1、 引言

　　為減少辦(ban)公(gong)自動(dong)化設備、計算機和家(jia)用電器等內部(bu)開(kai)關電源對電網的污染，國際電工委員(yuan)會和一(yi)些國家(jia)與地區推(tui)出了IEC1000-3-2和EN61000-3-2等標準，對電流(liu)皆(jie)波作出了限(xian)量規定。為滿(man)足(zu)輸入(ru)電流(liu)諧波限(xian)制要求，最有(you)效的技術(shu)手段就有(you)源功率因數(shu)校(xiao)正（有(you)源PFC）。

　　目(mu)前被廣為采用的(de)有源PFC技(ji)術是兩級(ji)方(fang)案，即有源PFC升壓變換器+DC-DC變換器，如圖1所示(shi)。

圖1　兩級PFC變換器電路(lu)級成(cheng)框圖

　　兩(liang)級(ji)PFC變換器使用(yong)兩(liang)個開關（通常(chang)為MOSFET）和兩(liang)個控制(zhi)(zhi)器，即一(yi)(yi)個功率(lv)因數控制(zhi)(zhi)器和一(yi)(yi)個PWM控制(zhi)(zhi)器。只有在采用(yong)PFC/PWM組合控制(zhi)(zhi)器IC時，才(cai)能使用(yong)一(yi)(yi)個控制(zhi)(zhi)器，但仍需(xu)用(yong)兩(liang)個開關。兩(liang)級(ji)PFC在技(ji)術(shu)上十分成(cheng)熟，早已(yi)獲得廣(guang)泛應用(yong)，但該(gai)方案存(cun)在電(dian)路拓(tuo)樸復雜(za)和成(cheng)本較(jiao)高等缺點。

　　單(dan)級(ji)PFC  AC-DC變換器中的PFC級(ji)和DC-DC級(ji)共用(yong)一個開關管和采(cai)用(yong)PWM方式的一套(tao)控(kong)制電路，同時實現功率因數校正(zheng)和對輸出(chu)電壓的調(diao)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變換(huan)器通常(chang)由升壓(ya)型PFC級(ji)和(he)DC-DC變換(huan)器組合(he)而成(cheng)(cheng)。其中的DC-DC變換(huan)器又分(fen)(fen)正激(ji)式和(he)反激(ji)式兩種類型。圖(tu)2所示(shi)為基(ji)本的單級(ji)隔離型正激(ji)式升壓(ya)PFC電(dian)(dian)(dian)路。兩部分(fen)(fen)電(dian)(dian)(dian)路共(gong)用一個開關(guan)（Q1），通過=極管D1的電(dian)(dian)(dian)流(liu)為儲能電(dian)(dian)(dian)容C1充電(dian)(dian)(dian)，D2在Q1關(guan)斷時防止電(dian)(dian)(dian)流(liu)倒流(liu)。通過控制(zhi)Q1的通斷，電(dian)(dian)(dian)路同時完(wan)成(cheng)(cheng)對(dui)AC輸(shu)入電(dian)(dian)(dian)流(liu)的整形和(he)對(dui)輸(shu)出電(dian)(dian)(dian)壓(ya)的調節(jie)。

圖2　基本(ben)的單(dan)級(ji)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變換器(qi)，通常(chang)在連(lian)續(xu)模式（CCM）下工(gong)作，占空(kong)因數不隨頁栽變化。而全橋整流(liu)輸(shu)(shu)出(chu)(chu)電(dian)壓(ya)與(yu)頁載(zai)大(da)小無(wu)關(guan)，當頁栽減輕時，輸(shu)(shu)出(chu)(chu)功率(lv)減小，但PFC級輸(shu)(shu)入功率(lv)同重載(zai)時一(yi)樣，使(shi)充入CI的(de)(de)能(neng)量(liang)等于從CI抽取的(de)(de)能(neng)量(liang)，別起直流(liu)總線(xian)電(dian)壓(ya)明顯上升(sheng)，CI上的(de)(de)電(dian)壓(ya)應(ying)力(li)往往達(da)1000V以上，對開(kai)關(guan)器(qi)件的(de)(de)耐壓(ya)要求非常(chang)高(gao)。由于開(kai)關(guan)器(qi)件的(de)(de)電(dian)壓(ya)高(gao)，電(dian)流(liu)應(ying)力(li)大(da)，開(kai)關(guan)損(sun)耗大(da)，并且功率(lv)從輸(shu)(shu)入到(dao)輸(shu)(shu)出(chu)(chu)要經兩次變換，故(gu)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。
一種用變壓(ya)器雙線(xian)組(zu)實現頁反饋的(de)(de)單級PFC變換器電路如(ru)圖3所示(shi)。N1和N2繞(rao)組(zu)為變壓(ya)器T1的(de)(de)耦(ou)合繞(rao)組(zu)。

圖3　用(yong)雙繞組實現(xian)頁反饋的(de)單(dan)級PFC變換器(qi)

　　當(dang)開關Q1導通(tong)時(shi)(shi)，電(dian)壓(ya)(ya)VC1施加(jia)(jia)到T1初(chu)級繞組。當(dang)經(jing)整的(de)電(dian)壓(ya)(ya)大于N1上的(de)電(dian)壓(ya)(ya)時(shi)(shi)，升(sheng)壓(ya)(ya)電(dian)感(gan)器L1上才會(hui)有電(dian)流通(tong)過。當(dang)Q1截止(zhi)時(shi)(shi)，加(jia)(jia)在(zai)L1上的(de)反向電(dian)壓(ya)(ya)為(wei)VC1與(yu)N2上的(de)電(dian)壓(ya)(ya)VN2之和減(jian)去輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)(ya)。N1和N2兩個耦合線圈的(de)加(jia)(jia)入(ru)，提(ti)供了頁反饋電(dian)壓(ya)(ya)，減(jian)輕了C1上的(de)電(dian)壓(ya)(ya)應(ying)力，提(ti)高了效(xiao)率。但(dan)是，加(jia)(jia)入(ru)N1和N2后，會(hui)降低功率因數，增加(jia)(jia)電(dian)流諧波含(han)量。如果在(zai)D2與(yu)N1之間加(jia)(jia)入(ru)一個電(dian)感(gan)，使輸(shu)入(ru)電(dian)流工作在(zai)CCM，C1上的(de)電(dian)壓(ya)(ya)還可以降低。在(zai)圖3中(zhong)。要求(qiu)N1+N2＜NP。

　　圖4示(shi)出了(le)帶低頻輔助開關(guan)(guan)的(de)CCM單級(ji)PFC變換器電(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)。Q1為主開關(guan)(guan)，Q2為輔助開關(guan)(guan)。在輸(shu)入電(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)過(guo)零(ling)附(fu)近，Q2導通，使附(fu)加繞(rao)組N1短(duan)路(lu)(lu)當輸(shu)入電(dian)(dian)(dian)壓大于(yu)某一值時(shi)，Q2關(guan)(guan)斷(duan)。由于(yu)Q2在輸(shu)入電(dian)(dian)(dian)壓很小(xiao)時(shi)才會導通，其余的(de)時(shi)間阻斷(duan)，流(liu)(liu)過(guo)Q2的(de)電(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)很小(xiao)，Q2的(de)功率(lv)(lv)損耗也就很小(xiao)。這種電(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)拓樸與圖3電(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)比較，減(jian)小(xiao)了(le)輸(shu)入電(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)的(de)諧波(bo)含量，提(ti)高了(le)功率(lv)(lv)因(yin)數(shu)和效率(lv)(lv)，降低了(le)電(dian)(dian)(dian)容（C1）上的(de)電(dian)(dian)(dian)壓。

圖4　帶低頻輔助開(kai)關的(de)CCM單級PFC變換(huan)器

　　圖5所示為(wei)帶有源(yuan)箱信和(he)(he)(he)軟(ruan)開(kai)(kai)(kai)關(guan)(guan)的(de)(de)單級(ji)(ji)隔離式(shi)PFC變(bian)換器電(dian)(dian)路(lu)。圖中(zhong)，Q1為(wei)主開(kai)(kai)(kai)關(guan)(guan)，Q2為(wei)輔助開(kai)(kai)(kai)關(guan)(guan)，C1為(wei)儲(chu)能電(dian)(dian)容(rong)，C2為(wei)箱位電(dian)(dian)容(rong)，C2為(wei)Q1、Q2和(he)(he)(he)電(dian)(dian)路(lu)中(zhong)寄生(sheng)電(dian)(dian)容(rong)之和(he)(he)(he)。電(dian)(dian)路(lu)的(de)(de)升壓(ya)級(ji)(ji)工作(zuo)在(zai)DCM，從(cong)而(er)保證有較高(gao)的(de)(de)功率因(yin)數。反激式(shi)變(bian)換器級(ji)(ji)設(she)計工作(zuo)在(zai)CCM，，從(cong)而(er)避免(mian)了產生(sheng)較高(gao)的(de)(de)電(dian)(dian)流應力。電(dian)(dian)路(lu)采用有源(yuan)箱位和(he)(he)(he)軟(ruan)開(kai)(kai)(kai)關(guan)(guan)技術來(lai)限制開(kai)(kai)(kai)關(guan)(guan)MOSFET的(de)(de)電(dian)(dian)壓(ya)應力。存(cun)儲(chu)在(zai)變(bian)壓(ya)器漏感中(zhong)的(de)(de)再生(sheng)能量，為(wei)主開(kai)(kai)(kai)關(guan)(guan)Q1和(he)(he)(he)輔助開(kai)(kai)(kai)關(guan)(guan)Q2提供了軟(ruan)開(kai)(kai)(kai)關(guan)(guan)條件(jian)，從(cong)而(er)減少了開(kai)(kai)(kai)關(guan)(guan)損耗，提高(gao)了變(bian)換器效率。Q1和(he)(he)(he)Q2采用同一控制電(dian)(dian)路(lu)和(he)(he)(he)驅動(dong)電(dian)(dian)路(lu)，從(cong)而(er)使(shi)拓樸結構簡化。

圖5　帶有源箱位和(he)軟開(kai)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模塊的單級PFC AC-DC變(bian)換器(qi)電路如圖6所(suo)示。該變(bian)換器(qi)建立在(zai)(zai)反(fan)激(ji)式(shi)升壓(ya)(ya)(ya)拓樸基礎上(shang)，工作狀(zhuang)(zhuang)態分反(fan)激(ji)式(shi)變(bian)壓(ya)(ya)(ya)器(qi)狀(zhuang)(zhuang)態和升壓(ya)(ya)(ya)狀(zhuang)(zhuang)態兩個(ge)工作狀(zhuang)(zhuang)態。若(ruo)Vin(t)為Ac輸(shu)入電壓(ya)(ya)(ya)的瞬時值，Vc1為儲能(neng)(neng)電容C1上(shang)的電壓(ya)(ya)(ya)，n為變(bian)壓(ya)(ya)(ya)器(qi)T1的電壓(ya)(ya)(ya)比，在(zai)(zai)反(fan)激(ji)式(shi)變(bian)壓(ya)(ya)(ya)器(qi)狀(zhuang)(zhuang)態的一個(ge)開(kai)關(guan)周期內(nei)，當開(kai)關(guan)Q1導通時，T1被(bei)充(chong)電，儲存能(neng)(neng)量；當Q1截(jie)止時，由于（Vin(t)）＜（Vc1-nVo），D6不能(neng)(neng)導通，儲存在(zai)(zai)T1中的能(neng)(neng)量全部傳送到輸(shu)出端(duan)。在(zai)(zai)這種工作狀(zhuang)(zhuang)態，全橋整流輸(shu)出端(duan)的變(bian)換器(qi)輸(shu)入電流Iin波形為直(zhi)角三(san)角形，平均輸(shu)入電流Iin(avg)為：

　　在升壓電感狀態，當＞（Vc1-Vo）時，T1相當于一個升壓電感(gan)。在一個開關(guan)(guan)周期內，當Q1導(dao)能(neng)時，T1初級繞組(zu)電感(gan)LP經D5充電儲(chu)能(neng)；當Q1關(guan)(guan)斷(duan)時，D6導(dao)通，在LP中(zhong)的儲(chu)能(neng)向C1放電，工作情(qing)況與一般升壓電感(gan)型單級PFC變換器(qi)相同。在此狀態下，平均輸入(ru)電流可(ke)表示為：

　　式中(zhong)：D為開(kai)關5空比，Ts為開(kai)關周(zhou)期。

　　從(cong)式(shi)（1）和（2）可知，在(zai)兩種工作(zuo)狀態下，平(ping)均輸入電流均與輸入電壓成正(zheng)比，從(cong)而實現功率因數(shu)校(xiao)正(zheng)。C1上(shang)的(de)電壓被箱位在(zai)（Vin(peak)+n.Vo）電平(ping)上(shang)，通常(chang)不超過(guo)400Vo此電路拓樸(pu)的(de)功率因數(shu)一般可達0.95以(yi)上(shang)，效率超過(guo)80%。

圖6　基于Flyboost模(mo)塊(kuai)的單級PFC  AC-DC變換器

4、基于：W2202的數字單級PFC電路

　　圖7所示為基于數字控制(zhi)器(qi)iw2202的(de)單(dan)級(ji)PFC變換器(qi)電路。Iw2202與本刊2005年第11期《一種全數字高效(xiao)率開關電源》一文中介紹(shao)的(de)iw2201一樣，采用了脈沖串（pulseTainTM）專有(you)技(ji)術和實時波形分析及(ji)智能(neng)跳越(yue)（SmartSkip）技(ji)術。但是，iw2201不(bu)具有(you)PFC功能(neng)，而iw2202集成了單(dan)級(ji)PFC變換器(qi)控制(zhi)功能(neng)。

圖7　基于數字控制(zhi)器iw2202的單級PFC變換器

　　圖7所示的(de)電(dian)路橋(qiao)式整(zheng)流后(hou)邊拓樸，為PFC升(sheng)(sheng)壓(ya)與反激式整(zheng)流器(qi)相(xiang)結合(he)/能量(liang)儲存/DC-DC（BoostintegratedwithFlybackRectifier/Energy  Storage/DC-DC,簡寫為（BIFRED）拓樸，利用(yong)不連續(xu)模式（DCM）升(sheng)(sheng)壓(ya)變換器(qi)實現功率因數校正。變壓(ya)器(qi)初級繞組（WP）串聯的(de)儲能電(dian)容C1，用(yong)作驅動反激式變換器(qi)。電(dian)路的(de)工作原理如(ru)下：

　　當開關(guan)Q1導通時，來(lai)(lai)自AC線路的(de)能(neng)量被儲存在升壓(ya)電感器L1中。與此同時，來(lai)(lai)自C1的(de)能(neng)量被儲存在反激式變壓(ya)器T1的(de)初級繞組中。

　　當Q1關斷時(shi)，在(zai)T1初(chu)級儲存的(de)能量(liang)傳(chuan)送到輸出。同時(shi)，在(zai)升壓電感器L1中的(de)能量(liang)傳(chuan)輸到電容C1，對C1進行充電。

　　在(zai)AC線路(lu)輸入的(de)半周期(qi)內(nei)，兩個電(dian)感器（L1和LP）儲存的(de)能量平(ping)均值(zhi)相(xiang)等，從而(er)使C1上的(de)電(dian)壓(ya)保持不(bu)變。用(yong)iw2202作為控制器，解(jie)決了(le)儲能電(dian)容上電(dian)壓(ya)應力過高的(de)問題(ti)。在(zai)通常情(qing)況(kuang)下，C1上的(de)電(dian)壓(ya)不(bu)會超過400V，從而(er)C1可選用(yong)400V的(de)標(biao)準電(dian)容器。基于iw2202的(de)全數(shu)字(zi)SMPS，可以實現單位功率因數(shu)（即PF=1）和小于5%的(de)總諧波失真（THD）

　　5、結束語

　　單(dan)級(ji)PFC變(bian)換器電(dian)(dian)路簡(jian)單(dan)，但PFC和對輸入(ru)電(dian)(dian)流(liu)諧波抑(yi)制(zhi)的效果不如兩級(ji)PFC變(bian)換器。基于全數字(zi)控(kong)制(zhi)器iw2202的單(dan)級(ji)全數字(zi)PFC變(bian)換器，可以(yi)實現接近于I的功率因數，輸入(ru)電(dian)(dian)流(liu)達到低失真指(zhi)標，滿足IEC1000-3-2規(gui)定限值(zhi)。