單級功率因數校正電路實用性的分析

引言

為了減少諧波對交流電網的污染，國內外都制訂了限制電流諧波的有關標準，因此，功率因數校正（PFC）技術已成為電力電子領域中的研究熱點。隨著電力質量標準的日益嚴格，PFC變換器被越來越多地應用于開關電源、變頻調速器和熒光燈交流電子鎮流器中。近幾年來，隨著相關技術和各種控制策略的發展，PFC技術已得到大量研究。PFC電路根據工作方式可分為兩大類，即無源PFC電路和有源PFC電路。有源PFC電路根據變換級數可以分為單級PFC電路和多級PFC電路。近年來，單級PFC電路得到廣泛的關注，對它的研究也越來越熱了，但是，在工業上它還沒有得到廣泛應用。

通常，通過以下幾個方面來判斷一個功率因數校正拓撲的優劣：

——功率因數的高低；
——輸入電流波形畸變的大小；
——效率和功率密度的高低；
——開關管應力的大小。

單級功率因數校正將PFC級和DC/DC級組合在一起，同時實現對輸入電流的整形和對輸出電壓的調節，但與兩級方案相比，它只調節輸出電壓，保證輸出電壓的穩定，而對輸入電流沒有進行調節，讓輸入電流自動跟蹤輸入電壓，因此，單級PFC電路的效果比較差。本文根據現在國際上的電流諧波標準，對單級PFC電路在工業上能否被廣泛應用進行了分析。

1單級PFC電路的分析

圖1是單級PFC的通用結構。不像兩級PFC，單級PFC中使PFC級和DC/DC級共用一個開關，同時實現輸入電流波形的整形和輸出電壓的快速調節，輸入輸出的隔離。由于控制電路只負責調節輸出電壓，在穩態時占空比（D）幾乎是個恒定值，所以，單級PFC要求輸入電流能夠自動跟隨輸入電壓，圖2為單級PFC的輸入電壓、電流波形和占空比波形。

1.1儲能電容的比較

在單級PFC中，由于DC/DC級工作在CCM，占空比不隨負載變化。當負載變輕時，輸出功率減少，PFC級輸入功率Pin卻沒有這么快的變化。這樣，充入儲能電容的能量大于從儲能電容抽走的能量，導致儲能電容電壓上升，如果輸入具有較少的阻抗，VB會急劇上升以維持輸入功率和輸出功率的平衡。另外,單級PFC電路儲能電容上的電壓變化范圍比較大，在輸入電壓低的時候，儲能電容上的電壓比較低；在輸入電壓高的時候，儲能電容上的電壓比較高，因此，對于相同的輸出功率等級來說，單級PFC電路中所需的儲能電容比兩級PFC電路要大很多，儲能電容上的電壓應力也要大很多。從圖3中可以發現VB由輸入功率控制，而不受輸入電壓和輸出負載的控制。

1.2半導體器件的比較

在兩級PFC變換器中，PFC開關管承受PFC級的電流，DC/DC變換器的開關管承受DC/DC級的電流。而在單級PFC變換器中只使用了一個開關管，它要承受PFC級和DC/DC級的電流，這樣，單級PFC變換器中開關管要承受更高的電流應力。通過開關管的電流的大小決定了管子的損耗和尺寸。圖4給出了兩級PFC變換器和單級PFC變換器中電流大小的比較。另外，與兩級PFC電路相比，單級PFC電路中儲能電容上的電壓比較高，因此，單級PFC電路中管子上的電壓應力也比較高。

1.3磁芯元件的比較

在兩級PFC電路中的輸入電感主要是由輸入電流最大紋波和PFC級的占空比來決定的，而在單級PFC電路中主變壓器不僅是PFC電路的輸入電感，而且還用來儲存能量，因此，在相同的輸出功率下，單級PFC電路中的磁芯元件要承受更大的應力。

考慮到單級PFC電路中元器件的應力等問題，它的最大輸出功率就會受到限制。一般說來，單級PFC電路的最大輸出功率在100W左右。

2單級PFC電路實用性的分析

圖5給出了功率電子裝置的4種分類等級：A，B，C，和D。對于這4種不同的等級，分別有相應的各次諧波限制。現在對輸入電流諧波的要求越來越嚴格，IEC標準規定，輸出功率在75～600W的電子裝置都要滿足ClassD，對于這類設備不僅在滿載時要滿足ClassD，而且在輸入功率=75W時也要滿足ClassD；而對于照明裝置的要求更加嚴格，要求它滿足ClassC。

隨著人們對電力質量的關注越來越強，相關標準對電網輸入電流的諧波要求也越來越高了。以前規定，如果輸入電流波形的95％以上在圖6所示的方框內，那么這個輸入電流必須滿足ClassD；如果輸入電流波形不足95％以上在圖6所示的方框內時，只要滿足ClassA。而ClassA的要求比ClassD要低很多。因此，很多公司為了降低設計成本故意惡化輸入電流波形，讓其輸入電流波形不超過95％的部分在這個方框內，這樣只要滿足ClassA就可以了，但是，這樣的波形對電網的污染增加了。因此，為了減少對電網的污染，現在對輸入電流諧波要求的標準越來越高了，沒有圖6所示的方框了，對于75W<輸出功率<600W的電子裝置必須滿足ClassD。這樣，輸入電流波形比較差的產品就很難通過諧波標準。

就單級PFC電路而言，它的輸入電流波形和電路的效率成反比。這是因為單級PFC中的輸入電流波形與電壓、電流應力成正比。如果要求輸入電流波形比較好，那么就要選用應力高的管子，應力高的管子損耗比較大，電路的效率就降低了。而實際的產品不僅要求輸入電流能否滿足諧波標準，而且還要考慮電路的效率，因此，就目前單級PFC電路而言，它很難在工業上得到廣泛的應用。

3結語

現在對電網質量的要求越來越嚴格了，要求輸入電流的諧波含量低。而單級PFC電路只調節輸出電壓，輸入電流中諧波含量比較高，其元器件所承受的應力比兩級PFC中的大很多，因此，單級PFC電路很難在工業界得到廣泛應用。為了使單級PFC能夠在工業上得到廣泛使用，就必須改善輸入電流波形，降低電容應力及變壓器應力，管子的電流應力和電壓應力。