單相有源功率因數(shù)校正技術(shù)的發(fā)展

1、單相有源功率因數(shù)校正技術(shù)的發(fā)展The Development of Single-Phone,Active Power-Factor-correction Technique汪晶慧 林維明 鄒劍華（福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福州 350002）摘要：本文對(duì)現(xiàn)有的功率因數(shù)校正技術(shù)進(jìn)行了分析和總結(jié)。通過(guò)軟開關(guān)技術(shù)以及新型高性能的電路拓?fù)湓O(shè)計(jì)，分析了提高AC-DC變換器的轉(zhuǎn)換效率的技術(shù)。提出了無(wú)橋PFC電路是高性能功率因數(shù)校正電路研究的方向。Abstract: A reviews of update power-factor-correction techniques is presented.

2、 The techniqueswith which to increase AC-DC conversion efficiencies are discussed by soft-switching and new high performance circuit topology designs.1概述大部分用電設(shè)備中，其工作電壓直接取自交流電網(wǎng)。所以電網(wǎng)中會(huì)有許多電力電子裝置、電磁設(shè)備和電子設(shè)備等非線性負(fù)載，使電網(wǎng)產(chǎn)生諧波電壓和電流。而許多沒(méi)有采取功率因數(shù)校正技術(shù)的AC-DC整流電路，輸入電流波形呈尖脈沖狀。因此，交流網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)只有0.50.7，電流的總諧波畸變（THD）很大，可超過(guò)10

3、0%（功率因數(shù)為0.999時(shí)，THD約為3%）。為了防止電網(wǎng)的諧波污染，或限制電子設(shè)備向電網(wǎng)發(fā)射諧波電流，國(guó)際上已經(jīng)制定了許多電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)，有IEEE519、IEC1000-3-2等1。因此，提高功率因數(shù)，減少諧波的含量也就是功率因數(shù)校正（PFC）成為開關(guān)電源領(lǐng)域中非常重要的研究方向。PFC根據(jù)相數(shù)的不同可以分為單相功率因數(shù)校正電路和三相功率因數(shù)校正電路。本文對(duì)單相功率因數(shù)校正電路的發(fā)展和現(xiàn)狀作了簡(jiǎn)單的敘述，主要對(duì)中大功率場(chǎng)合和低壓輸入的功率因數(shù)校正電路進(jìn)行分析和比較，并且展望了PFC技術(shù)的發(fā)展方向。2 功率因數(shù)校正的現(xiàn)狀功率因數(shù)的校正主要有兩種方法：無(wú)源功率因數(shù)校正和有源功率因數(shù)校正。無(wú)源功

4、率因數(shù)校正利用線性電感器和電容器組成濾波器來(lái)提高功率因數(shù)、降低諧波分量。這種方法簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)，在小功率中可以取得好的效果。但是，在較大功率的供電電源中，大量的能量必須被這種濾波器儲(chǔ)存和管理，因此需要大電感器和電容器，這樣體積和重量就比較大也不太經(jīng)濟(jì)，而且功率因數(shù)的提高和諧波的抑制也不能達(dá)到理想的效果2。有源功率因數(shù)校正是使用所謂的有源電流控制功率因數(shù)的校正方法，可以迫使輸入電流跟隨供電的正弦電壓變化3。這種功率因數(shù)校正有體積小、重量輕、功率因數(shù)可接近1等優(yōu)點(diǎn)。本文主要針對(duì)有源功率因數(shù)校正進(jìn)行論述。*福州大學(xué)科技發(fā)展基金項(xiàng)目（項(xiàng)目號(hào)：XY-3-2）有源功率因數(shù)校正電路（APFC）又分為雙級(jí)APFC

5、和單級(jí)APFC。單級(jí)功率因數(shù)校正電路將PFC預(yù)調(diào)節(jié)電路與DC-DC后調(diào)節(jié)電路集成為一次能量處理，同時(shí)實(shí)現(xiàn)輸入電流整形和輸出電壓快速調(diào)節(jié)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、變換效率較高等優(yōu)點(diǎn)。但是輸入電流不能取得理想正弦，且只適用于小功率場(chǎng)合4。單級(jí)功率因數(shù)校正電路還存在一個(gè)非常嚴(yán)重的問(wèn)題，其儲(chǔ)能電容電壓不可控，會(huì)隨著輸入電壓和負(fù)載的變化而變化。如何降低儲(chǔ)能電容電壓是單級(jí)功率因數(shù)校正電路的一個(gè)研究熱點(diǎn)。雙級(jí)功率因數(shù)校正中的PFC電路經(jīng)過(guò)多年的研究，相對(duì)來(lái)說(shuō)比較成熟，是比較常用的方式。它由兩個(gè)相互獨(dú)立的變換器分別實(shí)現(xiàn)輸入電流的整形和輸出電壓的快速調(diào)節(jié)，前級(jí)PFC功率因數(shù)校正電路通常采用（非隔離）boost、b

6、uck/boost和（隔離）Flyback變換器。電流連續(xù)（CCM）Boost電路由于電路拓?fù)涞膬?yōu)勢(shì)成為最常用的PFC電路。把諸如軟開關(guān)技術(shù)等新技術(shù)應(yīng)用于中大功率PFC電路中，是提高PFC轉(zhuǎn)換效率、抑制諧波分量和EMI問(wèn)題，提高PFC性能指標(biāo)的一個(gè)發(fā)展方向。3 軟開關(guān)功率因數(shù)校正電路圖1 boost電路近年來(lái)國(guó)內(nèi)外對(duì)功率因數(shù)校正的研究在于如何改善中大功率boost電路的性能，主要集中在如何減少boost電路中的二極管的反向恢復(fù)損耗和MOSFET的開通損耗，從而提高轉(zhuǎn)換效率和減少EMI（電磁干擾）。圖2 boost電路關(guān)鍵電流、電壓波形圖由于boost電路是升壓電路，輸出電壓總是比輸入電壓大，如

7、果輸入電壓是90265V則輸出為380400V。在高頻電力電子PFC電路中，功率二極管用快恢復(fù)二極管，而快恢復(fù)二極管的一個(gè)重要參數(shù)是反向恢復(fù)特性。換句話說(shuō)，快恢復(fù)二極管在正偏時(shí)流過(guò)電流，反偏時(shí)則需要加載一段時(shí)間的反偏電壓才能恢復(fù)反向截止功能。在這段時(shí)間內(nèi)，二極管流過(guò)反向恢復(fù)電流。圖1是boost變換器電路圖，圖2是boost電路關(guān)鍵電壓電流波形圖。在圖2中，VDS和is是開關(guān)管上的電壓和電流，iD是二極管上的電流，IIN是流過(guò)電感上的電流，iRR是反向恢復(fù)電流，IO是輸出電流。從圖中我們可以看到，反向恢復(fù)電流IRR對(duì)變換器的性能有不利的影響。首先，在開關(guān)S開通期間，由于iRR的存在，使得開關(guān)S

8、的開通損耗和快恢復(fù)二極管的關(guān)斷損耗增加了；其次，開關(guān)管S開通瞬間的電流iSIINiRR，所以，iRR的存在使得開關(guān)管S的電流應(yīng)力增加了；最后，iRR的存在還將影響電路的電磁兼容（EMC）性能。如果boost電路工作在電流斷續(xù)模式（DCM）或者電流臨界模式（BCM）下，則可以完全消除快恢復(fù)二極管的反向恢復(fù)電流。事實(shí)上，在DCM模式下，快恢復(fù)二極管實(shí)現(xiàn)了零電流關(guān)斷。也就是說(shuō)，在二極管關(guān)斷之前電感電流已經(jīng)減少至零了。但是，DCM boost PFC電路最大的缺點(diǎn)是電感電流有非常大的紋波，這將增加開關(guān)管和二極管的電流應(yīng)力，同時(shí)將增大輸入端濾波器的大小。所以，單相DCM boost變換器適用于小功率裝置

9、，一般小于300W。一個(gè)解決方案是用兩個(gè)或更多個(gè)boost變換器的并聯(lián)，每個(gè)變換器都工作在DCM或BCM下，每個(gè)變換器的開關(guān)有個(gè)相位移，如此將明顯的減小電感電流的紋波，使其在保持零電流關(guān)斷的優(yōu)點(diǎn)下能夠工作在更高功率的場(chǎng)合5。為了減少CCM boost變換器的反向恢復(fù)損耗和MOSFET的開通損耗，要求boost變換器的開關(guān)實(shí)現(xiàn)“軟”開通和“軟”關(guān)斷。相應(yīng)地出現(xiàn)了許多軟開關(guān)boost變換器的理論。具有代表性的有兩種技術(shù)：無(wú)源緩沖技術(shù)和有源緩沖技術(shù)。無(wú)源緩沖技術(shù)是利用無(wú)源器件電阻R、電感L和電容C等來(lái)實(shí)現(xiàn)“軟”開關(guān)。這種緩沖技術(shù)電路簡(jiǎn)單，但是卻提高了半導(dǎo)體器件的電流或電壓應(yīng)力，這就意味著要使用更高級(jí)

10、、更昂貴的器件。有源緩沖技術(shù)利用有源器件實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)（ZVS）和零電流開關(guān)（ZCS）。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在這方面作了大量的研究，也出現(xiàn)了許多電路結(jié)構(gòu)。圖3 緩沖電感LS與 開關(guān)管S串聯(lián)圖4 緩沖電感LS與 二極管D串聯(lián)因?yàn)榭旎謴?fù)二極管的反向恢復(fù)損耗與反向恢復(fù)電荷成正比，而減小二極管關(guān)斷時(shí)電流下降的速率可以減少反向恢復(fù)電荷，從而可以減少反向恢復(fù)損耗。為了減小這個(gè)速率，通常的軟開關(guān)boost變換器在原電路里增加一個(gè)緩沖電感，這個(gè)電感可以與開關(guān)管S或二極管D串聯(lián)，見圖3和圖4。也可以并聯(lián)在開關(guān)管S的兩端，見圖6。圖3中，當(dāng)開關(guān)管S開通時(shí)，iD開始減小，由于緩沖電感的存在，iLSIINiD，輸出電壓VO和緩

11、沖電感LS以及二極管D構(gòu)成回路，則有：。也就是說(shuō)，二極管的電流的下降速率限制在VO/LS。見圖5。圖5所示的波形是開關(guān)管和二極管上的電流波形，從圖中可以看出，緩沖電感的加入使得二極管的電流的下降速率得以限制，從而可以減少反向恢復(fù)損耗。圖4所示的電路圖的原理也一樣。圖3和圖4只畫出軟開關(guān)boost電路的一部分，其余電路有各種各樣的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中包括開關(guān)管關(guān)斷時(shí)為緩沖電感電流提供的通道。在文獻(xiàn)6789里可以看到不同的拓?fù)涠加幸痪彌_電感與開關(guān)管或者二極管串聯(lián)。圖6 緩沖電感LS與 開關(guān)管S并聯(lián)圖5 緩沖電感與開關(guān)管或二極管串聯(lián)軟開關(guān)boost電路的關(guān)鍵電壓電流波形圖7 緩沖電感與開關(guān)管并聯(lián)的關(guān)鍵電壓

12、電流波形圖在圖6中，緩沖電感LS與開關(guān)管S并聯(lián)，在S開通以前輔助開關(guān)S1先開通，二極管電流的下降速率也控制在VO/LS。如果對(duì)S1的開通時(shí)間進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，還能使開關(guān)管實(shí)現(xiàn)零電壓開通，見圖7所示的波形圖。當(dāng)然，圖6也不是完整的軟開關(guān)boost電路。圖3、圖4和圖6電路的主要區(qū)別在于半導(dǎo)體器件的電流和電壓應(yīng)力101112。在圖3、圖4中，由于緩沖電感LS串聯(lián)進(jìn)電路，它的感應(yīng)電壓使得二極管D和開關(guān)管S有更高的電壓應(yīng)力，而圖6中的半導(dǎo)體器件則不會(huì)因?yàn)長(zhǎng)S的加入而增加了電壓應(yīng)力。但是圖6中的輔助開關(guān)S1的關(guān)斷是“硬”關(guān)斷，合理的設(shè)計(jì)可以使這個(gè)硬開關(guān)變成軟開關(guān)，實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷。在緩沖電感與輔助開關(guān)S1之

13、間串接一變壓器可以解決這個(gè)問(wèn)題，從而可以近一步提高變換效率13。在理論研究方面，軟開關(guān)boost PFC變換器有眾多的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，人們需要將不同的電路拓?fù)溥M(jìn)行整理分類，以獲得更清晰的認(rèn)識(shí)。能否采用一種通用的模型將紛繁多樣的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)統(tǒng)一起來(lái)將是下一步的研究目標(biāo)。4 無(wú)橋PFC電路 低壓輸入BOOST和軟開關(guān)boost變換器的主要損耗是半導(dǎo)體器件的導(dǎo)通損耗，功率電路工作電流流經(jīng)的功率半導(dǎo)體器件數(shù)目是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。最近的研究焦點(diǎn)是如何改進(jìn)電路拓?fù)?，減少工作電流回路上的功率半導(dǎo)體器件數(shù)目，使這個(gè)損耗減小，從而進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)換效率。先進(jìn)的SiC肖特基二極管的開發(fā)和利用，使得功率因數(shù)校正變換器的導(dǎo)通損耗得到了

14、很大的改善，SiC肖特基二極管完全無(wú)反向恢復(fù)損耗，所以無(wú)需吸收電路，從而可以簡(jiǎn)化電路拓?fù)洹Ｈ欢?，隨著頻率的提高，使用SiC肖特基二極管的boost電路仍需要增加額外的軟開關(guān)。此外，SiC肖特基二極管技術(shù)還未成熟以及相對(duì)Si快恢復(fù)二極管來(lái)說(shuō)更高的價(jià)格，使得SiC肖特基二極管得到廣泛使用還需要很長(zhǎng)的一段時(shí)間14。 上世紀(jì)80年代初出現(xiàn)了一種無(wú)橋PFC電路15，其特點(diǎn)是用單個(gè)的變換器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的一個(gè)由四個(gè)二極管組成的前級(jí)整流橋boostPFC電路，來(lái)完成ACDC和PFC兩個(gè)任務(wù)。這個(gè)電路實(shí)際上是一個(gè)雙boost電路。見圖8。圖8 無(wú)橋PFC電路 無(wú)橋PFC電路的一種工作模式是開關(guān)管S1和S2同時(shí)開通和

15、關(guān)斷。在電壓源的正半波，S1導(dǎo)通時(shí)，電源通過(guò)S1和S2的寄生二極管對(duì)電感LB充電，S1關(guān)斷時(shí)，電感通過(guò)D1、RL和S2的寄生二極管放電，這是一boost電路。在電源的負(fù)半波， S2導(dǎo)通時(shí)，電源通過(guò)S2和S1的寄生二極管對(duì)電感LB充電，S2關(guān)斷，電感通過(guò)D2、RL和S1的寄生二極管放電，這是另一boost電路。另一種工作模式是：在電源的正半波，S1高頻工作，S2直通。電感，S1，D1和負(fù)載構(gòu)成一個(gè)boost電路。在電源的負(fù)半波則反過(guò)來(lái)，S2高頻工作，S1直通。S2，D2和負(fù)載構(gòu)成另一個(gè)boost電路。第二種工作模式可以減少一個(gè)開關(guān)管的開，關(guān)損耗，但是控制會(huì)較復(fù)雜。第二種工作模式控制相對(duì)來(lái)說(shuō)要簡(jiǎn)單

16、一點(diǎn)。可以看出這個(gè)電路每次工作都只經(jīng)過(guò)兩個(gè)半導(dǎo)體器件，而boost PFC電路每次工作都經(jīng)過(guò)三個(gè)半導(dǎo)體器件。所以這個(gè)電路通過(guò)導(dǎo)通時(shí)半導(dǎo)體數(shù)目的減少?gòu)亩鴾p少電路的導(dǎo)通損耗。如果在此電路拓?fù)涞幕A(chǔ)上增加軟開關(guān)，使得開關(guān)管實(shí)現(xiàn)ZVS和ZCS，將會(huì)進(jìn)一步減少變換器的損耗，從而增加變換效率。文獻(xiàn)16中的電路拓?fù)淅锏能涢_關(guān)不僅實(shí)現(xiàn)了主開關(guān)的“軟”，也實(shí)現(xiàn)了輔助開關(guān)的“軟”。這個(gè)無(wú)橋電路雖然電路簡(jiǎn)單，但是開關(guān)管直接與交流側(cè)電源連接，這樣首先使得控制電路相對(duì)boost PFC電路來(lái)說(shuō)卻更為復(fù)雜。控制電路需要與主電路隔離，電流就不能直接取樣，一般加一電流互感器17。其次，開關(guān)管直接與交流測(cè)電源連接使得共模噪聲增

17、加了，從而使得電路的EMI增加了。如果在價(jià)格合理的情況下能夠解決這個(gè)電路電磁兼容的問(wèn)題，那么無(wú)橋PFC電路的應(yīng)用范圍將更為廣泛。5.結(jié)論 為了得到高性能的PFC變換器，需要減少二極管的反向恢復(fù)損耗，因此出現(xiàn)了許多帶有軟開關(guān)的boost電路拓?fù)?。這些拓?fù)洳粌H能實(shí)現(xiàn)主電路開關(guān)的ZVS和ZCS，有些拓?fù)溥€能實(shí)現(xiàn)輔助開關(guān)的“軟”開關(guān)。如果以SiC二極管代替快恢復(fù)二極管將會(huì)使PFC電路簡(jiǎn)化，并且能夠在開關(guān)效率最小的情況下大大的提高開關(guān)頻率。無(wú)橋PFC電路的應(yīng)用將得到更高性能的PFC電路。 隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）的性能越來(lái)越高，價(jià)格越來(lái)越便宜，許多研究機(jī)構(gòu)和公司開始研究數(shù)字控制的PF

18、C變換器。因?yàn)閿?shù)字控制可以實(shí)現(xiàn)一些新穎的復(fù)雜的非線性控制算法，例如模糊控制、適應(yīng)性控制等。將數(shù)字控制的引入功率因數(shù)校正電路是另一研究熱點(diǎn)。 使用SiC二極管和DSP控制的無(wú)橋PFC電路的研究方向?qū)?huì)成為下一階段高性能功率因數(shù)校正電路的主要研究方向。 參考文獻(xiàn)：1.陳道煉著。DCAC逆變技術(shù)及其應(yīng)用。北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.2.周志敏，周紀(jì)海，紀(jì)愛(ài)法等。開關(guān)電源功率因數(shù)校正電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用。北京：人民郵電出版社，2005.3.Keith Billings著，張占松，汪仁煌，謝麗萍譯。開關(guān)電源手冊(cè)。北京：人民郵電出版社，2006.4.王紀(jì)周著。單級(jí)功率因數(shù)校正的研究。浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文。2

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