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单级功率因数校正开关电源




关键词:

  1、 引言

  为减少办公自动化设备、计算机和家用电器等内部开关电源对电网的污染,国际电工委员会和一些国家与地区推出了IEC1000-3-2和EN61000-3-2等标准,对电流谐波作出了限量规定。为满足输入电流谐波限制要求,最有效的技术手段就有源功率因数校正(有源PFC)。

  目前被广为采用的有源PFC技术是两级方案,即有源PFC升压变换器+DC-DC变换器,如图1所示。

  两级PFC变换器使用两个开关(通常为MOSFET)和两个控制器,即一个功率因数控制器和一个PWM控制器。只有在采用PFC/PWM组合控制器IC时,才能使用一个控制器,但仍需用两个开关。两级PFC在技术上十分成熟,早已获得广泛应用,但该方案存在电路拓扑复杂和成本较高等缺点。

  单级PFC AC-DC变换器中的PFC级和DC-DC级共用一个开关管和采用PWM方式的一套控制电路,同时实现功率因数校正和对输出电压的调节。

  2、 单级PFC变换器基本电路拓扑

  2.1单级PFC变换器基本电路

  单级PFC变换器通常由升压型PFC级和DC-DC变换器组合而成。其中的DC-DC变换器又分为正激式和反激式两种类型。图2所示为基本的单级隔离型正激式升压PFC电路。两部分电路共用一个开关(Q1),通过二极管D1的电流为储能电容C1充电,D2在Q1关断时防止电流倒流。通过控制Q1的通断,电路同时完成对AC输入电流的整形和对输出电压的调节。

  由于全波桥式整流电路输入连接AC供电线路,瞬时输入功率是随时变化的,欲得到稳定的功率输出,要依靠储能电容实现功率平衡。对于DC-DC变换器,通常在连续模式(CCM)下工作,占空因数不随负载变化。而全桥整流输出电压与负载大小无关,当负载减轻时,输出功率减小,但PFC级输入功率同重载时一样,使充入C1的能量等于从C1抽取的能量,引起直流总线电压明显上升,C1上的电压应力往往达1000V以上,对开关器件的耐压要求非常高。由于开关器件的电压高,电流应力大,开关损耗大,并且功率从输入到输出要经两次变换,故效率低。

  2.2改进型单级PFC变换器电路

  为降低储能电容上的高压和变换器效率,必须对图2所示的单级PFC基本电路拓扑进行改进。

  一种用变压器双线组实现负反馈的单级PFC变换器电路如图3所示。N1和N2绕组为变压器T1的耦合绕组。

  当开关Q1导通时,电压VC1施加到T1初级绕组。当经整的电压大于N1上的电压时,升压电感器L1上才会有电流通过。当Q1截止时,加在L1上的反向电压为VC1与N2上的电压VN2之和减去输入电压。N1和N2两个耦合线圈的加入,提供了负反馈电压,减轻了C1上的电压应力,提高了效率。但是,加入N1和N2后,会降低功率因数,增加电流谐波含量。如果在D2与N1之间加入一个电感,使输入电流工作在CCM,C1上的电压还可以降低。在图3中。要求N1+N2。

  图4示出了带低频辅助开关的CCM单级PFC变换器电路。Q1为主开关,Q2为辅助开关。在输入电流过零附近,Q2导通,使附加绕组N1短路,当输入电压大于某一值时,Q2关断。由于Q2在输入电压很小时才会导通,其余的时间阻断,流过Q2的电流很小,Q2的功率损耗也就很小。这种电路拓扑与图3电路比较,减小了输入电流的谐波含量,提高了功率因数和效率,降低了电容(C1)上的电压。

  图5所示为带有源钳位和软开关的单级隔离式PFC变换器电路。图中,Q1为主开关,Q2为 开关,C1为储能开关,C2为钳位电容,Cr为Q1、Q2和电路中寄生电容之和。电路的升压级工作在DCM,从而保证有较高的功率因数。反激式变换器级设计工作在CCM,从而避免了产生较高的电流应力。电路采用有源钳位和软开关技术来限制开关MOSFET的电压应力。存储在变压器漏感中的再生能量,为主开关Q1和辅助开关Q2提供了软开关条件,从而减少了开关损耗,提高了变换器效率。Q1和Q2采用同一控制电路和驱动电路,从而使拓扑结构简化。

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