抑制单级PFC中储能电容电压的拓扑研究

图3　单级反激PPFC变换器
　　TX1、Q、D3、Cf、RL构成电路的主支路，TX2、D2组成电路的辅助支路。储能电容CB通过D1充电到输入电压的峰值电压作为辅助支路的输入电压。由于两个并联反激支路同时工作，使用二极管D2、D3来防止这两个支路之间产生循环电流。该变换器由输入电压Vin和储能电容C2同时给负载提供能量。尽管输入电压Vin给负载提供大部分能量。但是，当输入电压很小时，负载的能量主要由储能电容CB提供。两个变压器可以在DCM或CCM下工作。对于小功率应用，为了提高效率，两个变压器都工作在DCM下。主支路与辅助支路之间的功率分布决定输入电流的谐波含量，而变压器TX1、TX2的电感值决定功率分布。所以，通过正确的设计变压器TX1、TX2的电感值可以使输入电流的谐波含量满足IEC1000-3-2标准。该变换器仅用一个有源开关和一个控制环就可快速的调节输出电压。
　　它的主要优点是结构简单、效率高、储能电容电压被箝位，电压值的大小等于输入电压的峰值，对功率开关管没有产生附加的电压应力。另外，在Q开通时，由TX1直接传递大部分能量到负载，降低了开关管的电流应力，提高了变换器的效率。它的主要缺点是元件数目多，成本较高。

3.3　带低频辅助开关的单级PFC变换器

　　单相无源功率因数校正变换器应用低频开关减小了输入电流的谐波，满足IEC1000-3-2标准。但是，低频boost PFC变换器需要一个大的输入电感[7－8]；用变压器附加绕组实现负反馈降低了电容电压，提高了效率。但同时降低了功率因数，增加了电流谐波含量。为了改善有源单级PFC变换器的性能。本文结合上述两种方法提出了一种带低频、低费用、低损耗的辅助开关的单级PFC变换器。不仅有效的抑制了电容电压，提高了效率，同时还提高了功率因数，减少了电流谐波含量。
　　带低频辅助开关的CCM单级PFC变换器如图4所示，Q为主开关，Qr为辅助开关。
辅助开关Qr的驱动波形如图5所示，当输入电压在零附近时，辅助开关Qr导通，使附加绕组N1短路，从而改善了输入电流的波形，减少了输入电流的谐波含量，提高了功率因数。

图4　带低频辅助开关的CCM单级PFC变换器

图5　辅助开关Qr的驱动波形
　　当输入电压大于某一值时，辅助开关管Qr关断；其余的工作情况与图1和图2相似。辅助开关Qr在输入电压很小时才导通工作，其余时间不工作。因此，流过Qr的电流很小，Qr的功率损耗很小。由图5知，辅助开关的工作频率为交流电源频率的两倍。故在整个工作期间，Qr的开关损耗很小。另外，辅助开关Qr的控制电路也很简单。由上述分析知，带低频辅助开关的单级PFC变换器减小了输入电流的谐波含量；提高了功率因数和效率；降低了电容电压。
　　辅助开关Qr也可以放在其它位置，得到不同的拓扑结构，如图6示。图6(a)所示的电路使L1旁路。也就是，输入电压在零附近时，导通开关Qr，使L1短路，电路工作在DCM下，从而增加了输入电流，这种方法不能消除输入电流的死角。因此，与图4电路相比，图6a)的电路的输入电流的畸变更大。Qr另外一种实现方式如图6b)所示，使L1和N1都旁路，也就是，输入电压在零附近时，导通开关Qr，使L1和N1都短路。这种方法可以完全消除输入电流的死角，提高功率因数。但是，与图4电路相比，图6(b)电路中的储能电容电压更高。因为图6(b)电路有一小部分时间工作在DCM下。另外，该方法也可以应用在其它的DCM/CCM单级PFC变换器中，如图7所示的带低频辅助开关的DCM单级PFC变换器。

图6　Qr不同位置的实现方式 (a) 使L1旁路　(b) 使L1和N1都旁路

图7　带低频辅助开关的DCM单级PFC变换器

4 结束语

　　单级PFC变换器具有电路简单、成本低、功率密度高，在中小功率场合得到了广泛的应用。分析了单级PFC存在的主要问题—抑制储能电容电压。本文介绍了几种改进的拓扑结构来降低电容电压，分析了它们的工作原理，比较了其优缺点。通过对现有拓扑的分析，得出了一种新型拓扑结构。

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