改進的單級功率因數校正AC/DC變換器的拓撲綜述 2

3.2 用變壓器繞組實現負反饋的單級PFC變換器
用變壓器繞組實現負反饋的單級PFC變換器[8]如圖8所示。N1為變壓器耦合的繞組。
用變壓器繞組N1實現負反饋來抑制電容電壓Vc。當S開通時，Vc加在變壓器的初級繞組Np，因此，繞組N1上的電壓同Vc成正比。只有當輸入整流后的電壓大于N1上的電壓時，電感LB上才有電流；S關斷時，LB上的能量經過D1釋放到CB。負載變化引起Vc變化，加在LB上的電壓立刻變化，從而改變了輸入電流和輸入功率，有效地抑制了Vc的增長。但N1的加入降低了功率因數，增加了電流諧波含量。
在圖8的A和B之間再增加一個繞組N2[3][7]，如圖9所示。加繞組N2之后，在S關斷時，加在電感LB上的反向電壓為Vc和N2上的電壓之和減去輸入電壓，減小了輸入功率，從而進一步降低了Vc，同時，也提高了功率因數。N2的選取應該滿足N1＋N2
圖8 用變壓器繞組實現負反饋的單級PFC變換器
如果要求更低限度地減小開關器件的電壓、電流應力，那么在圖8和圖9中的二極管D2和繞組N1之間加入電感Lr，使輸入電流工作在CCM下。Lr可以利用變壓器漏感，也可以另外加一個電感[3]。

圖9 用雙繞組實現負反饋的單級PFC變換器
3.3 帶低頻輔助開關的單級PFC變換器[9]
用變壓器附加繞組實現負反饋降低了電容電壓，提高了效率。但同時降低了功率因數，增加了電流諧波含量。文獻[9]針對這一不足提出了一種帶低頻輔助開關的單級PFC變換器，不僅有效地抑制了電容電壓，提高了效率，同時還提高了功率因數，減少了電流諧波含量。
帶低頻輔助開關的CCM單級PFC變換器如圖10所示，S為主開關，Sr為輔助開關。

圖10 帶低頻輔助開關的CCM單級PFC變換器
輔助開關Sr的驅動波形如圖11所示，當輸入電壓在零附近時，輔助開關Sr導通，使附加繞組N1短路，從而改善了輸入電流的波形，減少了輸入電流的諧波含量，提高了功率因數。
當輸入電壓大于某一值時，輔助開關管Sr關斷；其余的工作情況與圖8和圖9相似。輔助開關Sr在輸入電壓很小時才導通工作，其余時間不工作。因此，流過Sr的電流很小，Sr的功率損耗很小。由圖11知，輔助開關的工作頻率為交流電源頻率的兩倍。故在整個工作期間，Sr的開關損耗很小。另外，輔助開關Sr的控制電路也很簡單。由上述分析知，帶低頻輔助開關的單級PFC變換器減小了輸入電流的諧波含量；提高了功率因數和效率；降低了電容電壓。

圖11 輔助開關Sr的驅動波形
輔助開關Sr也可以放在其他位置，得到不同的拓撲結構，如圖12所示。圖12(a)所示的電路使L1旁路，也就是說，輸入電壓在零附近時，導通開關Sr，使L1短路，電路工作在DCM下，從而增加了輸入電流，這種方法不能消除輸入電流的死角。因此，與圖10的電路相比，圖12(a)的電路的輸入電流的畸變更大。Sr另外一種實現方式如圖12(b)所示，使L1和N1都旁路，也就是說，輸入電壓在零附近時，導通開關Sr，使L1和N1都短路。這種方法可以完全消除輸入電流的死角，提高功率因數。但是，與圖10的電路相比，圖12(b)電路中的儲能電容電壓更高。因為，圖12(b)電路有一小部分時間工作在DCM下。另外，該方法也可以應用在其他的DCM/CCM單級PFC變換器中，如圖13所示的帶低頻輔助開關的DCM單級PFC變換器。

(a) 使L1旁路

(b) 使L1和N1都旁路
圖12 Sr不同位置的實現方式

圖13 帶低頻輔助開關的DCM單級PFC變換器
3.4 帶有源箝位和軟開關的單級PFC變換器
單級隔離式PFC變換器與普通的DC/DC變換器相比有電壓、電流應力高，損耗大的缺點。因此，采用有源箝位和軟開關等先進技術來減小單級隔離式PFC變換器的開關損耗和電壓應力。
帶有源箝位和軟開關的單級隔離式PFC變換器[10]如圖14所示。S為主開關，Sa為輔助開關。Cc為箝位電容，CB為儲能電容，Cr為開關S和Sa的寄生電容以及電路中其他的寄生電容之和。Boost單元工作在DCM下，保證有高的功率因數；為避免DCM有較高的電流應力，Flyback設計為CCM。采用有源箝位和軟開關技術限制了開關的電壓應力，再生了儲存在變壓器漏感中的能量，為主開關和輔助開關提供了軟開關條件，減少了開關損耗，提高了變換器的效率。主開關與輔助開關用同一個控制/驅動電路，進一步提高了電路的實用性。

圖14 帶有源箝位和軟開關的單級隔離式PFC變換器
4 結語
單級PFC變換器由于具有電路簡單，成本低，功率密度高的優點，而在中小功率場合得到了廣泛的應用。通過分析單級PFC的拓撲結構，指出了它存在的一些問題，如儲能電容電壓隨輸入電壓和負載的變化而變化，在輸入高壓或輕載時，電容電壓可能達到上千伏；變換器的效率低；開關損耗大；有源開關的電壓、電流應力高。而對用變壓器繞組實現負反饋，用軟開關技術，用低頻輔助開關以及并聯PFC等方法來降低電容電壓，開關損耗，減少電流諧波含量和提高效率等問題進行了綜述，并分析了幾種改進拓撲的工作原理，比較了它們的優缺點。