单级PFC变换器的功率因数校正效果的研究

1 前言

为了使开关电源的输入电流谐波满足要求，必须加入功率因数校正（PFC）。目前应用得最广泛的是PFC级＋DC/DC级的两级方案，它们有各自的开关器件和控制电路。这种方案能够获得很好的性能，但它的缺点是电路复杂，成本高。

近年来，提出了很多单级功率因数校正AC/DC变换器^[1]，特别是在小功率应用场合。在单级PFC变换器中，PFC级和DC/DC级共用一个开关管和一套控制电路，同时实现对输入电流和输出电压的调节，它的优点是电路简单，成本低。

本文分析了单级PFC变换器进行功率因数校正的效果，并分析了输入电流的畸变，得出了变换器的功率因数表达式，仿真与实验结果证明了理论分析的正确性。

2 功率因数校正的效果

如图1所示，单级功率因数校正变换器通常由Boost变换器和DC/DC变换器组成^[1,2]。电路的主要电流波形如图2所示。

2.1 电路的工作原理

因为，开关频率远大于交流输入电源的频率，所以，假设在一个开关周期内，v_AC为恒定值。

图1 单级PFC变换器

图中：v_AC为交流输入电源；

L₁为Boost电感；

C₁为中间储能电容；

R_L为变换器负载。

图2 电路的主要电流波形

图中：u_gs为开关管S的控制信号；

T_s为开关周期；

D为占空比。

在一个开关周期内，电路的工作过程如下。

状态1[t₀－t₁] S，D₂和D₃导通，D₁和D₄截止，电源v_AC向电感L₁充电，流过电感L₁上的电流线性增长，C₁经T₁向L_o，C_o和R_L放电。S在t₁时刻截止，电感L₁上的电流为最大值：

i_L1,P=DT_s （1）

i_D1=0，i_D2=i_L1 （2）

状态2[t₁－t₂] S，D₂和D₃截止，D₁和D₄导通，v_AC和L₁通过D₁给C₁充电，负载R_L两端电压由L_o和C_o的储能维持。在t₂时刻，L₁中的能量完全释放，电流为零。在这期间

i_L1=i_L1,P－(t－DT_s) （3）

i_D1=i_L1，i_D2=0 （4）

状态3[t₂－(t₀＋T_s)] S，D₂和D₃截止，由于D₁的存在，L₁上的电流不能反向，因此为零，即D₁也截止，D₄仍导通，负载R_L两端电压由L_o和C_o储能维持。

2.2 输入电流分析

在状态1和2期间，Boost电感中的能量完全释放，根据磁通守恒原理有

|v_AC|DT_s=(V_C1－|v_AC|)D₂₁T_s （5）

可以得到