)出(chu)功(gong)率(lv)減小，但PFC級輸(shu)(shu)入(ru)功(gong)率(lv)同重載時一樣，使充入(ru)CI的能量等于(yu)從CI抽(chou)取的能量，別起直流總(zong)線(xian)電(dian)壓明(ming)顯上(shang)升，CI上(shang)的電(dian)壓應(ying)力(li)往往達1000V以(yi)上(shang)，對開(kai)關(guan)器件(jian)的耐(nai)壓要求非常(chang)高。由于(yu)開(kai)關(guan)器件(jian)的電(dian)壓高，電(dian)流應(ying)力(li)大(da)(da)，開(kai)關(guan)損耗大(da)(da)，并且功(gong)率(lv)從輸(shu)(shu)入(ru)到輸(shu)(shu)出(chu)要經兩次變(bian)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。
一種(zhong)用變壓器(qi)(qi)雙線組(zu)實現頁(ye)反饋的單級PFC變換器(qi)(qi)電路如圖3所示。N1和N2繞(rao)組(zu)為(wei)變壓器(qi)(qi)T1的耦(ou)合繞(rao)組(zu)。

圖3　用雙繞組實現頁(ye)反饋的單級PFC變換器(qi)

　　當開關Q1導通時(shi)(shi)，電(dian)(dian)(dian)壓(ya)VC1施加(jia)(jia)到T1初級繞組。當經整的(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)大于N1上(shang)(shang)的(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)時(shi)(shi)，升壓(ya)電(dian)(dian)(dian)感器L1上(shang)(shang)才會有電(dian)(dian)(dian)流(liu)通過。當Q1截止時(shi)(shi)，加(jia)(jia)在(zai)(zai)L1上(shang)(shang)的(de)(de)(de)(de)反向(xiang)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)為VC1與N2上(shang)(shang)的(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)VN2之(zhi)和減去輸入電(dian)(dian)(dian)壓(ya)。N1和N2兩個耦合線圈(quan)的(de)(de)(de)(de)加(jia)(jia)入，提(ti)供了頁(ye)反饋電(dian)(dian)(dian)壓(ya)，減輕了C1上(shang)(shang)的(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)應力，提(ti)高了效率(lv)。但是，加(jia)(jia)入N1和N2后，會降低功率(lv)因數，增加(jia)(jia)電(dian)(dian)(dian)流(liu)諧波(bo)含量(liang)。如果(guo)在(zai)(zai)D2與N1之(zhi)間(jian)加(jia)(jia)入一個電(dian)(dian)(dian)感，使輸入電(dian)(dian)(dian)流(liu)工作在(zai)(zai)CCM，C1上(shang)(shang)的(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)還可以降低。在(zai)(zai)圖3中。要(yao)求N1+N2＜NP。

　　圖4示出了帶低(di)頻輔(fu)助開關(guan)(guan)的(de)CCM單級PFC變換(huan)器電(dian)路。Q1為主開關(guan)(guan)，Q2為輔(fu)助開關(guan)(guan)。在輸(shu)入(ru)電(dian)流過零附近，Q2導通，使(shi)附加(jia)繞組(zu)N1短路當(dang)輸(shu)入(ru)電(dian)壓大(da)于(yu)某一值時，Q2關(guan)(guan)斷。由(you)于(yu)Q2在輸(shu)入(ru)電(dian)壓很(hen)(hen)小(xiao)時才會導通，其余(yu)的(de)時間阻斷，流過Q2的(de)電(dian)流很(hen)(hen)小(xiao)，Q2的(de)功率(lv)損(sun)耗(hao)也(ye)就很(hen)(hen)小(xiao)。這種電(dian)路拓樸與圖3電(dian)路比較，減小(xiao)了輸(shu)入(ru)電(dian)流的(de)諧波含量，提高了功率(lv)因數和(he)效率(lv)，降低(di)了電(dian)容（C1）上的(de)電(dian)壓。

圖4　帶低頻(pin)輔助開關(guan)的CCM單(dan)級PFC變換(huan)器(qi)

　　圖5所示為帶(dai)有(you)源(yuan)箱(xiang)信(xin)和軟(ruan)開(kai)(kai)(kai)(kai)關(guan)(guan)的(de)單級隔離式PFC變(bian)(bian)換器(qi)(qi)電(dian)路(lu)。圖中，Q1為主開(kai)(kai)(kai)(kai)關(guan)(guan)，Q2為輔助開(kai)(kai)(kai)(kai)關(guan)(guan)，C1為儲能電(dian)容，C2為箱(xiang)位(wei)電(dian)容，C2為Q1、Q2和電(dian)路(lu)中寄生電(dian)容之和。電(dian)路(lu)的(de)升壓級工作(zuo)在DCM，從而保(bao)證(zheng)有(you)較高的(de)功(gong)率(lv)因數。反激式變(bian)(bian)換器(qi)(qi)級設計工作(zuo)在CCM，，從而避免了(le)產生較高的(de)電(dian)流應(ying)力。電(dian)路(lu)采(cai)用有(you)源(yuan)箱(xiang)位(wei)和軟(ruan)開(kai)(kai)(kai)(kai)關(guan)(guan)技術來限制(zhi)(zhi)開(kai)(kai)(kai)(kai)關(guan)(guan)MOSFET的(de)電(dian)壓應(ying)力。存儲在變(bian)(bian)壓器(qi)(qi)漏感中的(de)再生能量，為主開(kai)(kai)(kai)(kai)關(guan)(guan)Q1和輔助開(kai)(kai)(kai)(kai)關(guan)(guan)Q2提供了(le)軟(ruan)開(kai)(kai)(kai)(kai)關(guan)(guan)條件，從而減(jian)少了(le)開(kai)(kai)(kai)(kai)關(guan)(guan)損耗，提高了(le)變(bian)(bian)換器(qi)(qi)效率(lv)。Q1和Q2采(cai)用同一控制(zhi)(zhi)電(dian)路(lu)和驅動電(dian)路(lu)，從而使拓樸結構簡(jian)化。

圖5　帶有源(yuan)箱位和軟開關的單級隔離式PFC變換(huan)器

　　3、基于Flyboost模塊的單級PFC  AC-DC變換器

　　基于Flyboost模塊(kuai)的(de)單級(ji)PFC AC-DC變(bian)(bian)換(huan)(huan)器(qi)電(dian)(dian)(dian)路(lu)如圖(tu)6所示。該(gai)變(bian)(bian)換(huan)(huan)器(qi)建立在(zai)反(fan)激式(shi)升壓(ya)拓(tuo)樸(pu)基礎(chu)上(shang)(shang)，工(gong)(gong)作狀(zhuang)態分反(fan)激式(shi)變(bian)(bian)壓(ya)器(qi)狀(zhuang)態和(he)升壓(ya)狀(zhuang)態兩個(ge)工(gong)(gong)作狀(zhuang)態。若Vin(t)為(wei)Ac輸入(ru)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)的(de)瞬時值，Vc1為(wei)儲能(neng)電(dian)(dian)(dian)容C1上(shang)(shang)的(de)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)，n為(wei)變(bian)(bian)壓(ya)器(qi)T1的(de)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)比，在(zai)反(fan)激式(shi)變(bian)(bian)壓(ya)器(qi)狀(zhuang)態的(de)一(yi)個(ge)開(kai)關(guan)周(zhou)期內，當開(kai)關(guan)Q1導通時，T1被(bei)充電(dian)(dian)(dian)，儲存(cun)能(neng)量(liang)；當Q1截止時，由于（Vin(t)）＜（Vc1-nVo），D6不(bu)能(neng)導通，儲存(cun)在(zai)T1中的(de)能(neng)量(liang)全部傳(chuan)送到輸出端。在(zai)這種工(gong)(gong)作狀(zhuang)態，全橋整流輸出端的(de)變(bian)(bian)換(huan)(huan)器(qi)輸入(ru)電(dian)(dian)(dian)流Iin波形為(wei)直(zhi)角三角形，平均輸入(ru)電(dian)(dian)(dian)流Iin(avg)為(wei)：

　　在升壓電感狀態，當＞（Vc1-Vo）時，T1相當于一(yi)個(ge)升(sheng)壓電(dian)感。在(zai)一(yi)個(ge)開關周期(qi)內，當Q1導(dao)能時，T1初級(ji)繞組電(dian)感LP經D5充(chong)電(dian)儲能；當Q1關斷時，D6導(dao)通，在(zai)LP中的儲能向(xiang)C1放電(dian)，工作情況與一(yi)般升(sheng)壓電(dian)感型(xing)單級(ji)PFC變換器相同(tong)。在(zai)此狀態下，平均輸入電(dian)流可(ke)表示為：

　　式中：D為開關5空(kong)比(bi)，Ts為開關周(zhou)期。

　　從(cong)式(shi)（1）和（2）可知，在(zai)兩種工作狀態下，平均(jun)輸(shu)入電流均(jun)與輸(shu)入電壓成(cheng)正比，從(cong)而實現功率(lv)因數(shu)校(xiao)正。C1上的電壓被(bei)箱位在(zai)（Vin(peak)+n.Vo）電平上，通(tong)常(chang)不(bu)超過400Vo此(ci)電路拓樸的功率(lv)因數(shu)一般可達0.95以上，效率(lv)超過80%。

圖6　基(ji)于(yu)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(shu)字控制(zhi)器iw2202的單(dan)級PFC變換器電路(lu)。Iw2202與本刊2005年第11期(qi)《一種全數(shu)字高效率開關(guan)電源(yuan)》一文(wen)中介紹的iw2201一樣，采用(yong)了脈沖(chong)串（pulseTainTM）專有技術(shu)和實時波形分析及智能跳越(yue)（SmartSkip）技術(shu)。但是，iw2201不(bu)具有PFC功能，而iw2202集成了單(dan)級PFC變換器控制(zhi)功能。

圖7　基于(yu)數字控制器(qi)(qi)iw2202的單(dan)級PFC變換器(qi)(qi)

　　圖7所示的電路(lu)橋(qiao)式(shi)整流后邊(bian)拓(tuo)樸，為(wei)PFC升壓(ya)與(yu)反激(ji)式(shi)整流器(qi)相結(jie)合/能(neng)量(liang)儲(chu)存(cun)/DC-DC（BoostintegratedwithFlybackRectifier/Energy  Storage/DC-DC,簡(jian)寫為(wei)（BIFRED）拓(tuo)樸，利用不連續(xu)模式(shi)（DCM）升壓(ya)變(bian)換器(qi)實現功(gong)率因(yin)數校正。變(bian)壓(ya)器(qi)初級繞組（WP）串聯的儲(chu)能(neng)電容C1，用作驅動(dong)反激(ji)式(shi)變(bian)換器(qi)。電路(lu)的工作原理(li)如下：

　　當開(kai)關Q1導(dao)通(tong)時，來(lai)自(zi)AC線路的(de)能量被(bei)儲存在(zai)升壓電感器(qi)(qi)L1中。與此同時，來(lai)自(zi)C1的(de)能量被(bei)儲存在(zai)反激式變壓器(qi)(qi)T1的(de)初級繞組中。

　　當Q1關(guan)斷時，在(zai)(zai)T1初級(ji)儲存的(de)能量傳(chuan)送到(dao)輸出。同時，在(zai)(zai)升壓(ya)電感器L1中的(de)能量傳(chuan)輸到(dao)電容C1，對C1進行(xing)充電。

　　在(zai)AC線路輸入的半(ban)周期內，兩個電(dian)感(gan)器(qi)（L1和LP）儲存(cun)的能量平均值(zhi)相等，從而使C1上的電(dian)壓(ya)(ya)保持不變。用iw2202作為控制器(qi)，解決了儲能電(dian)容上電(dian)壓(ya)(ya)應力過高的問題(ti)。在(zai)通常情(qing)況下，C1上的電(dian)壓(ya)(ya)不會超過400V，從而C1可選用400V的標準電(dian)容器(qi)。基(ji)于(yu)iw2202的全數(shu)字SMPS，可以實現單位功率(lv)因數(shu)（即PF=1）和小于(yu)5%的總諧(xie)波失(shi)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(shu)入電(dian)流諧波抑制的(de)效果不如兩(liang)級(ji)PFC變換(huan)器(qi)。基于(yu)全數(shu)字控制器(qi)iw2202的(de)單(dan)(dan)級(ji)全數(shu)字PFC變換(huan)器(qi)，可(ke)以實現接近于(yu)I的(de)功率因數(shu)，輸(shu)入電(dian)流達到低失真指標，滿足(zu)IEC1000-3-2規定限值。