单相有源功率因数校正技术的发展

本文对现有的功率因数校正技术进行了分析和总结。通过软开关技术以及新型高性能的电路拓扑设计,分析了提高AC-DC变换器的转换效率的技术。提出了无桥PFC电路是高性能功率因数校正电路研究的方向。

单相有源功率因数校正技术的发展

摘要：本文对现有的功率因数校正技术进行了分析和总结。通过技术以及新型高性能的拓扑设计，分析了提高AC-DC变换器的转换效率的技术。提出了无桥PFC电路是高性能功率因数校正电路研究的方向。

Abstract: A reviews of update power-factor-correction techniques is presented. The techniqueswith which to increase AC-DC conversion efficiencies are discussed by soft-switching and new high performance circuit topology designs.

1概述

大部分用电设备中，其工作直接取自交流电网。所以电网中会有许多装置、电磁设备和电子设备等非线性负载，使电网产生谐波电压和。而许多没有采取功率因数校正技术的AC-DC整流电路，输入电流波形呈尖脉冲状。因此，交流网侧功率因数只有0.5 0.7，电流的总谐波畸变（THD）很大，可超过100%（功率因数为0.999时，THD约为3%）。为了防止电网的谐波污染，或限制电子设备向电网发射谐波电流，国际上已经制定了许多电磁兼容标准，有IEEE519、IEC1000-3-2等[1]。因此，提高功率因数，减少谐波的含量也就是功率因数校正（PFC）成为领域中非常重要的研究方向。PFC根据相数的不同可以分为单相功率因数校正电路和三相功率因数校正电路。本文对单相功率因数校正电路的发展和现状作了简单的叙述，主要对中大功率场合和低压输入的功率因数校正电路进行分析和比较，并且展望了PFC技术的发展方向。

2 功率因数校正的现状

功率因数的校正主要有两种方法：无源功率因数校正和有源功率因数校正。无源功率因数校正利用线性电感器和器组成滤波器来提高功率因数、降低谐波分量。这种方法简单、经济，在小功率中可以取得好的效果。但是，在较大功率的供电中，大量的能量必须被这种滤波器储存和管理，因此需要大电感器和电容器，这样体积和重量就比较大也不太经济，而且功率因数的提高和谐波的抑制也不能达到理想的效果[2]。有源功率因数校正是使用所谓的有源电流控制功率因数的校正方法，可以迫使输入电流跟随供电的正弦电压变化[3]。这种功率因数校正有体积小、重量轻、功率因数可接近1等优点。本文主要针对有源功率因数校正进行论述。

有源功率因数校正电路（APFC）又分为双级APFC和单级APFC。单级功率因数校正电路将PFC预调节电路与DC-DC后调节电路集成为一次能量处理，同时实现输入电流整形和输出电压快速调节，具有结构简单、成本低、变换效率较高等优点。但是输入电流不能取得理想正弦，且只适用于小功率场合[4]。单级功率因数校正电路还存在一个非常严重的问题，其储能电容电压不可控，会随着输入电压和负载的变化而变化。如何降低储能电容电压是单级功率因数校正电路的一个研究热点。

双级功率因数校正中的PFC电路经过多年的研究，相对来说比较成熟，是比较常用的方式。它由两个相互独立的变换器分别实现输入电流的整形和输出电压的快速调节，前级PFC功率因数校正电路通常采用（非隔离）、/boost和（隔离）Flyback变换器。电流连续（CCM）boost电路由于电路拓扑的优势成为最常用的PFC电路。把诸如软开关技术等新技术应用于中大功率PFC电路中，是提高PFC转换效率、抑制谐波分量和EMI问题，提高PFC性能指标的一个发展方向。

本文对现有的功率因数校正技术进行了分析和总结。通过软开关技术以及新型高性能的电路拓扑设计,分析了提高AC-DC变换器的转换效率的技术。提出了无桥PFC电路是高性能功率因数校正电路研究的方向。

3 功率因数校正 近年来国内外对功率因数校正的研究在于如何改善中大功率电路的性能，主要集中在如何减少boost电路中的的反向恢复损耗和MOSFET 的开通损耗，从而提高转换效率和减少EMI（电磁干扰）。

由于boost电路是电路，输出总是比输入电压大，如果输入电压是90－265V则输出为380－400V。在高频PFC电路中，功率二极管用快恢复二极管，而快恢复二极管的一个重要参数是反向恢复特性。换句话说，快恢复二极管在正偏时流过，反偏时则需要加载一段时间的反偏电压才能恢复反向截止功能。在这段时间内，二极管流过反向恢复电流。图1是boost变换器电路图，图2是boost电路关键电压电流波形图。在图2中，VDS和is是上的电压和电流，iD是二极管上的电流，IIN是流过电感上的电流，R是反向恢复电流，IO是输出电流。从图中我们可以看到，反向恢复电流IRR对变换器的性能有不利的影响。首先，在开关S开通期间，由于IRR的存在，使得开关S的开通损耗和快恢复二极管的关断损耗增加了；其次，开关管S开通瞬间的电流iS＝IIN＋IRR，所以，IRR的存在使得开关管S的电流应力增加了；最后，IRR的存在还将影响电路的电磁兼容（EMC）性能。

如果boost电路工作在电流断续模式（DCM）或者电流临界模式（BCM）下，则可以

完

本文对现有的功率因数校正技术进行了分析和总结。通过软开关技术以及新型高性能的电路拓扑设计,分析了提高AC-DC变换器的转换效率的技术。提出了无桥PFC电路是高性能功率因数校正电路研究的方向。

全消除快恢复二极管的反向恢复电流。事实上，在DCM模式下，快恢复二极管实现了零电流关断。也就是说，在二极管关断之前电感电流已经减少至零了。但是，DCM boost PFC电路最大的缺点是电感电流有非常大的纹波，这将增加开关管和二极管的电流应力，同时将增大输入端滤波器的大小。所以，单相DCM boost变换器适用于小功率装置，一般小于300W。一个解决方案是用两个或更多个boost变换器的并联，每个变换器都工作在DCM或BCM下，每个变换器的开关有个相位移，如此将明显的减小电感电流的纹波，使其在保持零电流关断的优点下能够工作在更高功率的场合[5]。

为了减少CCM 变换器的反向恢复损耗和的开通损耗，要求boost变换器的开关实现“软”开通和“软”关断。相应地出现了许多boost变换器的理论。具有代表性的有两种技术：无源缓冲技术和有源缓冲技术。无源缓冲技术是利用R、电感L和C等来实现“软”开关。这种缓冲技术简单，但是却提高了器件的或应力，这就意味着要使用更高级、更昂贵的器件。有源缓冲技术利用有源器件实现零电压开关（ZVS）和零电流开关（ZCS）。国内外学者在这方面作了大量的研究，也出现了许多电路结构。

因为快恢复的反向恢复损耗与反向恢复电荷成正比，而减小二极管关断时电流下降的速率可以减少反向恢复电荷，从而可以减少反向恢复损耗。为了减小这个速率，通常的软开关boost变换器在原电路里增加一个缓冲电感，这个电感可以与S或二极管D，见图3和图4。也可以在开关管S的两端，见图6。图3中，当开关管S开通时，iD开始减小，由于缓冲电感的存在，iLS＝IIN－iD，输出电压VO和缓冲电感LS以及二极管D构成回路，则有： 。也就是说，二极管的电流的下降速率限制在－VO/LS。见图5。图5所示的波形是开关管和二极管上的电流波形，从图中可以看出，缓冲电感的加入使得二极管的电流的下降速率得以限制，从而可以减少反向恢复损耗。图4所示的电路图的原理也一样。图3和图4只画出软开关boost电路的一部分，其余电路有各种各样的拓扑结构，其中包括开关管关断时为缓冲电感电流提供的通道。在文献[6][7][8][9]里可以看到不同的拓扑都有一缓冲电感 …… 此处隐藏：6276字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……