文档介绍：单级PFC变换器的功率因数校正效果的研究
李广全,王志强
(华南理工大学电力学院,广东    广州    510640)

1    前言
    为了使开关电源的输入电流谐波满足要求,必须加入功率因数校正(PFC)。目前应用得最广泛的是PFC级+DC/DC级的两级方案,它们有各自的开关器件和控制电路。这种方案能够获得很好的性能,但它的缺点是电路复杂,成本高。
    近年来,提出了很多单级功率因数校正AC/DC变换器[1],特别是在小功率应用场合。在单级PFC变换器中,PFC级和DC/DC级共用一个开关管和一套控制电路,同时实现对输入电流和输出电压的调节,它的优点是电路简单,成本低。
    本文分析了单级PFC变换器进行功率因数校正的效果,并分析了输入电流的畸变,得出了变换器的功率因数表达式,仿真与实验结果证明了理论分析的正确性。
2    功率因数校正的效果
    如图1所示,单级功率因数校正变换器通常由Boost变换器和DC/DC变换器组成[1,2]。电路的主要电流波形如图2所示。
    电路的工作原理
    因为,开关频率远大于交流输入电源的频率,所以,假设在一个开关周期内,vAC为恒定值。
图1    单级PFC变换器
图中:vAC为交流输入电源;
      L1为Boost电感;
      C1为中间储能电容;
      RL为变换器负载。
图2    电路的主要电流波形
图中:ugs为开关管S的控制信号;
      Ts为开关周期;
      D为占空比。
    在一个开关周期内,电路的工作过程如下。
    状态1[t0-t1]    S,D2和D3导通,D1和D4截止,电源vAC向电感L1充电,流过电感L1上的电流线性增长,C1经T1向Lo,Co和RL放电。S在t1时刻截止,电感L1上的电流为最大值:
    iL1,P=DTs    (1)
    iD1=0,iD2=iL1    (2)
    状态2[t1-t2]    S,D2和D3截止,D1和D4导通,vAC和L1通过D1给C1充电,负载RL两端电压由Lo和Co的储能维持。在t2时刻,L1中的能量完全释放,电流为零。在这期间
    iL1=iL1,P-(t-DTs)    (3)
    iD1=iL1,iD2=0    (4)
    状态3[t2-(t0+Ts)]    S,D2和D3截止,由于D1的存在,L1上的电流不能反向,因此为零,即D1也截止,D4仍导通,负载RL两端电压由Lo和Co储能维持。
    输入电流分析
    在状态1和2期间,Boost电感中的能量完全释放,根据磁通守恒原理有
    |vAC|DTs=(VC1-|vAC|)D21Ts    (5)
    可以得到
    D21=D    (6)
    所以,在一个开关周期内,平均输入电流为
    iL1(avg)=(iL1,PD+iL1,PD21)=D2Ts    (7)
    设|vAC|=|VINsin(ωt)|,其中VIN为输入电压的峰值。所以
    iL1(avg)==kβ    (8)
式中:k=;
           