1、單級PFC變換器的功率因數(shù)校正效果的研究 李廣全，王志強(qiáng) (華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣東 廣州 510640） 1 前言 為了使開關(guān)電源的輸入電流諧波滿足要求，必須加入功率因數(shù)校正（PFC）。目前應(yīng)用得最廣泛的是PFC級DC/DC級的兩級方案，它們有各自的開關(guān)器件和控制電路。這種方案能夠獲得很好的性能，但它的缺點(diǎn)是電路復(fù)雜，成本高。 近年來，提出了很多單級功率因數(shù)校正AC/DC變換器1，特別是在小功率應(yīng)用場合。在單級PFC變換器中，PFC級和DC/DC級共用一個開關(guān)管和一套控制電路，同時實(shí)現(xiàn)對輸入電流和輸出電壓的調(diào)節(jié)，它的優(yōu)點(diǎn)是電路簡單，成本低。 本文分析了單級PFC變換器進(jìn)行功率因數(shù)校正的效果

2、，并分析了輸入電流的畸變，得出了變換器的功率因數(shù)表達(dá)式，仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了理論分析的正確性。 2 功率因數(shù)校正的效果 如圖1所示，單級功率因數(shù)校正變換器通常由Boost變換器和DC/DC變換器組成1,2。電路的主要電流波形如圖2所示。 2.1 電路的工作原理 因?yàn)椋_關(guān)頻率遠(yuǎn)大于交流輸入電源的頻率，所以，假設(shè)在一個開關(guān)周期內(nèi)，vAC為恒定值。 圖1 單級PFC變換器 圖中：vAC為交流輸入電源； L1為Boost電感； C1為中間儲能電容； RL為變換器負(fù)載。 圖2 電路的主要電流波形 圖中：ugs為開關(guān)管S的控制信號； Ts為開關(guān)周期； D為占空比。 在一個開關(guān)周期內(nèi)，電路的工作過程如下。

3、 狀態(tài)1t0t1 S，D2和D3導(dǎo)通，D1和D4截止，電源vAC向電感L1充電，流過電感L1上的電流線性增長，C1經(jīng)T1向Lo，Co和RL放電。S在t1時刻截止，電感L1上的電流為最大值： iL1,P=DTs （1） iD1=0，iD2=iL1 （2） 狀態(tài)2t1t2 S，D2和D3截止，D1和D4導(dǎo)通，vAC和L1通過D1給C1充電，負(fù)載RL兩端電壓由Lo和Co的儲能維持。在t2時刻，L1中的能量完全釋放，電流為零。在這期間 iL1=iL1,P(tDTs) （3） iD1=iL1，iD2=0 （4） 狀態(tài)3t2(t0Ts) S，D2和D3截止，由于D1的存在，L1上的電流不能反向，因此為零，

4、即D1也截止，D4仍導(dǎo)通，負(fù)載RL兩端電壓由Lo和Co儲能維持。 2.2 輸入電流分析 在狀態(tài)1和2期間，Boost電感中的能量完全釋放，根據(jù)磁通守恒原理有 |vAC|DTs=(VC1|vAC|)D21Ts （5） 可以得到 D21=D （6） 所以，在一個開關(guān)周期內(nèi)，平均輸入電流為 iL1(avg)=（iL1,PDiL1,PD21）=D2Ts （7） 設(shè)|vAC|=|VINsin(t)|，其中VIN為輸入電壓的峰值。所以 iL1(avg)=k （8） 式中：k=； =。 在單級PFC變換器中，輸入電流在固定占空比下被分解為三角脈沖波，電流峰值將自動跟隨輸入電壓。但是，這種通過電壓跟隨方式取得

5、的電流波形并非理想的正弦波。由于Boost電感的放電時間受到VC1的影響，因此，平均輸入電流呈現(xiàn)一定程度的畸變2。由式（8）可知，平均輸入電流與之間有一個固定的關(guān)系，如圖3所示。 圖3 平均輸入電流的波形 2.3 功率因數(shù)表達(dá)式 輸入電流有效值為 iL1(rms)= （9） 令z=，則有 iL1(rms)=k （10） 變換器的平均輸入功率為 PIN=|vAC|iL1(avg)dt=VINk=y (11) 式中：y= 變換器的功率因數(shù)可表示為 PF= （12） 式中：Vrms=。 由式（12）可知，變換器的功率因數(shù)與也存在一個固定的關(guān)系。 3 仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果 為了驗(yàn)證理論分析結(jié)果，進(jìn)行了仿真與實(shí)驗(yàn)。電路參數(shù)為：vAC=200sintV，L1=0.103mH，C1=270F，變換器的開關(guān)頻率120kHz。當(dāng)負(fù)載變化的時候，儲能電容C1（a）=0.7時輸入電壓與電流波形 （b）=0.9時輸入電壓與電流波形 圖4仿真波形圖 為了進(jìn)一步驗(yàn)證，搭建了實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停瑢?shí)驗(yàn)波形如圖5所示。可見仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析是相符的。 （a） =0.7時平均輸入電流波形 （b） =0.9時平均輸入電流波形 圖5 實(shí)驗(yàn)波形 4 結(jié)語 通過對單級功率因數(shù)校正變換器的工作原理及功率因數(shù)校正效果的分析。說明在單級PFC變換器中，Boost電感工作在不連續(xù)導(dǎo)電模式下，