单极隔离式功率因数校正（PFC）变换器
1引言
现代开关电源的主要发展趋向之一是提高AC/DC变换器输入端功率因数，减少对电网的谐波污染。传统的AC/DC开关变换器输入端是二极管整流—电容滤波组合电路，其输入端电流波形呈脉冲状，交流网侧功率因数只有06～07，电流的总谐波畸变THD(TotalHarmonicDistortion)达到100％。(功率因数为0999时，THD约为3％)。因此进行网侧功率因数校正成为目前研究的热点之一。 目前研究和应用得最多的隔离式高功率因数变换器要用两级DC/DC开关变换器串联，成本增加15％～20％。这种电路的最大缺点是需多个元器件，成本高，效率低，尤其在中小功率场合应用时，很不经济。对于小功率AC/DC变换器，现在国内外正在研究开发单级高功率因数电路，功率因数可达09，而成本只增加5％。因而研究单级功率因数校正及变换技术已成为很迫切的要求。 为了减小PFC变换器的尺寸，降低成本，研究人员尝试把PFC和隔离式DC/DC变换集成为单个功率级，同时完成输入功率因数为1和输出电压恒定的功能。
2单级隔离式变换器的结构图
单级隔离式PFC变换器的功率流图如图1所示，而传统的两级变换的隔离式PFC电路的功率流图如图2所示。
图1单级式PFC变换器结构图 图2两级式PFC变换器结构图 图3基本BOOST单级隔离式PFC变换器 图4带有再生钳位的BOOST反激型单级隔离式PFC变换器 图5带有源钳位和软开关的BOOST反激型单级 图6单级充电激励式PFC变换器
比较图1和图2，单级隔离式变换器通过控制开关的通断，电路同时满足了输入侧高功率因数和输出侧电压的稳定与快速调节。PFC单元与DC/DC变换单元的开关由同一个PWM控制信号控制，而两级变换器的控制电路相互独立。
3单级隔离式PFC变换器的分类及特点 单级隔离式PFC变换器大体分为串联式和并联式两种。下面具体介绍各种类型的典型变换器。 31串联式单级隔离式PFC变换器 图3是由BOOST型PFC电路与单开关反激变换器组合而成的最基本的单级隔离式PFC变换器拓扑。它与普通的DC/DC变换器相比，有电压应力较高，损失较多的缺点。因此，人们研制出应用各种软开关技术，减少开关损耗及开关应力的各类新型单级PFC变换器，效率高，而电路拓扑又十分简单。详述如下。
（1）带有再生钳位的BOOST反激型单级隔离式PFC变换器 与最基本的单级隔离式PFC变换器相比，图4所示的带有再生钳位的BOOST反激型单级隔离式PFC变换器只增加了再生钳位电容Cc和二极管Dd两个元器件来构成钳位电路。Cc用来钳位开关上电压，Dd用来阻止Lk,Lp,Ce,L和Cc在开关S关断时谐振。钳位电路虽然简单，但它有效地减小了开关应力(钳位在Vc＋nV0上)，通过Cc与漏感Lk的谐振再生了贮存在变压器漏感中的能量，免去了损耗能量的缓冲电路。而且，变换器的功率因数可高于099，而普通的单级PFC变换器在相同条件下仅为098左右。THD比加缓冲电路时降低9％左右。但这种变换器的开关在闭合时应力较大，不是零电压下关断。
（2）带有源钳位和软开关的BOOST反激型单级隔离式PFC变换器 电路拓扑如图5所示，S1为主开关，S2为有源钳位辅助开关，电路可看为BOOST单元与反激单元的串联组合。两个单元共用一个主开关S1。Cr代表开关S1和S2的总寄生电容，Lk代表变压器的漏感，Cr、Lk形成串联谐振电路，实现S1的软开关，Cc和S2构成有源钳位电路，限制开关上的谐振电压。 这种电路可再生变压器漏感中的能量，减小电压应力，与前面提到的再生钳位电路类似，但它又增加了一个辅助开关，实现了零电压开关，而主开关和辅助开关用同一个控制/驱动电路。控制电路与没有有源钳位电路的控制电路相同，能够采用常用的PWM控制芯片来设计。目前带有源钳位和软开关的单级隔离式PFC变换器广泛应用于各种小功率场合。
（3）单级充电激励式PFC变换器 这种变换器没有用BOOST或其它变换器作为PFC单元，仅用两个电容来实现PFC。充电激励式PFC单元由谐振电感Lr，充电电容Ca及Cs,输出整流管Dx和钳位二极管Ds组成。如图6所示。
简单工作原理如下：开关S闭合，电容CB上的能量传递给变压器的初级绕组，Dx由于加反压而截止，Lr、Ca和Cs形成串联谐振从电源吸收能量。这期间，开关不仅承受PFC级的电流，而且还承受DC/DC级的电流。当Vm达到母线电压VB，Dx开始导通，Lr上贮存的能量传送给CB，由于Vm被钳位到母线电压，所以谐振电容电压不变，也就没有电流流过谐振电容，这时开关仅承受来自DC/DC级的电流。开关断开，Ca及Cs放电，Ca全部放电时，Ds导通，Ca和Cs贮存的能量送给磁化电感，Df开始导通，磁场能量传送给负载，磁化电流降为零后，Df截止，反向电压Vcs加到Dx上，Df截止，然后又开始下一个开关周期。
图7全桥式单级PFC变换器 图8两级并联PFC结构图 图9并联式单级PFC结构图 开关S在Vm被钳位到母线电压时，来自PFC单元的电流为零，开关电流仅来自DC/DC单元。因此，电流应力很小，与DC/DC变换器的基本相同。换句话说，也就是PFC单元不增加动作和开关损耗，变换器有较高的功率变换效率。这是这种变换器的主要优点。同时，这种变换器可在满载的05％到满载情况下最高贮能电容电压应力仍低于一般单级隔离式PFC变换器中的贮能电容电压，而且在负载的05％情况下还能调节输出电压，这可应用在某些特殊场合。
(4)全桥式单级PFC变换器 图7给出了ZVS(零电压开关)、全桥式单级PFC变换器。它在一般的全桥式PFC变换器中加入了含一个开关的辅助电路来实现ZVS，且ZVS可在大的负载范围内实现，同时有小的电压、电流应力，开关损耗几乎为零，EMI噪声很低。次级部分的整流二极管在ZCS(零电流开关)和ZVS下动作，初级有源器件在ZVS下动作。这个特点很重要是因为在高电压、高频率开关电源的开关损失中，主要的损失是由二级管反向恢复损失产生的，而不是有源器件。这种变换器可应用在较高功率场合。然而，它也存在着电路拓扑复杂，需要器件较多，增加费用的缺点，而且辅助开关的峰值电流应力比主开关的要高，但是有效电流应力低。 还有一些具有低谐波失真及软开关特性的单级PFC变换器，其拓扑大多较为复杂，在此不多叙述。 32并联式单级PFC变换器 所谓单相两级并联PFC就是为同时能获得单位输入功率因数并调节输出电压，大约68％的平均输入功率(P1)可通过一个功率变换级送到输出端，仅有剩下的32％的功率(P2)需要处理两次。功率流图见图8。 新型的并联式单级PFC变换只有一个功率变换级，同时处理输入功率(P1)和余下的32％功率(P2)。功率流图见图9。 下面给出一种并联式单级BOOST型PFC变换器，如图10所示。与串联式单级PFC变换器相比，它具有较高的变换效率，但是电路复杂。因此，近年来研究、应用较多的大多是电路简单的串联式单级PFC变换器。
4控制方案 单级隔离式PFC变换器的优点之一就是控制简单，仅用一个电路即可。目前单级PFC变换器的控制方法有电压反馈单环控制；也有用电流峰值控制的，它比电压反馈控制多了一个电流环，除了保持输出电压稳定还可控制电感电流，但这种控制方法需斜率补偿，对噪声敏感；另外，还有用平均电流控制法，例如前面提到的全桥式单级PFC变换器，平均电流控制法具有电路稳定性能好，电压输入范围宽，无需斜率补偿，测量精度高和适用的功率范围宽等优点。单级隔离式PFC变换器的主要特点之一就是成本低，因此，人们应用较多的还是电压反馈单环控制或电流峰值控制法，平均电流控制法虽然性能好，但费用高，背离了设计单级PFC变换器的初衷，所以仅用在少数功率较高的场合。
图10并联式单级BOOST型PFC变换器 5小结
本文总结了几种各具特色的单级隔离式PFC变换器，并在此基础上讨论了控制方案。单级功率因数校正及变换技术这门20世纪90年代发展起来的高效、低成本和实用的新技术，已广泛应用于小功率的家用电器，充电电池和计算机电源等场合。今后，各种单级隔离式PFC变换技术必将得到进一步的深入研究，并在小功率开关电源领域获得广泛的应用。
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