單相單級APFC拓撲綜述

王 戰，劉 威

（1.廣東省高級技工學校，廣東 博羅 516100；2.西華大學 電氣與電子信息學院，四川 成都610039）

0 前言

隨著電力電子技術的快速發展，電力電子裝置已經廣泛應用到電力、家電、通訊、新能源以及高壓直流傳輸等各個領域中。眾所周知，整流裝置是電網能量轉化的主要電力電子裝置，由二極管和電容組成的傳統不控整流裝置對輸入進行整流濾波時，只有在輸入交流電壓的峰值部分才有輸入電流，導致輸入電流含有很大的電流諧波分量，嚴重干擾了電網，造成電能的大量損失，所以傳統的不控整流裝置已經成為注入電網的主要諧波源，給電網造成了嚴重的“污染”，對電網的安全穩定運行構成了嚴重的威脅；與此同時，傳統整流裝置本身存在的功率因數低、電能損耗大、直流電壓波動等問題，也極大地制約了電力電子裝置的應用[1]。

為了滿足IEEE-519和IEC1000-3-2等標準，功率因數校正PFC（Power Factor Correction）技術越來越備受國內外專家和學者的關注。PFC技術主要分為無源功率因數校正PPFC（Passive Power Factor Correction）技術和有源功率因數校正APFC（Active Power Factor Correction）技術，PPFC技術是采用無源器件，如電感和電容組成的諧振濾波器，實現PFC功能，主要有傳統的LC濾波法、填谷（Valley）式PPFC方法、電荷泵（Charge Pump）PFC方法；APFC技術是指采用有源器件，如開關管和控制電路，實現PFC功能，從電路結構上分為兩級結構和單級結構[2-3]。兩級結構分為PFC級和直流變換器兩部分，兩級結構具有高性能的優點，即高功率因數、高調壓精度和高反應速度、結構相對簡單、技術成熟；缺點是至少需要兩個開關管和兩套控制電路，電路較復雜、整機效率和性價比都較低，所以適用于對性能要求高、價格不敏感的中大功率場合[4]；單級結構包括一級DC/DC變換器構成的非組合型結構和兩級DC/DC變換器合并為一級的組合型結構[5]，組合型結構中PFC級多使用Boost變換器，后級DC/DC變換器多使用具有電隔離能力的正激、反激、橋式等變換器，與兩級結構相比，此結構的PFC級和DC/DC級合并在一起，只需一個開關管和一套控制電路，既有PFC功能又有調壓功能。尤其在要求體積小、結構簡單、性能較好以及性價比高的應用場合，單級結構得到了廣泛的應用，單級結構按耦合方式分為直耦磁耦式，其中直耦式是后端與負載沒有變壓器隔離單級結構；磁耦式是后端通過磁耦式變換器（正激、反激式等變換器）與負載相連接，有電氣隔離能力[6]。

在此主要對單級結構展開討論。詳細分析直耦式拓撲電路中的傳統Boost PFC變換器的電路結構及優缺點，同時針對該變換器存在的缺點，介紹了融合其他技術的改進型拓撲結構，主要有多電平APFC電路拓撲、交錯并聯Boost APFC電路拓撲以及無橋APFC電路拓撲等；并對磁耦式拓撲結構進行了歸納性的綜述。

1 直耦式主電路拓撲

1.1 傳統直耦式APFC電路拓撲

研究表明，每種單象限不帶隔離變壓器的DC/DC變換器都可以與不控整流器構成直耦式APFC電路[5]。圖1是Boost APFC電路拓撲，該電路拓撲多使用電壓電流雙環控制，電壓外環實現輸出直流電壓的調節，電流內環實現電流跟蹤以保證網側電流正弦化[7]。Boost APFC電路主要優點有：①該電路由于輸入端存在電感，不僅使不控整流橋輸出電流更好地跟蹤輸出電壓，而且對電流起到了濾波作用，有利于濾波器的設計；②該電路由于自身升壓的特性，輸出電壓大于輸入電壓峰值，通過占空比的調節可以使電路工作在較寬的輸入范圍內。但是Boost功率因數校正電路存在以下問題：①該電路沒有電氣隔離能力，所以不能應用于輸入/輸出需要電氣隔離的場合；②由于Boost結構的升壓特性，該電路不能應用在輸出電壓要求比輸入電壓低的場合，同時開關管電壓應力大以及工作在硬開關，使得開關損耗大；如果電感工作在電流連續模式時，續流二極管存在嚴重的反向恢復的問題。

圖1 Boost APFC電路拓撲

1.2 多電平APFC電路拓撲

Boost APFC電路拓撲具有結構簡單、效率高等特點，常被用作單相APFC電路拓撲的首選。但是在高壓、高頻應用場合，該電路的升壓特性一方面增加了器件的開關損耗和通態損耗；另一方面，當電壓升高到一定程度時，給器件的選擇帶來了困難。文獻[8-11]提出的三電平PFC電路使開關管的電壓應力降低為原來的一半，在一定程度上解決了上述問題。由于傳統三電平PFC電路拓撲的開關管仍工作在硬開關特性下，所以當開關頻率較高時，開關損耗仍然很大?；诖巳娖絇FC電路并結合軟開關技術，有學者提出了如圖2所示的三電平無源無損軟開關PFC變換器[8]。在原來三電平電路拓撲的基礎上增加了由緩沖電感 Lr1（2）、緩沖電容 Cr1（2）、儲能電容Cs1（2）以及六個二極管組成的無源無損軟開關單元，該電路拓撲與傳統三電平電路相比有以下優點：①將開關管和二極管上電壓應力降至輸出電壓的一半，能夠實現兩個開關管V1、V2的零電流開通和零電壓關斷以及續流二極管的零電壓開通和關斷，從而降低了主開關的電壓應力、開關損耗以及EMI；②通過每個周期Cs1（2）吸收諧振能量并最終將其轉移到負載，實現了吸收電路能量的無損運行，提高了系統效率[9-11]。但是在許多單相應用中，輸出功率達到幾kW，輸入電壓可能相當高，在高耐壓的功率開關管還較少且導通電阻較大的情況下，三電平功率因數校正電路已不能滿足要求。為解決這一問題，文獻[12]提出了多電平功率因數校正電路，此電路功率因數的額定電壓是直流輸出電壓的1/（N-1），因此減小了開關器件的開關損耗和電壓應力，提高了系統的效率，使系統的EMI減小。當輸入電流紋波的要求相同時，多電平功率因數校正電路輸入電感的電感量是傳統功率因數校正電路輸入電感的，大大減小了電感的尺寸，提高了功率密度。因此，多電平功率因數校正電路可以使用耐壓較低、價格廉價的開關器件和較小的電感實現高壓、大功率的輸出。

圖2 無源無損三電平Boost APFC電路拓撲

1.3 交錯并聯Boost APFC電路拓撲

傳統Boost PFC電路拓撲技術成熟，應用廣泛，然而隨著功率等級的增加，開關器件承受的瞬間電壓和電流應力以及變化率都會隨之增大，同時產生嚴重的電磁干擾，所以傳統的Boost PFC電路已不能滿足功率等級增加的需要。為了解決上述問題，有學者把交錯并聯技術應用到PFC電路拓撲中[13-18]。交錯并聯Boost PFC電路拓撲通過將多個APFC單元模塊進行交錯并聯組合成一個APFC變換器，使流過每個APFC單元模塊的功率開關管的電流僅為變換器輸入電流的一部分，相比傳統的Boost PFC電路拓撲有明顯的優點：①輸入電壓一定的前提下，如果開關管承受相同的電流應力，則前者可以輸入較大的功率等級，如果輸入相同的功率等級，前者的開關管承受的電流應力??；②通過適當的控制使流過每個電感的紋波電流相互錯開一定相位，單個PFC單元模塊的電感電流紋波疊加時會相互抵消一部分，使總的輸入電流紋波幅值減小，并提高輸入電流紋波的頻率，降低了EMI，從而降低了濾波器的設計難度[16]。采用交錯并聯技術的Boost PFC變換器具有很大的學術研究意義和工程應用價值。目前常用的交錯并聯PFC采用兩個Boost電路組成，如圖3所示，與傳統的APFC電路相同，交錯并聯電路也可以工作在CCM[18]、DCM以及CCCM[17]。目前國內外學者大多關注交錯并聯Boost APFC變換器的DCM工作的探索與改進，將交錯并聯技術引入到DCM APFC電路中，使變換器既具有DCM模式下零電流開關（ZCS）的優勢，又能因兩相電感電流的交錯疊加、電路輸入電流紋波變小時，呈現CCM模式的特性[13-15]。

圖3 雙重交錯并聯Boost APFC電路拓撲

近年來，已經有很多學者和研究人員對圖3所示的拓撲電路進行了改進，提出一些新的拓撲方案，在交錯控制的同時，實現軟開關的特性，或者降低由二極管反向恢復帶來的損耗，提高效率。

如采用耦合電感式的交錯并聯APFC電路[19-20]，主電路拓撲如圖4所示，相比圖3電路拓撲有以下優點：①由于使用了耦合電感，該電路的控制信號交替地加到開關管V1和V2，使它們交錯導通，避免了基本型拓撲兩開關管同時導通的情況；②由于兩個繞組耦合時必然會存在漏感，解耦后將形成三個等效的非耦合電感，開關管開通瞬間，由于漏感的存在，開關管的電流將從零開始上升，減小了由于二極管反向恢復過程中引起的開關管導通損耗。但是耦合電感相比分立電感也有很大的缺點，在輸出功率、電感量相同的情況下，耦合電感相對于分立電感的PFC電路，電感的最大峰值電流將增大很多，峰值電流的增大造成耦合電感的磁心和電感開關器件的功率等級提高，開關損耗、鐵心損耗和線圈損耗增大，同時采用耦合電感的PFC電路輸入交流電流的諧波含量也比較高。

圖4 耦合電感式交錯并聯Boost APFC電路拓撲

針對圖4電路拓撲結構耦合電感存在的問題，有學者提出了三繞組形式的交錯并聯結構[21]，如圖5所示，第三繞組連接在兩個開關管的漏感之間，電感L1、L2的電流工作在連續模式。在開關管V1導通之前，電感L1中的電流分別流經電感LT和續流二極管VD5。由于第三繞組LT中也存在電流，這樣就使開關管V1導通時，電流從二極管VD5續流的電流值開始逐漸上升。采用合適的移相方式，可以使在開關管每次導通之前，對應二極管電流下降到零，實現開關管電流從零開始上升狀態，這樣開關管的開通損耗將大大下降，但該電路開關管仍是硬開關關斷。針對圖6電路拓撲存在開關管硬開關關斷的缺點，文獻[22]研究了一種新型的有源交錯并聯Boost軟開關電路，該電路在Boost主開關兩端并聯一個由關斷緩存吸收電容和有源輔助開關組成的有源緩存吸收支路，實現了開關管零電壓關斷，具體的工作原理分析參考文獻[22]。

1.4 無橋APFC電路拓撲

傳統Boost APFC變換器由于整流橋的存在而無法進一步提高轉換效率，特別是在低壓大電流場合，過高的導通損耗和開關損耗使整機的功率密度無法改善。為了減小變換器輸入端諧波電流造成的噪聲和對電網產生諧波污染，以保證電網供電質量，提高電網的可靠性，同時也為了提高輸入端功率因數和整機效率，以達到節能的效果。國內外學者對無橋PFC進行了研究[23-25]。在這些變換器中，雙升壓無橋Boost PFC（Dual Boost bridgeless APFC Converter，DBAPFC）結構[23]用兩個開關管代替二極管，消除了二極管整流器并提高了變換器的效率，但存在功率開關和電感利用率低以及電磁干擾等嚴重問題，如圖6所示。

針對圖6拓撲電路結構存在的功率開關和電感利用率低以及電磁干擾等缺點，有學者提出了如圖7所示的一種新型無橋變換器[24]，即把新型無橋Boost PFC變換器工作在交流側，是一個單級AC/DC整流器，其由一個可控主開關T、兩個響應狀態的開關二極管VD1和VD2、串接在輸入端的電感L1、很小的諧振電感Lr以及諧振電容Cr組成。由于單一開關管自身二極管及單向導電能力，因此開關T必須采用兩個串接的開關功率管（一般選用高開關頻率和低傳導損失能力的MOSFET），新型無橋Boost PFC變換器實際電路拓撲如圖8所示。新型無橋Boost PFC在交流輸入電壓正半周或是負半周內，具有傳統Boost PFC變換器的特性，輸入和輸出電壓關系式與傳統Boost變換器相同，僅與工作的占空比D有關，由于完全消除了整流器，減小了通態損耗和開關損耗，同時引入無損諧振網絡，開關管實現了軟開關功能，進一步減少了電路的通態損耗，使變換器的功率因數和效率得到很大的提升[25]。

圖6 雙升壓無橋PFC電路拓撲

圖7 新型無橋Boost PFC電路拓撲

圖8 新型無橋Boost PFC實際電路拓撲

2 磁耦式主電路拓撲

單級PFC變換器電路簡單、成本低，適用于小功率應用，市場前景廣闊。但是直耦式單級APFC電路拓撲有一個共同點就是輸入輸出存在直接的電氣連接，在實際應用中，由于電壓等級變換、安全、系統串并聯、多路輸出等原因，輸入和輸出往往需要電氣隔離，因此單級隔離型APFC技術也是近幾年來研究的熱點。

原則上各種DC/DC變換器都能應用于PFC技術中，由于Boost電路的輸入端存在電感，可以通過控制輸入電感的充放電時間來控制整流橋出口端電流的大小，從而使其跟蹤出口電壓波形，所以較其他拓撲更加適用PFC校正，文獻[26]詳細總結了Boost型隔離PFC變換器技術。如圖9所示，圖中正激式結構也可應用于反激式或半橋等拓撲。通過在Boost電感 L（A 點）、儲能電容 C（B 點）和開關 S（C點）之間加入二極管、電感、電容、變壓器繞組來實現PFC功能。按照PFC電感充電與放電支路之間的關系，可將單級PFC電路分為兩端式和三端式結構，如果只在AB或者AC之間插入器件則為兩端模式；如果在ABC三點間插入器件則為三端模式。Boost型正激式PFC電路具有功率因數高、電路結構簡單、效率高等特點，然而該變換器由于開關管關斷時變換器磁心具有剩磁，可能導致變換器磁心飽和，因此必須添加復位電路，從而增加了電路的復雜性，同時變換器的磁心單向磁化，磁心利用率低，在中大功率應用受到限制[27]。Boost型反激式變換器同樣具有結構簡單、效率高等特點，雖然該電路不需要復位電路，但高頻變壓器工作在第一象限，磁心利用率低，同時開關管工作在硬開關，開關損耗大，因此，反激式變換器僅適合小功率場合[28]。Boost半橋PFC變換器由于能雙端磁化，與相同體積的正激PFC電路相比，磁心利用率高，能輸出的功率大，適合應用于中等功率場合，但是基于半橋的PFC變化器輸入電壓利用率低，開關管的電流應力高，限制了其在高壓大功率領域的應用[29]。

圖9 Boost型正激PFC電路原理

為了滿足中大功率場合應用的需求，很多學者將Boost結構和全橋結構組合成單級PFC變換器[30]，典型的Boost型全橋PFC變換器如圖10所示。在不控整流橋與全橋DC/DC之間增加了一個輸入電感，該電路具有變壓器雙端勵磁，磁心利用率高，同時相比半橋PFC變換器，電流應力較低，更適合大功率應用場合。

3 結論和展望

近年來，PFC技術的研究熱點主要集中在：降低開關損耗和電壓應力，減小功率損耗以及提高系統效率；降低諧波，提高功率因數；提高瞬態響應速度和動態性能等，并從電路拓撲、控制策略提出一些創新方法。電路拓撲方面有軟開關技術、多電平技術、交錯并聯技術、無橋技術等；控制策略方面有基于現有拓撲結構的新型控制方法以及基于新拓撲的特殊控制方法的研究，如單周控制、滑膜控制、預測控制、空間矢量控制、非線性載波控制等。近十年來國內外學者對單相功率因數校正技術進行了深入的分析和研究，提出了具有各自優缺點的單主電路拓撲結構和相應的控制策略。對其進行分類，梳理電路結構和控制方法的本質、區別與聯系，將為下一步的研究奠定一定的基礎和提供一個好的思想平臺。

圖10 Boost型全橋PFC電路原理

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