早在1990年,美国科罗拉多大学的Erickson教授等人将前置级Boost电路和后随级Flyback(反激)变换器或者Forward(正激)变换器的MOSFET共用,提出所谓的单级PFC变换器。研究单级PFC技术的目的是:减少元器件,节约成本,提高效率,简化控制等。与传统的两级电路比较,节省了一个MOSFET,但增加了一个二极管。另外,其控制采用一般的PWM方式,故相当简单。为保证高输入功率因数,输入电感的电流应当为DCM方式。在这里,控制器的作用是保证快速、稳定地输出,对于输入的功率因数则需功率级自身获得。功率因数和谐波电流的高低,与电感Lin的大小和拓扑结构等密切相关,这便是近五六年来研究单级PFC结构的真正动机。
回顾单级PFC技术的研究历程,不难发现,展开这种研究的前提条件是:IEC1000-3-2标准只对各次电流谐波作了要求,而对功率因数并没要求,一个功率因数只有070左右的开关电源仍可满足各次电流谐波的要求。所以,只要有改善的电流波形,电源产品就有可能达到谐波标准。与真正的有源PFC技术不同,它对功率因数仅作开环控制。事实上已不能称为PFC,但鉴于传统,这里仍称单级PFC技术。单级PFC电路在实际电路中存在着一个非常严重的问题:当负载变轻,达到临界连续状态时,由于输出能量迅速减少,但控制占空比(由负载决定)没有变化,输入能量维持不变,使得此时Pin>Po,多余的输入能量将给中间储能电容充电,Vcb(电容器两端的电压)增加,占空比减少,从而使Pin减少,最终达到一个新的平衡态,即Pin=Po,这一过程使中间储能电容电压到达一个很高值。在电路中,对于90~265V的交流电网,该电压会达到甚至超过1000V。就目前的电容技术和功率器件技术而言,这么高的电压都是不实际的,因此无法使用。此后的许多单级PFC电路都在努力,如何将Vcbmax降至450V以内,以便可以利用现有的电容和功率器件。目前发表的电路很多,但有代表性的电路可总结为下面几个。
1992年中日会议(北京)上的一篇文章提出了一个单级PFC电路。这个PFC可以获得较好的功率因数,轻载时中间储能电容电压可控制在450V以下。对于窄范围(90~132V、176~264V)电网输入,其性能会更好。其中,电容的大小对功率因数、效率和中间电容电压的影响很大。电容越大,功率因数越高,但效率就越低,中间电容电压就越高,反之亦然。
在Intelec94′上,有一个日本作者提出了所谓的磁开关电源。它在变压器上增加一个绕组并与输入电感串联。这一串联的绕组可以降低中间储能电容电压,将其控制在450V之内。
在Intelec95′上,CaiFushen在此电路的基础上做了稍许改进,同样可将中间储能电容电压控制在450V之内。目前,他们生产的计算机多输出电源中已采用此方案。
单级PFC技术的研究仍然呈现上升的趋势,原因是性能尚未最优,许多问题有待进一步解决。例如中间储能电容电压可望降至400V以下。分析与设计还有一大堆问题要做,还要与两级PFC技术作出客观比较。
本文节选自《开关电源实用技术》，由镭之源
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