一种新型单级功率因数校正（PFC）变换器

摘要：提出了一种新型的功率因数校正单元（flyback＋boost单元）。这种功率因数单元具有两种工作状态，反激变换器状态和boost电感状态。基于这种PFC单元，得到了一种新型的单级功率因数校正变换器，实验结果证明这种变换器不仅可以得到很高的功率因数，而且可以自动限制储能电容上的电压。

关键词：单级功率因数校正；flyback＋boost单元；变换器

1 引言

为了减少对交流电网的谐波污染，国际上推出了一些限制电流谐波的标准，如IEC1000-3-2，它要求开关电源必须采取措施降低电流谐波含量。

为了使输入电流谐波满足要求，必须加入功率因数校正（PFC）。目前应用得最广泛的是PFC级＋DC/DC级的两级方案，它们有各自的开关器件和控制电路。这种方案能够获得很好的性能，但它的缺点是电路复杂，成本也高。

近年来，提出了很多单级功率因数校正AC/DC变换器^[1－3]，特别是在小功率应用场合。在单级PFC变换器中，PFC级和DC/DC级共用一个开关管和一套控制电路，同时实现对输入电流和输出电压的调节，它的优点是电路简单，成本低。然而，这些变换器也存在着不少缺点，如效率低，不适用于大功率应用，储能电容电压变化大等。这些缺点限制了单级PFC变换器的应用。

本文提出了一种新型的单级功率因数校正单元（flyback＋boost单元）。通过控制flyback＋boost单元工作在不连续导电模式，使得输入电流自动跟随输入电压，实现功率因数校正，并且自动限制中间储能电容上的电压。基于这种单元，得到了一种新型的单级功率因数变换器。实验证明这是一种很好的单级PFC变换器。

2 基于flyback＋boost单元的单级功率因数校正AC/DC变换器

2.1 flyback＋boost单元的工作状态

本文提出的新型单级功率因数校正变换器如图1所示。

图1 带flyback＋boost单元的单级PFC变换器

当工作在不连续导电模式（DCM）下，flyback＋boost单元的工作状态可以概括为两种状态，即反激变换器状态和boost电感状态。

1)反激变换器状态当|v_in(t)|(v_c1－n₁V_o)〔式中v_in(t)表示交流输入电压瞬时值，v_c1表示中间储能电容的电压，n₁表示变压器T1的变比〕期间，T₁工作在一般的反激变换器状态。在一个开关周期内，当S₁开通时，L₁(表示T₁的初级电感)经D₅充电，储存能量；当S₁关断时，由于|vin(t)|(vc1－n₁V_o)，D₆不能导通，储存在T₁中的能量全部传递到输出端。可见，在|v_in(t)|(v_c1－n₁V_o)期间，flyback＋boost单元的工作原理与反激变换器一样。

2）boost电感状态当|v_in(t)|>(v_c1－n₁V_o)期间，T₁相当于一个boost电感。在一个开关周期内，当S₁开通时，L₁经D₅充电储能；当S₁关断时，由于|v_in(t)|>(v_c1－n₁V_o)，D₆导通，储存在T₁上的能量向C₁充电，其工作方式与一般的boost电感型单级PFC变换器一样。

两个工作状态的工作波形如图2所示。

图2 flyback＋boost单元的两个状态

这种新型的单级PFC变换器具有一个显著的优点，那就是能够自动限制中间储能电容上的电压。因为，当PFC单元处于反激变换器状态时，反激变换器副边反馈到原边的电压加上输入电压之和为（|v_in(t)|＋V_o·n₁），只有当（|v_in(t)|＋V_o·n₁）>v_c1时，C₁才会被充电，此时PFC单元进入boost电感状态，所以，储能电容上的电压最终被限制在（V_in(peak)＋V_o·n₁）。

2.2 变换器的工作原理

因为PFC单元具有两种工作状态，以下将分别介绍在这两种工作状态下变换器的工作原理。

1）当PFC单元工作于反激变换器状态时，在一个开关周期内，变换器经历了三个工作状态，电路中主要电流波形如图3所示。

图3 Flyback状态电路中电流波形

状态1[t₀，t₁]S₁导通，D₅导通，D₆，D₇反向关断，流过L₁的电流线性增加。同时D₈导通，C₁的能量通过T₂释放。流过L₁的电流为

i_in(t)=(t－t₀)（1）

式中：V_in(peak)为交流输入电压的峰值；

ω为交流输入电压的角频率。

状态2[t₁，t₂]在t₁时刻，S₁关断，D₈关断，D₉续流导通。D₅关断，D₆也关断。此时D₇导通，储存在T₁上的能量传递到输出端，直到t₂时刻，T₁的能量完全释放。

状态3[t₂，t₃]在t₂时刻，D₇自然关断。此时S₁，D₅，D₆，D₈也关断，D-续流导通，直到S₁重新导通。

从以上分析可以知道，经过整流桥后的输入电流i_in是一个三角波，在一个开关周期内平均输入电流I_in(avg)可表示为

I_in(avg)=D²T_s（2）

式中：T_s为变换器的开关周期；

D为占空比。

2）当PFC单元工作于boost电感状态时，在一个开关周期内，变换器也经历了三个工作状态，主要电流波形如图4所示。

图4 Boost状态电路中电流波形

状态1[t₀，t₁]S₁导通，D₅和D₈导通，D₆，D₇反向关断，工作过程与上述的状态1相同。