单级隔离式功率因数校正（PFC）变换器（1）
摘要：本文阐述了功率因数校正电路的发展历程和技术动态，文中重点介绍了有源单级PFC技术和电路结构及其分类。
关键词：PFC APFC 结构 分类
1.概述
随着技术的进步，特别是功率器件的更新换代，新型电磁材料的不断使用，功率变换技术的不断改进，控制方法的不断进步，以及相关学科的技术不断融合，开关电源在系统的可靠性、稳定性，电磁兼容性，消除网侧电流谐波、提高电能利用率、降低损耗、提高系统的动态性能等等方面都取得长足的进步。此外，由于计算机监控系统在通信电源中的广泛应用，也使得电源的智能化程度不断提高，系统维护管理能力不断得到加强；而完善的接地系统和防雷措施进一步提高了电源的平均无故障时间MTBF。目前，开关电源正向高频化、高功率密度、高功率因数、高效率、高可靠性、高智能化方向发展。而目前市场对新型开关电源的主要技术要求是：高可靠性开关电源系统MTBF（平均无故障工作时间）应≥15万小时。低电磁污染主要包括低输入谐波干扰和低高频电磁干扰两个方面。低输出纹波纹波大是开关电源的缺点之一，是引起数字电路误动作、计算机死机的主要原因。
新型低污染、高效率、低应力、低输出纹波开关电源的原理框图如图1所示，主要包括EMI及浪涌吸收滤波电路，前级有源软开关功率因数校正电路，相移谐振软开关DC/DC变换电路及输出纹波抑制电路等。本文将重点阐述有源单级源功率因数校正电路的结构原理及其分类。
2.功率因数校正电路
有源功率因数校正的概念起源于1980年。但被重视和推广则在八十年代末期和九十年代。由于欧洲和日本相继对开关电源装置的输入谐波要求制定了标准，目前有两个标准，它们是IEC555-2和IEC1000-3-2，使得研究PFC技术已成为电源界的热点，综观PFC技术的发展，PFC技术可划分为两大类，一类是无源PFC技术，二是有源PFC技术。前者采用无源元件来改善输入功率因数，减小电流谐波，以满足标准要求，其特点是简单，但体积庞大，笨重，有些场合则无法满足要求；后者是用一个变换器串入整流滤波与DC/DC变换器之间，通过特殊的控制，强迫输入电流跟随输入电压，从而实现单位功率因数，反馈输出电压使之稳定，从而使DC/DC变换器的输入实现预稳。这种方法的特点是控制复杂，但体积大大减小，设计也易优化而进一步提高性能。目前研究最多的是有源PFC技术。
有源PFC的研究已有一段时间，目前最为大家所关注的是下面两类：一是两级PFC技术；二是单级PFC技术。两级PFC技术通常由一个专门管PFC的前置级和一个DC/DC变换器构成，而这一前置的功率级基本上都是Boost电路。单级PFC一开始是对两级方法的简化的基础上再另辟途经进行专门研究。下面便详细介绍单级PFC技术。
3.单级PFC技术的发展历程
早在九零年，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。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开关，一个PWM控制电路和自动整定线电流的优点。RichardRedl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，在降低贮能电容电压，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Lin的大小，与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开关电源，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在此电路的基础上作了稍许改进，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电源中已采用此方案。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，原因是性能尚未最优，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技术还要作出客观比较