高功率因素Boost PFC變換器綜述

詹華

摘 要：隨著我國經濟的發展，越來越多的非線性負荷接入電網，各種換流設備的使用，使電網的電壓波形發生畸變，造成電能質量下降，威脅電網和各種用電設備的安全、經濟運行。為了能夠確保電網安全，研制出了各種PFC變換器。在PFC變換器中，Boost結構的應用相當廣泛。對Boost PFC變換器的研究成為了近年來研究的熱點，該文綜述了Boost PFC變換器的工作模式和近年來出現的實用的控制方法和拓撲結構，并對未來的發展進行了展望。

關鍵詞：高功率因素 Boost PFC變換器 功率因素校正 控制方式

中圖分類號：TM46 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）08（c）-0040-02

典型的Boost PFC變換器有諸多的優點，但是隨著功率因素校正技術的快速發展以及對整流技術的要求越來越高，近年來出現了很多新型的Boost PFC變換器的控制方法和拓撲結構。該文簡單地概述了Boost PFC變換器的工作模式，重點介紹了近年來出現的實用的Boost PFC變換器的控制方法和拓撲結構。

1 工作模式

1.1 不連續導通模式（DCM）

DCM通過電壓跟隨器電路可以直接采用常規的方法控制其輸出電壓，并能夠同時獲得接近于1的功率因數。控制電路簡單，僅需一個輸出電壓來控制功率開關。但由于該種結構的電感電流不連續，造成電流紋波較大，對濾波電路要求高；同時，其功率因素與輸入和輸出電壓有關，當輸入電壓變化時，其功率因素也將發生變化。因此，DCM方式的APFC電路很少被采用。

1.2 連續導通模式（CCM）

CCM電路結構中普遍應用到乘法器電路而又被叫做連續導電模式下的乘法器技術。它的工作原理是利用一個乘法器電路控制正弦電流參考信號，從而獲得可調整的輸出電壓；同時，其輸入電感電流采樣后與輸出電壓進行比較以使輸入電流同輸入電壓同相位，達到提高功率因數的目的。CCM型APFC因其峰值電流承受力低、輸入和輸出電流紋波小、THD和EMI小、濾波容易及頻率恒定等眾多優點而被廣泛應用在中大功率場合。

1.3 臨界導通模式（TCM）

TCM模式具有斷續模式下零電流開關的優點，開關電流損耗小，降低了電路損耗，無需斜坡補償，但是電路的頻率不固定，特別是在輕載時開關頻率變化范圍很大，不利于EMI濾波器的設計，多應用于照明和其他較低功率的產品中。

2 新型控制方法

2.1 變占空比控制方法

變占空比控制[1]是指在DCM Boost型功率因素校正時晶閘管的控制輸入采用變占比控制，這種控制方式與定占空比相比具有全輸入電壓范圍內可以將PF提到1，輸出電壓紋波小和效率高等優勢。

2.2 數字控制方法

數字控制方法具有可靠性高、抗干擾性強、電流畸變和功率因素得到有效改善、便于實現復雜的控制算法的優勢，是APFC控制技術發展的重要方向[2]。

2.3 單周期控制

單周期控制技術是20世紀90年代初由美國加州大學的K.M. Smedley提出的[3]。單周期控制技術是通過復位開關、積分器、觸發電路、比較器達到跟蹤指令信號的目的。

3 新型功率因素校正拓撲結構

3.1 無橋PFC變換器

D.M. Mitchell提出了Dual-Boost無橋PFC變換器方案[4]，引起國內外專家和學者的廣泛關注。與傳統橋式Boost PFC變換器相比，無橋方案利用開關代替橋臂二極管，減小了導通路徑開關器件的損耗，從而提高了效率，無橋Boost PFC典型結構見圖1。

3.2 三電平Boost PFC變換器

三電平變換器是近年來電力電子領域中高壓大功率應用場合研究的一個熱點，這種變換器用容量小的器件輸出高容量、高質量的電能，因此在中高壓變頻調速、交流柔性輸電系統等場合得到了廣泛的關注。

3.3 三態Boost PFC變換器

三態變換器最早是在2000年由Bascopé和Barbi提出的，它是由兩個有源開關管、兩個二極管和一個自耦變壓器組成[5]。由于三態開關單元的出現為大功率大電流的電源產品提供了一種很好的解決方案，近十幾年來，有大量的AC-DC和DC-DC變換器的拓撲結構出現。

4 結語

隨著功率因素校正技術的快速發展以及對整流技術的要求越來越高，對Boost PFC變換器的研究成為了近年來的研究熱點，該文主要綜述了近年來出現的實用的Boost PFC變換器的控制方法和拓撲結構。

參考文獻

[1] 杜海賓.功率因數校正技術的研究[D].沈陽：東北大學，2010.

[2] 王書強.基于DSP的數字控制單級橋式功率因數校正技術研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2011.

[3] Smedley K M，Cuk S.One-cycle control of switching converters[J].Power Electronics， IEEE Transactions on，1995，10（6）：625-633.

[4] D.M.Mitchell.AC-DC converter having an improved power factor：U.S.4 412 277[P].1983.

[5] Bascopé GVT，Barbi I.Generation of a family of non-isolated DC-DC PWM converters using new three-state switching cells[C]//Power Electronics Specialists Conference，2000.PESC 00.2000 IEEE 31st Annual.IEEE.2000.