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能降低电压应力的新型高效单级PFC变换器的研究
钱照明
浙江大学电力电子研究所
中国杭州
摘要
新型的单级PFC变换器采用两个辅助绕组来得到低输入电流THD并实现低电压应力能流过大容量电容和高效率，这一改进的性能已通过实验验证。
介绍
受到谐波法规（如IEC61000-3-2）的影响，有源功率因数校正（PFC）技术得到广泛使用。传统的双级PFC转换器可获得非常不错的表现，如高功率因数、低电压应力等。但是它们的元件数量都很多，这增加了成本和复杂性。而许多单级PFC变换器带来了可以适用于增加成本效益的情况。众所周知，一个单级PFC变换器只有一个开关和一个控制器，因此流过大容量电容的电压不能得到理想的控制。流过大容量电容的电压随负载和输入电压的变化而变化，尤其是当PFC部分工作在电流不连续模式（DCM）下和DC/DC转换器工作在电流连续模式（CCM）下。当负载变轻，流过大容量电容的电压增加，在某些情况下，特别是电源电压在220V-260V之间，电容无法承受如此高的电压，因此，单级PFC变换器的实际应用受到限制。
最近，一些方法被提出用来减少电压应力。例如，开关频率调制方法用于减小电压应力。但是，为了保持直流母线电压低于450V，开关频率在整个负载范围内可以达到十倍以上，这无论对磁部件设计还是EMI滤波器的设计都是不可行的。其他抑制直流母线电压的方法是让在DCM模式下的DC/DC转换器在整个负载范围内。为了实现低电压，例如电脑电源，CCM操作模式为DC/DC转换器的优选，因为它会产生更低的传导损耗和较小的波纹。文章[6]提议的方法是在SPFC中使用小的额定电容，即使用两个大容量电容和一个简单的控制器。这种方法增加了元件数量，并且通过交换机的电压应力仍然很高。结果是，一个在THD和电压应力之间的协议在文章[7]中提出：在开关间隔内通过负磁反馈使用一个额外的变压器绕组，如图1中所示。
图1 采用负磁反馈技术的拓扑电路
流过该电路的大容量电容的理想电压低于450V。由于输入电压是正弦波形，当输入电压高于反馈电压时输入电流会有死区，这降低了功率因数。使用一个辅助开关可消除死区，该解决方案提高了功率因素，但同时也增加了成本。
电路分析
如图2电路所示，本章节介绍一种新的技术：没有输入电流死区的负磁反馈。
图2 无输入电流死区的负磁反馈电路
该电路由升压式PFC变换器和反激式的DC-DC变换器组成。绕组是担任反馈绕组，用来减少流过能量存储电容的电压应力，绕组的功能是改善由电感造成的输入电流死区。一般来说，在DCM模式操作下的PFC变换器是为了提高功率因数，而当输入电源电压或负载变化时，DC/DC转换器可在CCM或DCM模式下运行。
根据输入电压的不同，这种电路在在半行周期的不同间隔内有不同的运行方式：
区间I：当输入电压低时，满足方程（1）
（1）
是流过大容量电容的电压，是输入电压，,,,分别是绕组,,和的匝数。假设DC /C变换器工作在CCM模式下，则关键的波形如图3所示。
变换器的操作可分为三个模式（），其描述如下。
:开关闭合时，输入电流流过电感和，流过电感的电压是：
（2）
比流过电感的电压要低：
（3）
所以是没有电流流过电感的。假设输入电压和在一个开关周期内是连续的,,和呈线性增加，二极管是关闭的，并且没有输出电流。
:开关在时刻断开，输入电流流过,,和大容量电容，流过变压器原边的电压如图3所示
(4)
是输出电压，，所以能量直接传送到负载，则效率增加，这有助于降低电压应力。
流过和的电压是：
(5)
显然，因此输入电流呈线性增加，输出电流是：
（6）
：输入电流减至零，二极管关闭，输出电流仍然存在（在CCM操作模式下），但是由于输出电压的变化，输出电流呈线性减少。
图3 区间I电路中的关键波形
(7)
区间II: 随着输入电压的增加，方程（1）不再满足，运行模式也发生了变化。在一个开关周期内该变换器的操作也可分成三个模式（）。关键波形如图4所示。
:当开关闭合时，电流流过和,电压是流过的钳位电压，其值满足方程式（3），流过的电压为：
(8)
要大于，所以二极管是关断的,,此时变压器的工作状态和区间I一样。
在此区间内，负磁反馈的功能通过实现，流过的电压与流过大容量电容的电压成正比，另外的存在提高了整体效率。
: 开关在时刻断开，变压器原边电压的改变符合方程（4），和也会发生改变：
(9)
(10)
大多情况下，，所以二极管是关断的，存储在绕组中的能量直接被转移到负载上，所以输出电流显著增加，输入电流流过和。根据能量守恒定律：
(11)
在时刻到来前，是流过的电流，电感器L的电感是和之和，I是在开关断开以后流过和的电流之和。因此当开关断开时，流过的电流显著减小。
：电路的运行情况基本与区间I一样。
图4 区间II电路中的关键波形
如果绕组被认为是升压电感,无论或者是否运行，都可以把当做反馈信号。在半线周期内，当开关闭合时，反馈电压和流过的电压的变化如图5所示。从图5可以看出，无输入电流死区的负磁反馈可以被采用。
图5 半线周期内开关闭合时，反馈电压和流过的电压的变化趋势
仿真和实验结果
为了验证所提出的电路的分析结论，SABER仿真的结果和比较如图6到图9所示。
图6的（a）和（b）显示了在区间I中的一个开关周期内流过不同绕组的电流，图7是电路的输入电压和输入电流，从图6可以看出，仿真结果与电路分析（图3和图4）非常符合，无输入电流死区可以从图7中看出来。
（a）
图6 电路的仿真波形
图7 输入电压和输入电流的仿真结果
图8比较了在传统的PFC升压 反激式DC/DC单级PFC（BFS PFC）转换器和所提出的无输入电流死区的负磁反馈电路之间大容量电容的电压应力的仿真结果，从中我们可以看到所提出的无输入电流死区的负磁反馈电路可以有效的减小电压应力。图9比较了BFSSPFC输入电流的百分比，图1中所示的电路和所提出的电路，这表明，该电路比图1所示的电路甚至比传统BFSSPFC电压控制电路具有更好的功率因数校正功能。
图8 不同电路下大容量电容的电压应力的仿真结果
图9 不同电路下输入电流的百分比
一个62.5W实验电路得到以下参数：,,，
,,,,输入电压和输入电流实验结果如图10所示。
图10 输入电压和输入电流的实验结果
所测量的输入电流，功率因数，所有的效率。大容量电容两端的电压，这是输入电压的峰值。所测量的输入电流的THD如图11所示。
图11 测量所得输入电流百分比
结论
一种具有高效率、低电压应力和相对高功率因数的新型的单级单开关PFC转换器被设计出来，其只有两个磁组分（不包括滤波电感器）和一个开关，所以处于成本效益的考虑，它是个不错的选择。该电路的性能已经进行了验证实验。
参考文献
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基于电压源的串联连接上当前整形器和无损耗电阻“，在PROC。 IEEE APEC，1998年，pp.1422-1428。
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单开关快速响应的单位功率因数开关稳压器
Y.S.Lee，K,W,Siu
香港理工大学电子工程系
红磡、九龙、香港
摘要
根据一个采用升压式功率因数校正（PFC）转换器的单级隔离功率因数校正稳压电源（SSIPP或）的例子，对这种开关稳压器的输入线电压和线电流之间的关系进行了研究。
介绍
由于当前的开关模式电源线路产生的谐波多，国际监管标准，如IEC555-2，对其加了许多限制条件。虽然这一问题可以通过增加一个前置在电源电路中的功率因数校正器（PFC）来解决，但这样的设计方法远远不够理想。
为了优化设计[3-12]，提出了各种替代方案。然而，这些方案都产生了一个或多个缺点，例如输出电压调节缓慢、电路变得复杂或转化效率低。为了克服这些缺点， 雷德尔.巴洛格和索卡尔提出了新系列的单级隔离式功率因数校正的电源（SSIPP或）,在参考文献[2]中提及。在这个系列电源中，提出了基于升压式PFC单元的6架拓扑结构。然而，这些基于升压式的仍然存在缺点，即产生的线电流不是真正的正弦波。
在本文，通过介绍了单级功率因数校正开关稳压器的原则后，将对影响这种稳压器输入线电流形状的因素进行研究。基于这些发现，提出了一种实现功率因数高度统一的新的控制方案。根据新的控制方案，其仿真结果也将给出。
（这项研究工作由香港理工大学、香港大学教育资助委员会的研究资助局，
和香港政府的产业部门支持。）
单位功率因数校正开关稳压器的原理
基于一个使用升压式PFC单元的，该单位功率因数校正开关稳压器的工作原理将在本节进行讨论。
图1显示了电路的简化示意图。 这个电路可以理解为一个级联，即升压式变换器后面连接了一个正激式变换器，如图的虚线方框所示。这2个变换器（称为元件）共用一个电子开关,节点A和B作为升压单元的输出端子，同时作为正激变换器的输入端子。增加二极管开关只是为了防止变压器T端的初级电流通过二极管开关形成环流。
图1 使用升压式PFC的电路图
在正常操作期间，升压部分工作在非连续模式下，正激部分工作在连续或不连续模式下。反馈信号由输出电压产生，该反馈信号控制电子开关SW中驱动信号的脉冲宽度。
为了实现功率数为1，平均输入电流(每个SW开关周期内的平均值)的波形应与在输入为交流电源的半周期整流波形一样。通过此假设，图1中升压部分的平均输出电压，也应具有相同的半周期整流后的波形。这意味着固有的升压部分的输出电压必然含有纹波，的幅值将依赖于电容和负载电流的值。通常通过采用足够大的电容C，纹波可控制在百分之几以内。
如图1所示，在电路正常工作期间，正激部分输出电压的纹波通过电子开关SW的占空比反馈控制来消除。现在出现的问题是，由于电子开关SW的占空比是用来调节输出电压，它不能同时用来控制升压部分的输入电流（从而使它看起来像交流电源的整流半周期）。在文章[2]中的拓扑结构，这种设计使得利用传统的升压部分输入电流控制（非连续模式运行），来实现非理想的功率因数校正。
应当注意的是，使用一个工作在非连续模式下的降压-升压转换器将产生一个整功率因数。然而，它不是最优的输入单元，因为与升压转换器相比较，降压-升压转换器的转换效率较差。
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