一种高功率因数反激AC/DC变换器
Abstract：The reasons of low power factor in the electronic and power equipments are simply analyzed in this paper. A high frequency charge pump power-factor-correction(PFC) AC/DC converter is proposed. The principle of the circuit are discussed. The chip of TDA16846 was simply introduced. The simulation and experimental results show that unity power factor and low THD can be achieved, which proves that the performance of the converter is excellent.
Keyword：electronics Power;Power-Factor-Correction;charge pump;
一. 引言
近二十年来电力电子技术得到了飞速发展，已广泛应用到电力、冶金化工、煤炭、通讯、家电等领域。然而随着电力电子装置的日益普及，电力电子装置把大量的谐波注入电网，给电力系统带来了严重的谐波污染，对电网的安全运行构成了严重的威胁。这个问题引起了社会的广泛关注，提出了一系列的谐波限制标准，如IEC 555-2、IEEE 519、IEC 1000-3-2等，对电力电子和电气设备的电流谐波进行限制[1]。
导致电力电子装置谐波增大和功率因数降低的主要原因是装置常采用了整流和大电容滤波电路，只有当电源电压高于滤波电容电压时，整流二极管才能导通，因此网侧输入电流为高充电尖峰的脉冲波，如图1中Im所示，因而造成网侧输入电流谐波含量大，功率因数低。如果在整流二极管和大滤波电容之间加一个PFC电路，如方块图2所示。该电路在输入电压过零点时，输出达到最大值，在输入电压达到峰值时，输出最小值;而电流
为一整流的正弦波形，其输出特性如图3所示(
是电网经桥式整流电路获得的正弦双半波电压，
是PFC电路的输出电压)。这样就可以改善网侧输入电流波形，使其如图1中Imp的波形所示，达到提高功率因数的目的。
图1 PFC校正前后的电流波形
常用的功率因数校正采用两级方案。第一级是PFC级，通常采用Boost变换器，PFC级强迫线电流跟随线电压，实现高功率因数;第二级是功率变换器，对输出电压进行调节。该方案可以实现高性能功率因数和快速输出电压调节功能，并且相对成熟，适用于各种功率应用，但是该电路的缺点是电路结构复杂、元器件多、成本高、效率低。为了克服这些缺点，近些年来提出了单级功率因数校正方案。PFC级和第二级共用一个开关管，这样就可以减少开关管和控制电路的数量，降低了电路成本，减小了重量和体积，也提高了效率。
图2 PFC变换器方块图
图3 PFC电路的特性
本文提出一种高频电荷泵电路和反激变换器相结合的PFC电路，该电路结构简单，成本低，控制方便，能有效地消除谐波，在中小功率电力电子设备中有很广阔的应用前景。
二.高频电荷泵电路的提出及电路工作原理
经过理论考察和实验验证[2 ]，谐振电路具有类似图3的输出特性。在本电路设计中，利用由电感
、电容
和二极管
构成的电荷泵电路实现图2中的PFC电路功能，后级的功率变换器采用反激变换器，两级共用一个开关管，电路如图4所示。由于开关频率远高于输入整流电压
和母线电压
的频率，所以在每个开关周期内，
和
的值可视为常数[3]。电路工作电压和电流波形如图5所示，电路的工作过程可分为6个模态，图6是各模态的等效电路图。电路具体分析如下：
图4 单级单开关基本模型
图5电路的各点电压和电流的波形
模态1
在
时刻，开关S导通，直流母线电压
加到变压器的原边，原变电感电流
线性上升。由于m点电压
小于
，二极管
不能导通，
、
形成串联谐振从电网吸收能量，其等效电路如图6(a)所示。到
时刻，电压
达到
，此模态结束。
模态2
当电压
上升到
，二极管
自然导通，电感
存储的能量存储到大电容
中。由于整流输入电压
小于
，电流
逐渐下降。在此模态中，由于
被钳位于
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