抑制单级PFC中储能电容电压的拓扑研究

1　 引言

　　为了减小对交流电网的谐波污染，国内外制订了有关标准（如IEC 1000-3-2标准）来限制电流谐波。因此，要求交流输入电源必须采取措施降低电流谐波含量，提高功率因数。目前广泛采用的有源功率因数校正方法有两种，即两级PFC和单级PFC。两级PFC [1]将PFC级输出端与DC/DC变换器相串联。由于采用两级结构，电路复杂，装置费用高，效率低。在小功率应用场合，两级PFC很不适用。因此，研究单级PFC及变换技术成为电力电子领域中的一项重要课题。
　　单级PFC[2－3]将PFC级和DC/DC级组合在一起共用一个开关管和一套控制电路，同时实现对输入电流的整形和对输出电压的调节。它与两级方案不同的是，控制电路只调节输出电压，保证输出电压的稳定，在稳态时，占空比恒定，因此要求PFC级的电流能自动跟随输入电压，虽然单级PFC变换器的输入电流不是正弦波，PF值不如两级方案高，但由于IEC1000-3-2标准只对电流谐波含量有要求，对PF值没有严格的要求，单级PFC变换器的输入电流谐波足以满足IEC1000-3-2标准。由于采用单级结构，电路简单，成本低，功率密度高。因此，单级PFC变换器在小功率场合得到了广泛的应用。
　　本文主要对单级PFC的拓扑进行了分析，抑制储能电容电压是单级功率因数校正要解决的主要问题，储能电容电压随输入电压和负载的变化而变化，在输入高压或轻载时，电容电压可能达到上千伏，而且变换器的效率低。介绍了几种改进的拓扑结构来降低电容电压，分别讨论了其优缺点。通过对现有拓扑的分析，得出了一种新型拓扑结构。

2 单级功率因数校正的主要问题

　　单级PFC将PFC级和DC/DC级组合在一起共用一个开关管和一套控制电路，同时实现对输入电流的整形和对输出电压的调节。它与两级方案不同的是，控制电路只调节输出电压，保证输出电压的稳定。对PFC级输出功率恒定时，输入功率是一个周期性变化的量，所以储能电容用来解决瞬时输入功率和输出功率不平衡问题。众所周知，电流断续模式（DCM）的boost变换器在固定占空比下电流自动跟随输入电压，因此PFC级工作在DCM下可以得到较高的功率因数。而为了提高变换器的效率，DC/DC变换器一般工作在电流连续模式（CCM）下。在CCM情况下，当负载变轻时，输出功率减小，由于占空比不随负载变化而变化，PFC级输入功率同重载时一样，则充入储能电容的容量大于从储能电容抽走的能量，导致储能电容电压上升。为了保持输出电压一致，电压反馈环调节输出电压，使占空比减小，输入能量也相应减小，这个动态过程要到输入和输出功率平衡后才停止。负载减小带来的后果是电容电压明显上升，甚至达到上千伏。
　　降低电容电压通常有两种方法：一种方法就是采用变频控制[4]，可以使电容电压低于450V，但是频率变化范围可能高达十倍，不利于磁性元件的优化设计。另一种就是采用变压器绕组实现负反馈。用变压器绕组实现负反馈可以降低电容电压，但同时降低了功率因数，增加了电流的谐波含量。本文通过对现有拓扑的分析，得出了一种新型带低频辅助开关的功率因数校正电路，不仅降低了电容电压，而且提高了功率因数，减少了电流的谐波含量。

3 几种改进的拓扑分析

3.1　加变压器绕组抑制电容电压的单级PFC

　　加变压器绕组抑制电容电压的单级PFC变换器[5]如图1所示。N1为变压器耦合的绕组。

图1　加变压器绕组抑制电容电压的单级PFC变换器
　 　用变压器绕组N1实现负反馈来抑制电容电压VC。当Q开通时，VC加在变压器的初级绕组Np，因此绕组N1上的电压同VC成正比。只有当输入整流后的电压大于N1上的电压时，电感LB上才有电流；Q关断时，LB上的能量经过D1释放到CB。负载变化引起VC变化，加在LB上的电压立刻变化，从而改变了输入电流和输入功率，有效的抑制了VC的增长。加入N1除了能降低VC外，还能在Q开通时，由N1直接传递部分能量到负载，降低了开关管的电流应力，提高了变换器的效率。但N1的加入降低了功率因数，增加了电流谐波含量。在图1的AB之间再增加一个绕组N2[3][8]，如图2所示。

图2　用双绕组抑制电容电压的单级PFC变换器
　　加绕组N2之后，在Q关断时，加在电感LB上的反向电压为VC和N2上的电压之和减去输入电压，加大了电感LB在关断时的电流下降率，减小了输入功率，从而进一步降低了VC，同时也提高了功率因数。N2的选取应该满足N1+N2Np。可见，增大N1可以降低电容电压，提高效率。但同时降低了功率因数，增加了电流谐波含量。
　　如果要求更低限度的减小开关器件的电压、电流应力，那么在图1和图2中的二极管D2和绕组N1之间加入电感Lr，使输入电流工作在CCM下。Lr可以利用变压器漏感，也可以另外加一个电感[3]。

3.2　单级反激并联功率因数校正（PPFC）变换器

　　单级反激PPFC变换器[6]，如图3所示。