一种新型单级功率因数校正(PFC)变换器
摘要:提出了一种新型的功率因数校正单元(flyback+boost单元).这种功率因数单元具有两种工作状态,反激变换器状态和boost电感状态.基于这种PFC单元,得到了一种新型的单级功率因数校正变换器,实验结果证明这种变换器不仅可以得到很高的功率因数,而且可以自动限制储能电容上的电压.
关键词:单级功率因数校正;flyback+boost单元;变换器

1 引言
为了减少对交流电网的谐波污染,国际上推出了一些限制电流谐波的标准,如IEC1000-3-2,它要求开关电源必须采取措施降低电流谐波含量.
为了使输入电流谐波满足要求,必须加入功率因数校正(PFC).目前应用得最广泛的是PFC级+DC/DC级的两级方案,它们有各自的开关器件和控制电路.这种方案能够获得很好的性能,但它的缺点是电路复杂,成本也高.
近年来,提出了很多单级功率因数校正AC/DC变换器[1-3],特别是在小功率应用场合.在单级PFC变换器中,PFC级和DC/DC级共用一个开关管和一套控制电路,同时实现对输入电流和输出电压的调节,它的优点是电路简单,成本低.然而,这些变换器也存在着不少缺点,如效率低,不适用于大功率应用,储能电容电压变化大等.这些缺点限制了单级PFC变换器的应用.
本文提出了一种新型的单级功率因数校正单元(flyback+boost单元).通过控制flyback+boost单元工作在不连续导电模式,使得输入电流自动跟随输入电压,实现功率因数校正,并且自动限制中间储能电容上的电压.基于这种单元,得到了一种新型的单级功率因数变换器.实验证明这是一种很好的单级PFC变换器.
2 基于flyback+boost单元的单级功率因数校正AC/DC变换器
2.1 flyback+boost单元的工作状态
本文提出的新型单级功率因数校正变换器如图1所示.
图1 带flyback+boost单元的单级PFC变换器
当工作在不连续导电模式(DCM)下,flyback+boost单元的工作状态可以概括为两种状态,即反激变换器状态和boost电感状态.
1)反激变换器状态当|vin(t)|<(vc1-n1Vo)〔式中vin(t)表示交流输入电压瞬时值,vc1表示中间储能电容的电压,n1表示变压器T1的变比〕期间,T1工作在一般的反激变换器状态.在一个开关周期内,当S1开通时,L1(表示T1的初级电感)经D5充电,储存能量;当S1关断时,由于|vin(t)|<(vc1-n1Vo),D6不能导通,储存在T1中的能量全部传递到输出端.可见,在|vin(t)|(vc1-n1Vo)期间,T1相当于一个boost电感.在一个开关周期内,当S1开通时,L1经D5充电储能;当S1关断时,由于|vin(t)|>(vc1-n1Vo),D6导通,储存在T1上的能量向C1充电,其工作方式与一般的boost电感型单级PFC变换器一样.
两个工作状态的工作波形如图2所示.
图2 flyback+boost单元的两个状态
这种新型的单级PFC变换器具有一个显著的优点,那就是能够自动限制中间储能电容上的电压.因为,当PFC单元处于反激变换器状态时,反激变换器副边反馈到原边的电压加上输入电压之和为(|vin(t)|+Vo·n1),只有当(|vin(t)|+Vo·n1)>vc1时,C1才会被充电,此时PFC单元进入boost电感状态,所以,储能电容上的电压最终被限制在(Vin(peak)+Vo·n1).
2.2 变换器的工作原理
因为PFC单元具有两种工作状态,以下将分别介绍在这两种工作状态下变换器的工作原理.
1)当PFC单元工作于反激变换器状态时,在一个开关周期内,变换器经历了三个工作状态,电路中主要电流波形如图3所示.
图3 Flyback状态电路中电流波形
状态1[t0,t1]S1导通,D5导通,D6,D7反向关断,流过L1的电流线性增加.同时D8导通,C1的能量通过T2释放.流过L1的电流为
iin(t)=(t-t0)(1)
式中:Vin(peak)为交流输入电压的峰值;
ω为交流输入电压的角频率.
状态2[t1,t2]在t1时刻,S1关断,D8关断,D9续流导通.D5关断,D6也关断.此时D7导通,储存在T1上的能量传递到输出端,直到t2时刻,T1的能量完全释放.

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