改进的单级功率因数校正AC/DC变换器的拓扑综述

典型的单级Boost PPFC变换器[1]如图6所示，电路在原带隔离变压器Boost拓扑结构中加入了D₁，S₅及C_b。电路工作时，当检测到输入功率（P_in）小于输出功率（P₀）时，S₅开通，C_b中的能量释放到输出，这部分能量为P₂。当输入功率（P_in）大于输出功率（P₀）时，S₅关断，通过控制S₁～S₄使多出的能量存入C_b。因此，电路的控制要实现三个功能，即输入电流控制，输出电压控制和电容电压控制。这种PPFC变换器的主要优点是效率高。由于这三个被控量之间存在耦合关系，所以，控制电路复杂，控制器设计困难；另外，开关管数目多，成本较高，这些都是该变换器的主要缺点。因此，它适用于较大功率场合而不适用于小功率场合。于是文献[6]提出了一种单级反激PPFC变换器，如图7所示。

图6 单级Boost PPFC变换器

图7 单级反激PPFC变换器

T₁，S，D₃，C_f，R_L构成电路的主支路，T₂及D₂组成电路的辅助支路。储能电容C_B通过D₁充电到输入电压的峰值电压作为辅助支路的输入电压。由于两个并联反激支路同时工作，使用二极管D₂和D₃来防止这两个支路之间产生循环电流。该变换器由输入电压V_in和储能电容C_B同时给负载提供能量。尽管输入电压V_in给负载提供大部分能量。但是，当输入电压很小时，负载的能量主要由储能电容C_B提供。两个变压器可以在DCM或CCM下工作。对于小功率应用，为了提高效率，两个变压器都工作在DCM下。主支路与辅助支路之间的功率分配决定输入电流的谐波含量，而变压器T₁及T₂的电感值决定功率分配。所以，通过正确的设计变压器T₁及T₂的电感值可以使输入电流的谐波含量满足IEC1000-3-2的要求。该变换器仅用一个有源开关和一个控制环就可快速地调节输出电压。

它的主要优点是结构简单、效率高、储能电容电压被箝位，电压值的大小等于输入电压的峰值，对功率开关管没有产生附加的电压应力。另外，在S开通时，由T₁直接传递大部分能量到负载，降低了开关管的电流应力，提高了变换器的效率。它的主要缺点是元件数目多，成本较高。

3.2 用变压器绕组实现负反馈的单级PFC变换器

用变压器绕组实现负反馈的单级PFC变换器[8]如图8所示。N₁为变压器耦合的绕组。

用变压器绕组N₁实现负反馈来抑制电容电压V_c。当S开通时，V_c加在变压器的初级绕组N_p，因此，绕组N₁上的电压同V_c成正比。只有当输入整流后的电压大于N₁上的电压时，电感L_B上才有电流；S关断时，L_B上的能量经过D₁释放到C_B。负载变化引起V_c变化，加在L_B上的电压立刻变化，从而改变了输入电流和输入功率，有效地抑制了V_c的增长。但N₁的加入降低了功率因数，增加了电流谐波含量。

在图8的A和B之间再增加一个绕组N₂[3][7]，如图9所示。加绕组N₂之后，在S关断时，加在电感L_B上的反向电压为V_c和N₂上的电压之和减去输入电压，减小了输入功率，从而进一步降低了V_c，同时，也提高了功率因数。N2的选取应该满足N₁＋N₂N_p。可见，增大N₁可以降低电容电压，提高效率，但同时降低了功率因数，增加了电流谐波含量。

图8 用变压器绕组实现负反馈的单级PFC变换器

如果要求更低限度地减小开关器件的电压、电流应力，那么在图8和图9中的二极管D₂和绕组N₁之间加入电感L_r，使输入电流工作在CCM下。L_r可以利用变压器漏感，也可以另外加一个电感[3]。

图9 用双绕组实现负反馈的单级PFC变换器

3.3 带低频辅助开关的单级PFC变换器[9]

用变压器附加绕组实现负反馈降低了电容电压，提高了效率。但同时降低了功率因数，增加了电流谐波含量。文献[9]针对这一不足提出了一种带低频辅助开关的单级PFC变换器，不仅有效地抑制了电容电压，提高了效率，同时还提高了功率因数，减少了电流谐波含量。

带低频辅助开关的CCM单级PFC变换器如图10所示，S为主开关，S_r为辅助开关。

图10 带低频辅助开关的CCM单级PFC变换器