单级反激式功率因数校正的主要特点

　　单级PFC是将PFC级和DC/DC级组合在一起共用一个开关管和一套控制电路，同时实现对输入电流的整形和对输出电压的调节。它与两级方案不同的是，控制电路只调节输出电压，保证输出电压的稳定。在稳态时，占空比恒定，因此，要求PFC级的电流能自动跟随输入电压。虽然单级PFC变换器的输入电流不是正弦波，PF值不如两级方案高，但由于IEC1000-3-2只对电流谐波含量有要求，对PF值没有严格的要求，单级PFC变换器的输入电流谐波足以满足IEC1000-3-2，而且由于采用单级结构，电路简单，成本低，功率密度高。

　　从30W　LED路灯技术参数中，我们可以知道，该驱动电源对功率因数与总谐波失真有要求，因此我们在设计整个电路结构时必须考虑该技术要求。我们知道，对于30W路灯电源的PFC来讲，我们可选择的方案有逐流电路、单级反激式PFC电路和有源两级的PFC电路，上表给出了三种PFC技术的定性比较，下表给出三种100WPFC技术的评价比较。但要综合考虑电路成本、体积、效率及可靠性的等因素，最后我们还是选择单级反激式功率因数校正电路。

　　1．单级反激式PFC转换器的优点
　　
　　(1)有绝缘隔离。

　　(2)输出电压可以升压，也可以降压。

　　(3)有启动和短路保护。

　　2．单级反激式PFC转换器的缺点
　　
　　(1)开关管的电压应力高。

　　(2)电流峰值和有效值高。

　　(3)效率较低。

　　(4)输出功率低，一般小于150W。

　　(5)输入电流纹波较大。

　　(6)保持时间(hold-up time)短。

　　单级功率因数校正由于控制电路简单、成本低、功率密度高，在中小功率场合得到了广泛的应用。一般单级PFC转换器电路内部需要一个低频储能电容CBulk，以平衡输入、输出的瞬时功率，并滤除二次谐波纹波，使负载端不出现两倍市电电网频率的波形，并使其有足够的保持时间。该电容的电压随着负载电流和市电电网电压的变化而变化。

　　例如轻载时，转换器的输出功率减小，输入给储能电容的能量大于从电容取出的能量，导致电容上的电压上升，其峰值可能高达450V以上，需要选用耐高压的储能电容，因而增加了成本。但是，我们将单级PFC用在LED路灯驱动器中，那么可以认为负载是固定的，因此在设计初期可以比较容易地满足在储能电容上的电压小于DC450V的要求。

　　由上表可知，100W左右的有源单级PFC转换器，成本比有源两级PFC转换器低，所用元器件少，而效率则较高。

　　典型的单级隔离反激升压式PFC电路如下图所示，该拓扑是由升压型PFC级和反激式DC/DC变换器组合而成。有源开关VT为共享开关，Cl为缓冲电容。通过控制V的通断，电路同时实现对输入电流的整形和对输出电压的调节。

　　下图所示为DCM反激式PFC转换器的原理图，它是一个单环电压反馈PWM控制系统。DCM反激式PFC转换器开关管电流平均值为

  式中：UDC为整流输入电压；TON为导通时间；T为周期。

　　由上式可知，DCM反激式PFC转换器开关管电流平均值/Vav与输入整流电压UCC呈线性关系。可以证明，下图所示的理想DCM反激式PFC转换器，对输入而言，可以等效为一个受占空比D控制的无损电阻(LossFreeResistor)。因此下图中的电路无需电流控制器，就可以实现输入端功率因数近似等于1。众所周知，电流断续模式(DCM)的Boost变换器在固定占空比下电流自动跟随输入电压，因此，PFC级工作在DCM下可以得到较高的功率因数。但是，输入和输出电感电流的峰值较高，增加了有源开关的电流应力和开关损耗，变换器的效率低，另外电路需要一个更大的EMI滤波器。如果要求减小开关器件的电压、电流应力，那就需要PFC级工作在电流连续模式(CCM)下，同时可以提高整个变换器的效率并减小EMI。对于DC/DC变换器而言，为了提高变换器的效率，一般工作在CCM下，因此，占空比不随负载变化。当负载变轻时，输出功率减小，而PF'C级输入功率同重载时一样，则充入储能电容的容量大于从储能电容抽走的能量，导致储能电容电压上升。为了保持输出电压一致，电压反馈环调节输出电压，使占空比减小，输入能量也相应减小，这个动态过程要到输入和输出功率平衡后才停止。负载减小带来的后果是直流总线电压明显上升，也就是电容电压明显上升，甚至达到上千伏。

　　降低电容电压通常有两种方法：①采用变频控制，可以使电容电压低于450V，但是频率变化范围可能高达数十倍，不利于磁性元件的优化设计；②采用变压器绕组实现负反馈。如果PFC级和DC/DC变换器都工作在CCM下，输出功率减小时，虽然占空比不变，但输入功率也会相应减小，抑制了储能电容电压增加，它的效率是最高的，PF值有所降低，但是，很难找到一种拓扑完全工作在CCM下，设计上也相对复杂，此种控制方式不在本例的讨论范围之内。

　　和BoostPFC转换器一样，反激式PFC转换器工作在DCM模式时的固有特点是：

　　输出电压调节采用电压型PWM控制时，稳态占空比D为常数（即导通时间Ton为常数），输入电流接近于正弦波。因此，控制电路中无需乘法器和电流控制，就可以实现功率因数校正。

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