单级功率因数校正电路实用性的分析

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摘要：针对电网对电源功率因数和谐波含量的要求，单级功率因数校正电路已经是电力电子领域的研究热点。对单级功率因数校正电路进行了分析，同时根据现在的输入电流的谐波标准，分析了单级功率因数校正电路的实用性。

    关键词：功率因数校正；单级功率因数校正；实用性

引言

为了减少谐波对交流电网的污染，国内外都制订了限制电流谐波的有关标准，因此，功率因数校正（PFC）技术已成为电力电子领域中的研究热点。随着电力质量标准的日益严格，PFC变换器被越来越多地应用于开关电源、变频调速器和荧光灯交流电子镇流器中。近几年来，随着相关技术和各种控制策略的发展，PFC技术已得到大量研究。PFC电路根据工作方式可分为两大类，即无源PFC电路和有源PFC电路。有源PFC电路根据变换级数可以分为单级PFC电路和多级PFC电路。近年来，单级PFC电路得到广泛的关注，对它的研究也越来越热了，但是，在工业上它还没有得到广泛应用。
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    通常，通过以下几个方面来判断一个功率因数校正拓扑的优劣：

--功率因数的高低；

--输入电流波形畸变的大小；

--效率和功率密度的高低；

--开关管应力的大小。

    单级功率因数校正将PFC级和DC/DC级组合在一起，同时实现对输入电流的整形和对输出电压的调节，但与两级方案相比，它只调节输出电压，保证输出电压的稳定，而对输入电流没有进行调节，让输入电流自动跟踪输入电压，因此，单级PFC电路的效果比较差。本文根据现在国际上的电流谐波标准，对单级PFC电路在工业上能否被广泛应用进行了分析。
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1 单级PFC电路的分析

图1是单级PFC的通用结构。不像两级PFC，单级PFC中使PFC级和DC/DC级共用一个开关，同时实现输入电流波形的整形和输出电压的快速调节，输入输出的隔离。由于控制电路只负责调节输出电压，在稳态时占空比（D）几乎是个恒定值，所以，单级PFC要求输入电流能够自动跟随输入电压，图2为单级PFC的输入电压、电流波形和占空比波形。

1.1 储能电容的比较

在单级PFC中，由于DC/DC级工作在CCM，占空比不随负载变化。当负载变轻时，输出功率减少，PFC级输入功率Pin却没有这么快的变化。这样，充入储能电容的能量大于从储能电容抽走的能量，导致储能电容电压上升，如果输入具有较少的阻抗，VB会急剧上升以维持输入功率和输出功率的平衡。另外,单级PFC电路储能电容上的电压变化范围比较大，在输入电压低的时候，储能电容上的电压比较低；在输入电压高的时候，储能电容上的电压比较高，因此，对于相同的输出功率等级来说，单级PFC电路中所需的储能电容比两级PFC电路要大很多，储能电容上的电压应力也要大很多。从图3中可以发现VB由输入功率控制，而不受输入电压和输出负载的控制。
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    1.2 半导体器件的比较

在两级PFC变换器中，PFC开关管承受PFC级的电流，DC/DC变换器的开关管承受DC/DC级的电流。而在单级PFC变换器中只使用了一个开关管，它要承受PFC级和DC/DC级的电流，这样，单级PFC变换器中开关管要承受更高的电流应力。通过开关管的电流的大小决定了管子的损耗和尺寸。图4给出了两级PFC变换器和单级PFC变换器中电流大小的比较。另外，与两级PFC电路相比，单级PFC电路中储能电容上的电压比较高，因此，单级PFC电路中管子上的电压应力也比较高。

1.3 磁芯元件的比较

在两级PFC电路中的输入电感主要是由输入电流最大纹波和PFC级的占空比来决定的，而在单级PFC电路中主变压器不仅是PFC电路的输入电感，而且还用来储存能量，因此，在相同的输出功率下，单级PFC电路中的磁芯元件要承受更大的应力。
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    考虑到单级PFC电路中元器件的应力等问题，它的最大输出功率就会受到限制。一般说来，单级PFC电路的最大输出功率在100W左右。

2 单级PFC电路实用性的分析

图5给出了功率电子装置的4种分类等级：A，B，C，和D。对于这4种不同的等级，分别有相应的各次谐波限制。现在对输入电流谐波的要求越来越严格，IEC标准规定，输出功率在75～600W的电子装置都要满足ClassD，对于这类设备不仅在满载时要满足ClassD，而且在输入功率=75W时也要满足ClassD；而对于照明装置的要求更加严格，要求它满足ClassC。
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    随着人们对电力质量的关注越来越强，相关标准对电网输入电流的谐波要求也越来越高了。以前规定，如果输入电流波形的95％以上在图6所示的方框内，那么这个输入电流必须满足ClassD；如果输入电流波形不足95％以上在图6所示的方框内时，只要满足ClassA。而ClassA的要求比ClassD要低很多。因此，很多公司为了降低设计成本故意恶化输入电流波形，让其输入电流波形不超过95％的部分在这个方框内，这样只要满足ClassA就可以了，但是，这样的波形对电网的污染增加了。因此，为了减少对电网的污染，现在对输入电流谐波要求的标准越来越高了，没有图6所示的方框了，对于75W<输出功率<600W的电子装置必须满足ClassD。这样，输入电流波形比较差的产品就很难通过谐波标准。

就单级PFC电路而言，它的输入电流波形和电路的效率成反比。这是因为单级PFC中的输入电流波形与电压、电流应力成正比。如果要求输入电流波形比较好，那么就要选用应力高的管子，应力高的管子损耗比较大，电路的效率就降低了。而实际的产品不仅要求输入电流能否满足谐波标准，而且还要考虑电路的效率，因此，就目前单级PFC电路而言，它很难在工业上得到广泛的应用。
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3 结语

现在对电网质量的要求越来越严格了，要求输入电流的谐波含量低。而单级PFC电路只调节输出电压，输入电流中谐波含量比较高，其元器件所承受的应力比两级PFC中的大很多，因此，单级PFC电路很难在工业界得到广泛应用。为了使单级PFC能够在工业上得到广泛使用，就必须改善输入电流波形，降低电容应力及变压器应力，管子的电流应力和电压应力。