一種新型單級功率因數校正（PFC）變換器

摘要：提出了一種新型的功率因數校正單元（flyback＋boost單元）。這種功率因數單元具有兩種工作狀態，反激變換器狀態和boost電感狀態。基于這種PFC單元，得到了一種新型的單級功率因數校正變換器，實驗結果證明這種變換器不僅可以得到很高的功率因數，而且可以自動限制儲能電容上的電壓。

關鍵詞：單級功率因數校正；flyback＋boost單元；變換器

1 引言

為了減少對交流電網的諧波污染，國際上推出了一些限制電流諧波的標準，如IEC1000-3-2，它要求開關電源必須采取措施降低電流諧波含量。

為了使輸入電流諧波滿足要求，必須加入功率因數校正（PFC）。目前應用得最廣泛的是PFC級＋DC/DC級的兩級方案，它們有各自的開關器件和控制電路。這種方案能夠獲得很好的性能，但它的缺點是電路復雜，成本也高。

近年來，提出了很多單級功率因數校正AC/DC變換器^[1－3]，特別是在小功率應用場合。在單級PFC變換器中，PFC級和DC/DC級共用一個開關管和一套控制電路，同時實現對輸入電流和輸出電壓的調節，它的優點是電路簡單，成本低。然而，這些變換器也存在著不少缺點，如效率低，不適用于大功率應用，儲能電容電壓變化大等。這些缺點限制了單級PFC變換器的應用。

本文提出了一種新型的單級功率因數校正單元（flyback＋boost單元）。通過控制flyback＋boost單元工作在不連續導電模式，使得輸入電流自動跟隨輸入電壓，實現功率因數校正，并且自動限制中間儲能電容上的電壓。基于這種單元，得到了一種新型的單級功率因數變換器。實驗證明這是一種很好的單級PFC變換器。

2 基于flyback＋boost單元的單級功率因數校正AC/DC變換器

2.1 flyback＋boost單元的工作狀態

本文提出的新型單級功率因數校正變換器如圖1所示。

圖1 帶flyback＋boost單元的單級PFC變換器

當工作在不連續導電模式（DCM）下，flyback＋boost單元的工作狀態可以概括為兩種狀態，即反激變換器狀態和boost電感狀態。

1)反激變換器狀態當|v_in(t)|(v_c1－n₁V_o)〔式中v_in(t)表示交流輸入電壓瞬時值，v_c1表示中間儲能電容的電壓，n₁表示變壓器T1的變比〕期間，T₁工作在一般的反激變換器狀態。在一個開關周期內，當S₁開通時，L₁(表示T₁的初級電感)經D₅充電，儲存能量；當S₁關斷時，由于|vin(t)|(vc1－n₁V_o)，D₆不能導通，儲存在T₁中的能量全部傳遞到輸出端。可見，在|v_in(t)|(v_c1－n₁V_o)期間，flyback＋boost單元的工作原理與反激變換器一樣。

2）boost電感狀態當|v_in(t)|>(v_c1－n₁V_o)期間，T₁相當于一個boost電感。在一個開關周期內，當S₁開通時，L₁經D₅充電儲能；當S₁關斷時，由于|v_in(t)|>(v_c1－n₁V_o)，D₆導通，儲存在T₁上的能量向C₁充電，其工作方式與一般的boost電感型單級PFC變換器一樣。

兩個工作狀態的工作波形如圖2所示。

圖2 flyback＋boost單元的兩個狀態

這種新型的單級PFC變換器具有一個顯著的優點，那就是能夠自動限制中間儲能電容上的電壓。因為，當PFC單元處于反激變換器狀態時，反激變換器副邊反饋到原邊的電壓加上輸入電壓之和為（|v_in(t)|＋V_o·n₁），只有當（|v_in(t)|＋V_o·n₁）>v_c1時，C₁才會被充電，此時PFC單元進入boost電感狀態，所以，儲能電容上的電壓最終被限制在（V_in(peak)＋V_o·n₁）。

2.2 變換器的工作原理

因為PFC單元具有兩種工作狀態，以下將分別介紹在這兩種工作狀態下變換器的工作原理。

1）當PFC單元工作于反激變換器狀態時，在一個開關周期內，變換器經歷了三個工作狀態，電路中主要電流波形如圖3所示。

圖3 Flyback狀態電路中電流波形