單級功率因數(shù)校正電路實用性的分析

引言

為了減少諧波對交流電網(wǎng)的污染，國內(nèi)外都制訂了限制電流諧波的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，因此，功率因數(shù)校正（PFC）技術(shù)已成為電力電子領(lǐng)域中的研究熱點。隨著電力質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的日益嚴(yán)格，PFC變換器被越來越多地應(yīng)用于開關(guān)電源、變頻調(diào)速器和熒光燈交流電子鎮(zhèn)流器中。近幾年來，隨著相關(guān)技術(shù)和各種控制策略的發(fā)展，PFC技術(shù)已得到大量研究。PFC電路根據(jù)工作方式可分為兩大類，即無源PFC電路和有源PFC電路。有源PFC電路根據(jù)變換級數(shù)可以分為單級PFC電路和多級PFC電路。近年來，單級PFC電路得到廣泛的關(guān)注，對它的研究也越來越熱了，但是，在工業(yè)上它還沒有得到廣泛應(yīng)用。

通常，通過以下幾個方面來判斷一個功率因數(shù)校正拓?fù)涞膬?yōu)劣：

——功率因數(shù)的高低；
——輸入電流波形畸變的大小；
——效率和功率密度的高低；
——開關(guān)管應(yīng)力的大小。

單級功率因數(shù)校正將PFC級和DC/DC級組合在一起，同時實現(xiàn)對輸入電流的整形和對輸出電壓的調(diào)節(jié)，但與兩級方案相比，它只調(diào)節(jié)輸出電壓，保證輸出電壓的穩(wěn)定，而對輸入電流沒有進(jìn)行調(diào)節(jié)，讓輸入電流自動跟蹤輸入電壓，因此，單級PFC電路的效果比較差。本文根據(jù)現(xiàn)在國際上的電流諧波標(biāo)準(zhǔn)，對單級PFC電路在工業(yè)上能否被廣泛應(yīng)用進(jìn)行了分析。

1單級PFC電路的分析

圖1是單級PFC的通用結(jié)構(gòu)。不像兩級PFC，單級PFC中使PFC級和DC/DC級共用一個開關(guān)，同時實現(xiàn)輸入電流波形的整形和輸出電壓的快速調(diào)節(jié)，輸入輸出的隔離。由于控制電路只負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)輸出電壓，在穩(wěn)態(tài)時占空比（D）幾乎是個恒定值，所以，單級PFC要求輸入電流能夠自動跟隨輸入電壓，圖2為單級PFC的輸入電壓、電流波形和占空比波形。

1.1儲能電容的比較

在單級PFC中，由于DC/DC級工作在CCM，占空比不隨負(fù)載變化。當(dāng)負(fù)載變輕時，輸出功率減少，PFC級輸入功率Pin卻沒有這么快的變化。這樣，充入儲能電容的能量大于從儲能電容抽走的能量，導(dǎo)致儲能電容電壓上升，如果輸入具有較少的阻抗，VB會急劇上升以維持輸入功率和輸出功率的平衡。另外,單級PFC電路儲能電容上的電壓變化范圍比較大，在輸入電壓低的時候，儲能電容上的電壓比較低；在輸入電壓高的時候，儲能電容上的電壓比較高，因此，對于相同的輸出功率等級來說，單級PFC電路中所需的儲能電容比兩級PFC電路要大很多，儲能電容上的電壓應(yīng)力也要大很多。從圖3中可以發(fā)現(xiàn)VB由輸入功率控制，而不受輸入電壓和輸出負(fù)載的控制。

1.2半導(dǎo)體器件的比較

在兩級PFC變換器中，PFC開關(guān)管承受PFC級的電流，DC/DC變換器的開關(guān)管承受DC/DC級的電流。而在單級PFC變換器中只使用了一個開關(guān)管，它要承受PFC級和DC/DC級的電流，這樣，單級PFC變換器中開關(guān)管要承受更高的電流應(yīng)力。通過開關(guān)管的電流的大小決定了管子的損耗和尺寸。圖4給出了兩級PFC變換器和單級PFC變換器中電流大小的比較。另外，與兩級PFC電路相比，單級PFC電路中儲能電容上的電壓比較高，因此，單級PFC電路中管子上的電壓應(yīng)力也比較高。

1.3磁芯元件的比較

在兩級PFC電路中的輸入電感主要是由輸入電流最大紋波和PFC級的占空比來決定的，而在單級PFC電路中主變壓器不僅是PFC電路的輸入電感，而且還用來儲存能量，因此，在相同的輸出功率下，單級PFC電路中的磁芯元件要承受更大的應(yīng)力。

考慮到單級PFC電路中元器件的應(yīng)力等問題，它的最大輸出功率就會受到限制。一般說來，單級PFC電路的最大輸出功率在100W左右。

2單級PFC電路實用性的分析

圖5給出了功率電子裝置的4種分類等級：A，B，C，和D。對于這4種不同的等級，分別有相應(yīng)的各次諧波限制?，F(xiàn)在對輸入電流諧波的要求越來越嚴(yán)格，IEC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，輸出功率在75～600W的電子裝置都要滿足ClassD，對于這類設(shè)備不僅在滿載時要滿足ClassD，而且在輸入功率=75W時也要滿足ClassD；而對于照明裝置的要求更加嚴(yán)格，要求它滿足ClassC。

隨著人們對電力質(zhì)量的關(guān)注越來越強(qiáng)，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對電網(wǎng)輸入電流的諧波要求也越來越高了。以前規(guī)定，如果輸入電流波形的95％以上在圖6所示的方框內(nèi)，那么這個輸入電流必須滿足ClassD；如果輸入電流波形不足95％以上在圖6所示的方框內(nèi)時，只要滿足ClassA。而ClassA的要求比ClassD要低很多。因此，很多公司為了降低設(shè)計成本故意惡化輸入電流波形，讓其輸入電流波形不超過95％的部分在這個方框內(nèi)，這樣只要滿足ClassA就可以了，但是，這樣的波形對電網(wǎng)的污染增加了。因此，為了減少對電網(wǎng)的污染，現(xiàn)在對輸入電流諧波要求的標(biāo)準(zhǔn)越來越高了，沒有圖6所示的方框了，對于75W<輸出功率<600W的電子裝置必須滿足ClassD。這樣，輸入電流波形比較差的產(chǎn)品就很難通過諧波標(biāo)準(zhǔn)。

就單級PFC電路而言，它的輸入電流波形和電路的效率成反比。這是因為單級PFC中的輸入電流波形與電壓、電流應(yīng)力成正比。如果要求輸入電流波形比較好，那么就要選用應(yīng)力高的管子，應(yīng)力高的管子損耗比較大，電路的效率就降低了。而實際的產(chǎn)品不僅要求輸入電流能否滿足諧波標(biāo)準(zhǔn)，而且還要考慮電路的效率，因此，就目前單級PFC電路而言，它很難在工業(yè)上得到廣泛的應(yīng)用。

3結(jié)語

現(xiàn)在對電網(wǎng)質(zhì)量的要求越來越嚴(yán)格了，要求輸入電流的諧波含量低。而單級PFC電路只調(diào)節(jié)輸出電壓，輸入電流中諧波含量比較高，其元器件所承受的應(yīng)力比兩級PFC中的大很多，因此，單級PFC電路很難在工業(yè)界得到廣泛應(yīng)用。為了使單級PFC能夠在工業(yè)上得到廣泛使用，就必須改善輸入電流波形，降低電容應(yīng)力及變壓器應(yīng)力，管子的電流應(yīng)力和電壓應(yīng)力。