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篇1：一种具有恒功率控制的单级功率因数校正电路
一种具有恒功率控制的单级功率因数校正电路
摘要：提出了一种具有恒功率控制的单级功率因数校正电路。该电路功率因数校正级工作在电流断续模式，具有较低的总谐波畸变和较高的功率因数。该电路的直接能量传递方式降低了直流母线电压并且提高了电路的效率。采用恒功率控制方式使得电路具有良好的输出特性。并通过仿真和实验结果证明了电路的可行性。关键词：变换器；单级功率因数校正；恒功率控制
引言
近年来，功率因数校正（PFC）技术引起了人们的广泛关注。传统的两级PFC电路的主要缺点是成本高以及控制电路复杂。单级功率因数校正（SSPFC）变换器[1][2][3][4]，将PFC级和DC/DC级结合在一起大大降低了成本。然而，SSPFC变换器在负载变轻时存在直流母线电压过高的问题。文献[2]采用反馈线圈虽然降低了直流母线电压，但却减小了线电流的导通角，从而增加了总谐波畸变（THD）。
为了解决上述问题，确保在负载变化时降低直流母线电压和减少THD，本文提出了一种具有恒功率控制的SSPFC变换器。能量直接传递方式使得该电路在没有减小线电流导通角的情况下降低了直流母线电压。恒功率控制使得变换器的输出在输出电压高的时候可以看成电压源，在输出电压低的时候可以看成电流源，并且当输出电压在一定范围内变化的时候，输出功率近似恒定。
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1 电路工作原理
单级功率因数校正电路的原理图如图1所示。它实际上是由一个Boost变换器和一个flyback变换器组合而成的。Boost变换器工作在DCM模式，在占空比和频率恒定的情况下可以达到功率因数校正的目的。flyback变换器可以工作在DCM或CCM模式。
为了分析方便，假定整流电压在一个开关周期中为定值，电容CB足够大使得电压VB基本恒定，flyback变压器视为理想变压器，在原边并联励磁电感Lm，flyback变换器工作在CCM模式。则该电路有3种工作模式如图2所示，主要工作波形如图3所示。
工作模式1（t0－t1）t0时刻开关S导通，直流母线电压VB加在励磁电感Lm上，由于flyback变换器工作在CCM模式，则电流im线性上升可表示为
im=VB/Lm(t－t0)＋im(t0) （1）
而电感Lb工作在DCM模式，电流iLb由零线性上升，其表达式为
iLb=|Vin|/Lb(t－t0) （2）
开关S上流过的'电流可表示为
isw=iLb＋im （3）
由于二级管Df反向偏置，所以线圈Ns和Np上没有电流流过。
工作模式2（t1－t2）开关S在t1时刻关断，二极管Df正向偏置，励磁电感Lm上的电压为nVo(其中n=Np/Ns)，则电流im线性下降可表示为
im=－nVo/Lm(t－t1)＋im(t1) （4）
开关S上的漏源电压VDS为VB＋nVo，电感Lb上的电流iLb流过线圈Np和电容CB线性下降，其表达式为
iLb=－(VB+nVo-|Vin|)/Lb(t－t1)＋iLb(t1) （5）
因此，原边线圈Np和副边线圈Ns上流过的电流可分别表示为
ip=iLb＋im （6）
is=nip=n(iLb＋im) （7）
由式（7）可以看出副边电流由两部分组成，负载不但从励磁电感Lm上获取能量而且直接从电感Lb上获取能量，这就意味着一部分能量可以不经过储能电容CB而直接传递给负载，因此，大大提高了效率并且降低了直流母线电压。
工作模式3（t2－t3）t2时刻电流iLb下降到零，二极管Db反向偏置，励磁电流继续以斜率nVo/Lm线性下降直到t3时刻开关S再次导通。此时原边线圈Np和副边线圈Ns上的电流可分别表示为：
ip=im （8）
is=nip=nim （9）
2 恒功率控制方法
图4给出了恒功率控制的框图，图中KVV和KIIo分别为电压采样值和电流采样值，通过电阻R3及R4的分压得到第一个运放的正向输入端电压为＋，信号放大后得到运放的输出端电压为，这一点的电压和第二个运放的反向输入端电压相等，根据运放的虚短特性，得到第一个运放的输出电压与第二个运放的正向输入端电压相等，即=Vref，由此可得到式（10）。
(KiIoR4/R3+R4)＋(KVVoR3/R3+R4)=VrefR1/(R1+R2) （10）
假设a=R2/R1，b=R4/R3，则式（10）表示为
(KiI0b/1+b)＋(KvV0/1+b)=(Vref)/(1+a) （11）
从式(11)可以得到输出功率Po的表达式为
Po=VoIo=－(Kv/K1b)Vo2＋[Vref(1+b)/K1b(1+a)]Vo （12）
从式（12）可以看出Po～Vo曲线是一条抛物线，在抛物线的顶点附近，输出功率Po近似恒定。以输出电压80V，输出功率80W为例，取KV=0.01，KI=0.1，Vref=5V，使抛物线的顶点位于Vo=80V，Po=80W处，则可以计算出a=27.13，b=8.00。于是式(12)可表示为
Po=－0.0125Vo2＋2Vo （13）
当输出电压变化范围为60V～100V（±25％）时，输出功率变化为6.25％。
该电路同?具有限压和限流的功能，通过变换式(11)可得
Io=2－0.0125Vo （14）
Vo=160－80Io （15）
可见在输出短路时电流被限制在2A，在输出开路时电压被限制在160V。
3 仿真与实验结果
基于上述主电路及控制电路，采用以下参数进行了仿真与试验：Lb=300μH，CB=470μF/450V，Lp=Ls=600μH，fs=50kHz，RL=80Ω。
图5为输入线电压和线电流实验波形；图6为输入电压变化时，测量的电路效率，可以看出电路效率在较宽的输入电压范围内可以达到82％以上，比文献[2][3]中所提出的电路的效率要高；图7和图8分别为不同输入电压时，功率因数和THD的测量结果，由图7可见，电路的功率因数在输入电压为100～150V时可以达到0.98，在输入电压为220V时也可达到0.96；图9为输入电压为220V时，在不同负载下直流母线电压VB的仿真与实验结果，仿真与实验都证明在负载变化时直流母线电压VB可以控制在380V以下。
4 结语
本文提出了一种具有恒功率控制的单级功率因数校正电路。该电路PFC级工作在DCM模式，具有较低的THD和较高的PF。该电路的直接能量传递方式降低了直流母线电压并且提高了效率。采用恒功率控制方式使得电路具有良好的输出特性，当负载变化时直流母线电压变化不大。
篇2：一种具有恒功率控制的单级功率因数校正电路
一种具有恒功率控制的单级功率因数校正电路
摘要：提出了一种具有恒功率控制的单级功率因数校正电路。该电路功率因数校正级工作在电流断续模式，具有较低的总谐波畸变和较高的功率因数。该电路的直接能量传递方式降低了直流母线电压并且提高了电路的效率。采用恒功率控制方式使得电路具有良好的输出特性。并通过仿真和实验结果证明了电路的可行性。关键词：变换器；单级功率因数校正；恒功率控制
引言
近年来，功率因数校正（PFC）技术引起了人们的广泛关注。传统的两级PFC电路的主要缺点是成本高以及控制电路复杂。单级功率因数校正（SSPFC）变换器[1][2][3][4]，将PFC级和DC/DC级结合在一起大大降低了成本。然而，SSPFC变换器在负载变轻时存在直流母线电压过高的问题。文献[2]采用反馈线圈虽然降低了直流母线电压，但却减小了线电流的导通角，从而增加了总谐波畸变（THD）。
为了解决上述问题，确保在负载变化时降低直流母线电压和减少THD，本文提出了一种具有恒功率控制的SSPFC变换器。能量直接传递方式使得该电路在没有减小线电流导通角的情况下降低了直流母线电压。恒功率控制使得变换器的输出在输出电压高的时候可以看成电压源，在输出电压低的时候可以看成电流源，并且当输出电压在一定范围内变化的`时候，输出功率近似恒定。
1 电路工作原理
单级功率因数校正电路的原理图如图1所示。它实际上是由一个Boost变换器和一个flyback变换器组合而成的。Boost变换器工作在DCM模式，在占空比和频率恒定的情况下可以达到功率因数校正的目的。flyback变换器可以工作在DCM或CCM模式。
为了分析方便，假定整流电压在一个开关周期中为定值，电容CB足够大使得电压VB基本恒定，flyback变压器视为理想变压器，在原边并联励磁电感Lm，flyback变换器工作在CCM模式。则该电路有3种工作模式如图2所示，主要工作波形如图3所示。
工作模式1（t0－t1）t0时刻开关S导通，直流母线电压VB加在励磁电感Lm上，由于flyback变换器工作在CCM模式，则电流im线性上升可表示为
im=VB/Lm(t－t0)＋im(t0) （1）
而电感Lb工作在DCM模式，电流iLb由零线性上升，其表达式为
iLb=|Vin|/Lb(t－t0) （2）
开关S上流过的电流可表示为
isw=iLb＋im （3）
由于二级管Df反向偏置，所以线圈Ns和Np上没有电流流过。
工作模式2（t1－t2）开关S在t1
[1] [2] [3]
篇3：单级功率因数校正电路性的分析
摘要：针对电网对电源功率因数和谐波含量的要求，单级功率因数校正电路已经是电力电子领域的研究热点。对单级功率因数校正电路进行了分析，同时根据现在的输入电流的谐波标准，分析了单级功率因数校正电路的实用性。
关键词：功率因数校正；单级功率因数校正；实用性
引言
为了减少谐波对交流电网的污染，国内外都制订了限制电流谐波的有关标准，因此，功率因数校正（PFC）技术已成为电力电子领域中的研究热点。随着电力质量标准的日益严格，PFC变换器被越来越多地应用于开关电源、变频调速器和荧光灯交流电子镇流器中。近几年来，随着相关技术和各种控制策略的发展，PFC技术已得到大量研究。PFC电路根据工作方式可分为两大类，即无源PFC电路和有源PFC电路。有源PFC电路根据变换级数可以分为单级PFC电路和多级PFC电路。近年来，单级PFC电路得到广泛的关注，对它的研究也越来越热了，但是，在工业上它还没有得到广泛应用。
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通常，通过以下几个方面来判断一个功率因数校正拓扑的优劣：
--功率因数的高低；
--输入电流波形畸变的大小；
--效率和功率密度的高低；
--开关管应力的大小。
单级功率因数校正将PFC级和DC/DC级组合在一起，同时实现对输入电流的整形和对输出电压的调节，但与两级方案相比，它只调节输出电压，保证输出电压的稳定，而对输入电流没有进行调节，让输入电流自动跟踪输入电压，因此，单级PFC电路的效果比较差。本文根据现在国际上的电流谐波标准，对单级PFC电路在工业上能否被广泛应用进行了分析。
1 单级PFC电路的分析
图1是单级PFC的通用结构。不像两级PFC，单级PFC中使PFC级和DC/DC级共用一个开关，同时实现输入电流波形的整形和输出电压的快速调节，输入输出的隔离。由于控制电路只负责调节输出电压，在稳态时占空比（D）几乎是个恒定值，所以，单级PFC要求输入电流能够自动跟随输入电压，图2为单级PFC的输入电压、电流波形和占空比波形。
1.1 储能电容的比较
在单级PFC中，由于DC/DC级工作在CCM，占空比不随负载变化。当负载变轻时，输出功率减少，PFC级输入功率Pin却没有这么快的变化。这样，充入储能电容的能量大于从储能电容抽走的能量，导致储能电容电压上升，如果输入具有较少的阻抗，VB会急剧上升以维持输入功率和输出功率的平衡。另外,单级PFC电路储能电容上的电压变化范围比较大，在输入电压低的时候，储能电容上的电压比较低；在输入电压高的时候，储能电容上的电压比较高，因此，对于相同的输出功率等级来说，单级PFC电路中所需的储能电容比两级PFC电路要大很多，储能电容上的电压应力也要大很多。从图3中可以发现VB由输入功率控制，而不受输入电压和输出负载的控制。
1.2 半导体器件的比较
在两级PFC变换器中，PFC开关管承受PFC级的电流，DC/DC变换器的开关管承受DC/DC级的电流。而在单级PFC变换器中只使用了一个开关管，它要承受PFC级和DC/DC级的电流，这样，单级PFC变换器中开关管要承受更高的电流应力。通过开关管的电流的大小决定了管子的损耗和尺寸。图4给出了两级PFC变换器和单级PFC变换器中电流大小的比较。另外，与两级PFC电路相比，单级PFC电路中储能电容上的电压比较高，因此，单级PFC电路中管子上的电压应力也比较高。
1.3 磁芯元件的比较
在两级PFC电路中的输入电感主要是由输入电流最大纹波和PFC级的占空比来决定的，而在单级PFC电路中主变压器不仅是PFC电路的输入电感，而且还用来储存能量，因此，在相同的输出功率下，单级PFC电路中的磁芯元件要承受更大的应力。
考虑到单级PFC电路中元器件的应力等问题，它的最大输出功率就会受到限制。一般说来，单级PFC电路的最大输出功率在100W左右。
篇4：单级功率因数校正电路性的分析
图5给出了功率电子装置的4种分类等级：A，B，C，和D。对于这4种不同的'等级，分别有相应的各次谐波限制。现在对输入电流谐波的要求越来越严格，IEC标准规定，输出功率在75～600W的电子装置都要满足ClassD，对于这类设备不仅在满载时要满足ClassD，而且在输入功率=75W时也要满足ClassD；而对于照明装置的要求更加严格，要求它满足ClassC。
随着人们对电力质量的关注越来越强，相关标准对电网输入电流的谐波要求也越来越高了。以前规定，如果输入电流波形的95％以上在图6所示的方框内，那么这个输入电流必须满足ClassD；如果输入电流波形不足95％以上在图6所示的方框内时，只要满足ClassA。而ClassA的要求比ClassD要低很多。因此，很多公司为了降低设计成本故意恶化输入电流波形，让其输入电流波形不超过95％的部分在这个方框内，这样只要满足ClassA就可以了，但是，这样的波形对电网的污染增加了。因此，为了减少对电网的污染，现在对输入电流谐波要求的标准越来越高了，没有图6所示的方框了，对于75W<输出功率<600W的电子装置必须满足ClassD。这样，输入电流波形比较差的产品就很难通过谐波标准。
就单级PFC电路而言，它的输入电流波形和电路的效率成反比。这是因为单级PFC中的输入电流波形与电压、电流应力成正比。如果要求输入电流波形比较好，那么就要选用应力高的管子，应力高的管子损耗比较大，电路的效率就降低了。而实际的产品不仅要求输入电流能否满足谐波标准，而且还要考虑电路的效率，因此，就目前单级PFC电路而言，它很难在工业上得到广泛的应用。
3 结语
现在对电网质量的要求越来越严格了，要求输入电流的谐波含量低。而单级PFC电路只调节输出电压，输入电流中谐波含量比较高，其元器件所承受的应力比两级PFC中的大很多，因此，单级PFC电路很难在工业界得到广泛应用。为了使单级PFC能够在工业上得到广泛使用，就必须改善输入电流波形，降低电容应力及变压器应力，管子的电流应力和电压应力。
篇5：单级功率因数校正电路性的分析
单级功率因数校正电路实用性的分析
摘要：针对电网对电源功率因数和谐波含量的要求，单级功率因数校正电路已经是电力电子领域的研究热点。对单级功率因数校正电路进行了分析，同时根据现在的输入电流的谐波标准，分析了单级功率因数校正电路的实用性。关键词：功率因数校正；单级功率因数校正；实用性
引言
为了减少谐波对交流电网的污染，国内外都制订了限制电流谐波的有关标准，因此，功率因数校正（PFC）技术已成为电力电子领域中的研究热点。随着电力质量标准的日益严格，PFC变换器被越来越多地应用于开关电源、变频调速器和荧光灯交流电子镇流器中。近几年来，随着相关技术和各种控制策略的发展，PFC技术已得到大量研究。PFC电路根据工作方式可分为两大类，即无源PFC电路和有源PFC电路。有源PFC电路根据变换级数可以分为单级PFC电路和多级PFC电路。近年来，单级PFC电路得到广泛的'关注，对它的研究也越来越热了，但是，在工业上它还没有得到广泛应用。
通常，通过以下几个方面来判断一个功率因数校正拓扑的优劣：
--功率因数的高低；
--输入电流波形畸变的大小；
--效率和功率密度的高低；
--开关管应力的大小。
单级功率因数校正将PFC级和DC/DC级组合在一起，同时实现对输入电流的整形和对输出电压的调节，但与两级方案相比，它只调节输出电压，保证输出电压的稳定，而对输入电流没有进行调节，让输入电流自动跟踪输入电压，因此，单级PFC电路的效果比较差。本文根据现在国际上的电流谐波标准，对单级PFC电路在工业上能否被广泛应用进行了分析。
1 单级PFC电路的分析
图1是单级PFC的通用结构。不像两级PFC，单级PFC中使PFC级和DC/DC级共用一个开关，同时实现输入电流波形的整形和输出电压的快速调节，输入输出的隔离。由于控制电路只负责调节输出电压，在稳态时占空比（D）几乎是个恒定值，所以，单级PFC要求输入电流能够自动跟随输入电压，图2为单级PFC的输入电压、电流波形和占空比波形。
1.1 储能电容的比较
在单级PFC中，由于DC/DC级工作在CCM，占空比不随负载变化。当负载变轻时，输出功率减少，PFC级输入功率Pin却没有这么快的变化。这样，充入储能电容的能量大于从储能电容抽走的能量，导致储能电容电压上升，如果输入具有较少的阻抗，VB会急剧上升以维持输入功率和输出功率的平衡。另外,单级PFC电路储能电容上的电压变化范围比较大，在输入电压低的时候，储能电容上的电压比较低；在输入电压高的时候，储能电容上的电压比较高，因此，对于相同
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一种具有恒功率控制的单级功率因数校正电路（集锦5篇）
