改進的單級功率因數(shù)校正AC/DC變換器的拓撲綜述

典型的單級Boost PPFC變換器[1]如圖6所示，電路在原帶隔離變壓器Boost拓撲結(jié)構(gòu)中加入了D₁，S₅及C_b。電路工作時，當檢測到輸入功率（P_in）小于輸出功率（P₀）時，S₅開通，C_b中的能量釋放到輸出，這部分能量為P₂。當輸入功率（P_in）大于輸出功率（P₀）時，S₅關(guān)斷，通過控制S₁～S₄使多出的能量存入C_b。因此，電路的控制要實現(xiàn)三個功能，即輸入電流控制，輸出電壓控制和電容電壓控制。這種PPFC變換器的主要優(yōu)點是效率高。由于這三個被控量之間存在耦合關(guān)系，所以，控制電路復(fù)雜，控制器設(shè)計困難；另外，開關(guān)管數(shù)目多，成本較高，這些都是該變換器的主要缺點。因此，它適用于較大功率場合而不適用于小功率場合。于是文獻[6]提出了一種單級反激PPFC變換器，如圖7所示。

圖6 單級Boost PPFC變換器

圖7 單級反激PPFC變換器

T₁，S，D₃，C_f，R_L構(gòu)成電路的主支路，T₂及D₂組成電路的輔助支路。儲能電容C_B通過D₁充電到輸入電壓的峰值電壓作為輔助支路的輸入電壓。由于兩個并聯(lián)反激支路同時工作，使用二極管D₂和D₃來防止這兩個支路之間產(chǎn)生循環(huán)電流。該變換器由輸入電壓V_in和儲能電容C_B同時給負載提供能量。盡管輸入電壓V_in給負載提供大部分能量。但是，當輸入電壓很小時，負載的能量主要由儲能電容C_B提供。兩個變壓器可以在DCM或CCM下工作。對于小功率應(yīng)用，為了提高效率，兩個變壓器都工作在DCM下。主支路與輔助支路之間的功率分配決定輸入電流的諧波含量，而變壓器T₁及T₂的電感值決定功率分配。所以，通過正確的設(shè)計變壓器T₁及T₂的電感值可以使輸入電流的諧波含量滿足IEC1000-3-2的要求。該變換器僅用一個有源開關(guān)和一個控制環(huán)就可快速地調(diào)節(jié)輸出電壓。

它的主要優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、效率高、儲能電容電壓被箝位，電壓值的大小等于輸入電壓的峰值，對功率開關(guān)管沒有產(chǎn)生附加的電壓應(yīng)力。另外，在S開通時，由T₁直接傳遞大部分能量到負載，降低了開關(guān)管的電流應(yīng)力，提高了變換器的效率。它的主要缺點是元件數(shù)目多，成本較高。

3.2 用變壓器繞組實現(xiàn)負反饋的單級PFC變換器

用變壓器繞組實現(xiàn)負反饋的單級PFC變換器[8]如圖8所示。N₁為變壓器耦合的繞組。

用變壓器繞組N₁實現(xiàn)負反饋來抑制電容電壓V_c。當S開通時，V_c加在變壓器的初級繞組N_p，因此，繞組N₁上的電壓同V_c成正比。只有當輸入整流后的電壓大于N₁上的電壓時，電感L_B上才有電流；S關(guān)斷時，L_B上的能量經(jīng)過D₁釋放到C_B。負載變化引起V_c變化，加在L_B上的電壓立刻變化，從而改變了輸入電流和輸入功率，有效地抑制了V_c的增長。但N₁的加入降低了功率因數(shù)，增加了電流諧波含量。

在圖8的A和B之間再增加一個繞組N₂[3][7]，如圖9所示。加繞組N₂之后，在S關(guān)斷時，加在電感L_B上的反向電壓為V_c和N₂上的電壓之和減去輸入電壓，減小了輸入功率，從而進一步降低了V_c，同時，也提高了功率因數(shù)。N2的選取應(yīng)該滿足N₁＋N₂N_p?？梢姡龃?i>N₁可以降低電容電壓，提高效率，但同時降低了功率因數(shù)，增加了電流諧波含量。

圖8 用變壓器繞組實現(xiàn)負反饋的單級PFC變換器

如果要求更低限度地減小開關(guān)器件的電壓、電流應(yīng)力，那么在圖8和圖9中的二極管D₂和繞組N₁之間加入電感L_r，使輸入電流工作在CCM下。L_r可以利用變壓器漏感，也可以另外加一個電感[3]。

圖9 用雙繞組實現(xiàn)負反饋的單級PFC變換器

3.3 帶低頻輔助開關(guān)的單級PFC變換器[9]

用變壓器附加繞組實現(xiàn)負反饋降低了電容電壓，提高了效率。但同時降低了功率因數(shù)，增加了電流諧波含量。文獻[9]針對這一不足提出了一種帶低頻輔助開關(guān)的單級PFC變換器，不僅有效地抑制了電容電壓，提高了效率，同時還提高了功率因數(shù)，減少了電流諧波含量。

帶低頻輔助開關(guān)的CCM單級PFC變換器如圖10所示，S為主開關(guān)，S_r為輔助開關(guān)。

圖10 帶低頻輔助開關(guān)的CCM單級PFC變換器