单级功率因数校正开关电源

发布时间:2008/5/28 0:00:00 访问次数:489

　　摘要：与传统两级pfc变换器比较，单级pfc ac-dc变换器只采用一个开关和一个控制器。单级pfc技术在低功率电源中的应用，已成为目前研究的课题。
　　

　　关键词：单级，功率因数校正，电路拓扑

1、引言

　　为减少办公自动化设备、计算机和家用电器等内部开关电源对电网的污染，国际电工委员会和一些国家与地区推出了iec1000-3-2和en61000-3-2等标准，对电流谐波作出了限量规定。为满足输入电流谐波限制要求，最有效的技术手段就有源功率因数校正（有源pfc）。

目前被广为采用的有源pfc技术是两级方案，即有源pfc升压变换器+dc-dc变换器，如图1所示。

　　两级pfc变换器使用两个开关（通常为mosfet）和两个控制器，即一个功率因数控制器和一个pwm控制器。只有在采用pfc/pwm组合控制器ic时，才能使用一个控制器，但仍需用两个开关。两级pfc在技术上十分成熟，早已获得广泛应用，但该方案存在电路拓扑复杂和成本较高等缺点。

　　单级pfc ac-dc变换器中的pfc级和dc-dc级共用一个开关管和采用pwm方式的一套控制电路，同时实现功率因数校正和对输出电压的调节。

2、 单级pfc变换器基本电路拓扑

2.1单级pfc变换器基本电路

　　单级pfc变换器通常由升压型pfc级和dc-dc变换器组合而成。其中的dc-dc变换器又分为正激式和反激式两种类型。图2所示为基本的单级隔离型正激式升压pfc电路。两部分电路共用一个开关（q1），通过二极管d1的电流为储能电容c1充电，d2在q1关断时防止电流倒流。通过控制q1的通断，电路同时完成对ac输入电流的整形和对输出电压的调节。

　　由于全波桥式整流电路输入连接ac供电线路，瞬时输入功率是随时变化的，欲得到稳定的功率输出，要依靠储能电容实现功率平衡。对于dc-dc变换器，通常在连续模式（ccm）下工作，占空因数不随负载变化。而全桥整流输出电压与负载大小无关，当负载减轻时，输出功率减小，但pfc级输入功率同重载时一样，使充入c1的能量等于从c1抽取的能量，引起直流总线电压明显上升，c1上的电压应力往往达1000v以上，对开关器件的耐压要求非常高。由于开关器件的电压高，电流应力大，开关损耗大，并且功率从输入到输出要经两次变换，故效率低。

2.2改进型单级pfc变换器电路

　　为降低储能电容上的高压和变换器效率，必须对图2所示的单级pfc基本电路拓扑进行改进。

　　一种用变压器双线组实现负反馈的单级pfc变换器电路如图3所示。n1和n2绕组为变压器t1的耦合绕组。

　　当开关q1导通时，电压v_c1施加到t1初级绕组。当经整的电压大于n1上的电压时，升压电感器l1上才会有电流通过。当q1截止时，加在l1上的反向电压为v_c1与n2上的电压v_n2之和减去输入电压。n1和n2两个耦合线圈的加入，提供了负反馈电压，减轻了c1上的电压应力，提高了效率。但是，加入n1和n2后，会降低功率因数，增加电流谐波含量。如果在d2与n1之间加入一个电感，使输入电流工作在ccm，c1上的电压还可以降低。在图3中。要求n1+n2。

图4示出了带低频辅助开关的ccm单级pfc变换器电路。q1为主开关，q2为辅助开关。在输入电流过零附近，q2导通，使附加绕组n1短路，当输入电压大于某一值时，q2关断。由于q2在输入电压很小时才会导通，其余的时间阻断，流过q2的电流很小，q2的功率损耗也就很小。这种电路拓扑与图3电路比较，减小了输入电流的谐波含量，提高了功率因数和效率，降低了电容(c1)上的电压。

　　图5所示为带有源钳位和软开关的单级隔离式pfc变换器电路。图中，q1为主开关，q2为开关，c1为储能开关，c2为钳位电容，cr为q1、q2和电路中寄生电容之和。电路的升压级工作在dcm，从而保证有较高的功率因数。反激式变换器级设计工作在ccm，从而避免了产生较高的电流应力。电路采用有源钳位和软开关技术来限制开关mosfet的电压应力。存储在变压器漏感中的再生能量，为主开关q1和辅助开关q2提供了软开关条件，从而减少了开关损耗，提高了变换器效率。q1和q2采用同一控制电路和驱动电路，从而使拓扑结构简化。

3、 基于flyboost模块的单级pfc ac-dc变换器

　　基于flyboost模块的单级pfc ac-dc变换器电路如图6所示。该变换器建立在反激式升压拓扑基础上，工作状态分反激式变压器状态和升压状态两个工作状态