有源功率因数校正主电路拓扑结构综述

有源功率因数校正主电路拓扑结构综述

1引言

近20年来电力电子技术得到了飞速的发展，已广泛应用到电力、冶金、化工、煤炭、通讯、家电等领域。电力电子装置多数通过整流器与电力网接口，经典的整流器是由二极管或晶闸管组成的一个非线性电路，在电网中产生大量电流谐波和无功污染了电网，成为电力公害。电力电子装置已成为电网最主要的谐波源之一。20世纪90年代以来，世界上许多国家和国际组织都对电力电子产品的功率因数及谐波成分作了限制。为了使电力电子产品的功率因数及谐波成分满足上述的规定和标准，可在整流桥和滤波电容之间加一级用于功率因数校正的功率变换电路，使输入电流为正弦波，从而提高功率因数，这就是有源功率因数校正技术。有源功率因数校正（Active Power Factor Correction，简称APFC）技术由于变换器工作在高频开关状态，而具有体积小、重量轻、效率较高、输人电压范围宽、THD小和功率因数高等优点，因此在现代电力电子技术中得到了广泛的应用。

2 有源功率因数校正的基本原理

APFC又称为有源开关型补偿法，现今得到推广的APFC是DC/DC变换型电流整形方法，由于其主体为高频DC/DC变换器，所以也称为高频APFC。高频APFC的基本思想是：将输入交流电压进行全波整流，然后对全波直流电压进行DC/DC变换，通过适当控制，使输入电流平均值自动跟踪全波直流电压的基准，且保持输出电压稳定，从而实现恒压输出和单位功率因数。

图1有源功率因数校正原理框图

图1为这种电路的原理框图，其中，整流器为单相桥式不可控整流器，主电路

采用DC/DC变换电路，控制电路内部包含有一个电压误差放大器、一个电流误差

放大器、一个模拟乘法器和一个固定频率的PWM控制器。可以看出，调节器采用

了电压、电流双闭环控制方式，电流反馈网络的取样信号是升压变换器的电感电流，

电压反馈网络的取样信号是调节器的输出电压。现对这种电路的工作原理加以分

析：

单相220V、50HZ交流电经过桥式整流后得到100HZ的单相双半波正弦电压

信号，此电压波形作为PFC控制器的输入电流的参考波形，输入到乘法器，为了保证输出电压恒定，将输出电压通过电压反馈网络也引入乘法器，经过乘法器运算后，作为电流波形的参考值，并与实际取样的电流进行比较后，通过PWM控制器产生PWM驱动信号，控制升压变换器的输出电流和电压。由于采用了闭环控制，将升压变换器的实际电流通过反馈网络引入电流误差放大器，保证了升压变换器的电流能够准确跟踪经过乘法器运算所规定的电流值。假定PFC 的整个控制环节都是理想的，则输入电流波形就能够完全跟踪电压波形的变化，这样从电源输入端来看，电路的负载为纯粹的线性电阻，电路的功率因数等于1，实现了功率因数校正的功能。

有源功率因数校正按主电路的形式来分，可分为单相硬开关校正电路、单相软开关校正电路和三相校正电路。下面，对各自的工作原理加以分析，并指出其各自的优缺点。

3 单相硬开关有源校正主电路的分析

非隔离型单相硬开关有源功率因数校正电路主要有升压型（Boost）、降压型（Buck）、升降压型（Buck-Boost）等，下面，对这几种电路的工作原理分别加以分析。

3.1 Boost-PFC主电路

图2为升压型PFC主电路的原理图，这种电路的工作过程如下：

图2Boost 型PFC主电路原理图

当开关管Q导通时，电流IL流过电感线圈L，在电感线圈未饱和前，电流线性增加，

电能以磁能的形式储存在电感线圈中，此时，电容C放电为负载提供能量；当开关管Q

关断时，由于线圈中的磁能将改变线圈L两端的电压极性，以保持其电流IL不变。这样，

线圈L转化成的电压VL与电源VIN串联，以高于输出电压向电容和负载供电。这种电路

的优点是输入电流完全连续，并且在整个输入电压的正弦周期都可以调制，因此可获得很高的功率因数；电感电流即为输入电流，容易调节；开关管门极驱动信号地与输出共地，驱动简单；输入电流连续，开关管的电流峰值较小，对输入电压变化适应性强，适用于网压变化特别大的场合。其主要缺点为输出电压必须大于输入电压的最大值，所以输出电压比较高；不能利用开关管实现输出短路保护。

3.2 Buck-PFC主电路

图3为降压型主电路的原理图，这种电路的工作过程如下：

图3Buck型主电路原理图

当开关管Q导通时，电流IL流过电感线圈，在电感线圈未饱和前，电流IL线性增加；

当开关管Q关断时，由于线圈中的磁能将改变线圈两端的电压极性，以保持IL不变。由于变

换器输出电压小于电源电压，故称它为降压变换器。这种电路的主要优点是开关管所受的最大电压为输入电压的最大值，因此开关管的电压应力比较小；后级短路时，可以利用开关管实现输出短路保护。该电路的主要缺点是：由于输入电压大于输出电压，该电路才能工作，所以在每个输入正弦周期中，该电路有一段因输入电压低而不能正常工作，输出电压较低，相同功率等级时，后级DC/DC变换器电流应力较大，开关管门极驱动信号地与输出地不同，驱动比较复杂，输入电流断续，因此功率因数不可能提高很多。

3.3 Buck-Boost-PFC主电路

图4为升降压型主电路的原理图，这种电路的工作过程如下，当开关管Q导通时，电流IIN流过电感线圈，L储存能量，此时，电容C放电为负载提供能量；当开关Q断开时，IL有减小趋势，电感线圈产生的自感电势反向，二极管D正向偏压而导通，电感释放其储存的能量，向电容C和负载供电。

图4Buck-Boost 型主电路原理图

该电路的优点有：即可对输入电压升压，又可以降压，因此在整个输入正弦周期都可以连

续工作；该电路输出电压选择范围较大，可根据后级的不同的要求设计；利用开关管可以实现

输出短路保护。该电路的主要缺点有：开关管所受的电压为输入电压与输出电压之和，因此开

关管的电压应力较大；由于每个开关周中，只有在开关管导通时才有输入电流，因此峰值电流较大；开关管门极驱动信号地与输出地不同，驱动比较复杂；输出电压极性与输入电压极性相反，后级逆变电路较难设计。

上面介绍的非隔离型功率因数校正主电路，一般工作在电感电流连续模式，下面介绍的隔离型功率因数校正电路，工作在电感电流不连续模式，用一般的电压型控制，这种主电路拓扑主要适用于小功率应用场合。

3.4 Forward-PFC主电路

图5为正激型主电路的原理图，这种电路的工作过程如下：

图5Forward型主电路原理图

当开关管Q导通时，二极管D1正偏压而导通，电网向负载提供能量，输出电感L

储能。当开关管Q关断时，电感L储存的能量通过续流二极管D2向负载释放。这种电

路的优点是功率级电路简单，缺点是要增加一个磁复位回路来释放正激期间电感中的储

能。

3.5 Fly-back-PFC主电路

图6Fly-back型主电路原理图

图6为反激型主电路的原理图，当开关管Q导通时，输入电压加到高频变压器B1的原边绕组上，由于变压器副边整流二极管D1反接，副边绕组没有电流流过，此时，电容C放电向负载提供能量。当

开关管Q关断时，绕组上的电压极性反向，二极管D1正偏导通，开关管导通期间储存在变压器中的能

量通过二极管D1向负载释放。这种电路的优点是功率级电路简单，具有过载保护功能。

4 单相软开关有源校正主电路的分析

单相软开关有源校正主电路可分为零电流开关（ZCS）变换器、零电压开关(ZVS) 变换器、零电流转换(ZCT) 变换器、零电压转(ZVT)变换器、有源钳位ZVS变换器，下面对这几种电路的工作原理加以分析。

4.1 零电流开关ZCS-PFC主电路

Buck型ZCS- PFC主电路如图7所示，这种电路的工作过程如下：

图7Buck型ZCS-PFC主电路原理图

初始时刻，主开关管S1在谐振电感Lr作用下零电流导通，电感电流iLr在输入电

压Vin的作用下线性上升，当iLr 等于输出电流I0 时，续流二极管D在零电流下自然

关断；D关断之后，谐振电感Lr与谐振电容Cr开始谐振，经过半个谐振周期，Lr上

电流iLr以谐振方式再次达到I0，谐振电容电压VCr上升到2Vin，此时由于S2处于关断状态，故iLr和Cr将保持在该值上，无法继续谐振。此状态的持续时间由电路的PWM控制决定。当需关断主开关管S1时，先开通辅助开关管S2（在Lr作用下零电流导通），Lr与Cr再次谐振，当iLr谐振到零时，D1导通，iLr继续反方向谐振并到零。此期间，S1可在零电流零电压下完成关断过程。此后，VCr在I 0作用下衰减到零，D自然导通。S2可在此后至下一周期来之前以零电压零电流方式完成关断过程。

从上述分析来看：ZCS变换电路中所有开关管及二极管都是在零电压或零电流下完成通断的。且主开关管电压应力低。其缺点是主开关管电流应力大，续流二极管电压应力大，由于谐振电感在主功率能量的传递通路上，因此ZCS条件与输入电压、负载等有很大的关系。