单极隔离式功率因数校正(PFC)变换器

单极隔离式功率因数校正(PFC)变换器1.单级PFC技术的发展历程
1990年,美国科罗拉多大学Erickson教授等将前置级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,提高效率和简化控制等?其与传统的两级电路比较,省了一个MOSFET但增加了一个二极管,另外其控制是一般的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?控制器的作用是保证快速?稳定的输出,对于输入的功率因数则需功率级自身获得?在以后的几年里，M.H. Kherulawa等人陆续提出了几种单级PFC技术,但所有这些方案都有输出电压调节慢、控制复杂和效率低等缺点?1994年, Richardredl等提出了一系列新型单级隔离式功率因数校正变换器,克服了上述缺点,具有快速调节输出电压?只需一个或共同控制的两个?一个PWM控制电路和自动整定线电流的优点?Richard Red的这项技术获得了专利之后,许多研究者在此基础上研究出各种更完善的单级隔离式PFC变换器,它们与先前研究的变换器相比,在降低储能电容电压?减少谐波失真和快速调节输出响应等方面有很大的改善?功率因数的高低?谐波电流的高低与电感La的大小及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。
在Intelec94上有一个日本作者提出了所谓的磁锦州矿用变压器,它在变压器上增加一个绕组与输入电感串联?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, Cai Fushen在此电路的基础上做了稍许改进,增加的绕组移至D2支路?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锦州矿用变压器中已采用此方案?一年后,VPT也提出了一个单级PFC,其中与D2支路相串联的不是变压器绕组,而是另一个分离的电感?它也可将电容电压控制在450V之内。
单级PFC技术的研究仍然呈现上升的趋势,原因是性能尚未******,许多问题有待进一步解决?例如中间储能电容电压仍望降至400V以下?分析与设计还有一大堆问题要做?与两级PFC技术还要做出客观比较?

2.单级隔离式PFC变换器的结构
单级隔离式PFC变换器的结构图如图5-3所示,而传统的两级变换的隔离式PFC电路的结构图如图5-4所示。


图5-3单级式PFC变换器结构图 图5-4两级式PFC变换器结构图
比较图5-3和图5-4,单级隔离式变换器通过控制的通断,电路同时满足了输入侧高功率因数和输出侧电压的稳定与快速调节?PFC单元与DC/DC变换单元的由同一个PwM控制信号控制,而两级变换器的控制电路相互独立
3.单级隔离式PFC变换器的分类及特点
单级隔离式PFC变换器大体分为串联式和并联式两种?下面具体介绍各种类型的典型变换器
(1)串联式单级隔离式PFC变换器
图5-5是由Boost型PFC电路与单反激变换器组合而成的最基本的单级隔离式PFC变换器拓扑?它与普通的DC/DC变换器相比,有电压应力较高?损失较多的缺点?因此,人们研制出应用各种软技术,减少损耗及应力的各类新型单级PFC变换器其效率高,而电路拓扑又十分简单?

图5-5基本BOOST单级隔离式PFC变换器
①带有再生钳位的Boost反激型单级隔离式PFC变换器与最基本的单级隔离式PFC变换器相比,只增加了再生钳位电容C和二极管VD4两个元器件来构成钳位电路,如图5-6所示?C用来钳位上电压,VD4用来阻止L?L?C?L和C在S关断时的谐振?钳位电路虽然简单,但它可有效地减小应力(钳位在V+nV?上),通过C与漏感L4的谐振再生储存在变压器漏感中的能量,免去了损耗能量的缓冲电路?变换器的功率因数可高于0.99,而普通的变换器在相同条件下仅为0.98左右?TID比加缓冲电路时降低9%左右?但这种变换器的在闭合时应力较大,不是零电压下关断。

图5-6带有再生钳位的BCXs反激型单级隔离式PFC变换器
②带有源钳位和软的Boost反激型单级隔离式PFC变换器电路拓扑如图5-7所示S为主,S2为有源钳位辅助,电路可看为Boost单元与反激单元的串联组合?两个单元共用一个主S1?C,代表S1和S2的总寄生电容;L4代表变压器的漏感,C2?L形成串联谐振电路,实现Sl的软;C?和S2构成有源钳位电路,限制上的谐振电压?
这种电路可再生变压器漏感中的能量,减小电压应力,与前面提到的再生钳位电路类似但它又增加了一个辅助,实现了零电压,而主和辅助用同一个控制/驱动电路?控制电路与没有有源钳位电路的控制电路相同,能够采用常用的PWM控制芯片来设计?目前带有源钳位和软的单级隔离式PFC变换器广泛应用于各种小功率场合?

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