众所周知单级功率因数校正由于控制电路简单、成本低、功率密度高在中小功率场合得到了广泛的应用。但是，单级PFC中存在一些问题，如储能电容电压随输入电压和负载的变化而变化，在输入高压或轻载时，电容电压可能达到上千伏，变换器的效率低，开关损耗大等缺点。因此如负载是可变的情况下，我们必须改进这些拓扑结构，以解决这些问题。
因此，单级PFC变换器的主要问题是在使输入电流谐波满足IEC1000-3-2和快速调节输出电压的同时，降低电容电压和提高效率；另外单级PFC变换器工作在硬开关状态时，开关器件承受的电压、电流应力高，因此，开关损耗很大。所以，人们提出了用变压器绕组实现负反馈，用软开关技术以及并联PFC等方法来降低电容电压，开关损耗和提高效率。下面介绍几种改进的拓扑以解决这些问题。
1．单级并联PFC变换器
典型的单级BoostPFC变换器如上图所示，电路在原带隔离变压器Boost拓扑结构中加入了VD1、Ss及Cb。电路工作时，当检测到输入功率(PIN)小于输出功率(Po)时，Ss开通，Cb中的能量释放到输出，这部分能量为P2。当输入功率(Pin)大于输出功率(Po)时，Ss关断，通过控制Sl～S4使多出的能量存人Cb。因此，电路的控制要实现三个功能，即输入电流控制、输出电压控制和电容电压控制。这种PFC变换器的主要优点是效率高。由于这三个被控量之间存在耦合关系，所以，控制电路复杂，控制器设计困难；另外，开关管数目多，成本较高，这些都是该变换器的主要缺点。因此，它适用于较大功率场合而不适用于小功率场合。于是人们又提出了一种单级反激式PFC变换器，如下图所示。
Tl、V、VD3、CL、RL构成电路的主支路，T2及VD2组成电路的辅助支路。储能电容Cb通过VD1充电到输入电压的峰值电压作为辅助支路的输入电压。由于两个并联反激支路同时工作，使用二极管VD2和VD3来防止这两个支路之间产生循环电流。该变换器由输入电压Vin和储能电容Cb同时给负载提供能量。尽管输入电压Vin给负载提供大部分能量，但是，当输入电压很小时，负载的能量主要由储能电容Cb提供。两个变压器可以在DCM或CCM下工作。对于小功率应用，为了提高效率，两个变压器都工作在DCM下。主支路与辅助支路之间的功率分配决定输入电流的谐波含量，而变压器Tl及T2的电感值决定功率分配。所以，通过正确的设计变压器Tl及T2的电感值可以使输入电流的谐波含量满足IEC1000-3-2的要求。该变换器仅用一个有源开关和一个控制环就可快速调节输出电压。
它的主要优点是结构简单、效率高、储能电容电压被钳位，电压值的大小等于输入电压的峰值，对功率开关管没有产生附加的电压应力。另外，在S开通时，由Tl直接传递大部分能量到负载，降低了开关管的电流应力，提高了变换器的效率。它的主要缺点是元器件数目多，成本较高。
2．用变压器绕组实现负反馈的单级PFC变换器
用变压器绕组实现负反馈的单级PFC变换器如下图所示。Ni为变压器耦合的绕组。用变压器绕组Ni实现负反馈来抑制电容电压Vb。当V开通时，Vc加在变压器的一次绕组N。，因此，绕组N1上的电压同Vb成正比。只有当输入整流后的电压大于Ni上的电压时，电感Vm上才有电流；V关断时，Lm上的能量经过VD1释放到Cb。负载变化引起Ve变化，加在Lm上的电压立刻变化，从而改变了输入电流和输入功率，有效地抑制了V的增长。但Ni的加入降低了功率因数，增加了电流谐波含量。
在下图的A和B之间再增加一个绕组N2，如右图所示。加绕组N2之后，在V关断时，加在电感Lm上的反向电压为Vc和N2上的电压之和减去输入电压，减小了输入功率，从而进一步降低了Vc，同时，也提高了功率因数。N2的选取应该满足Ni+N2<Np。可见，增大N1可以降低电容电压，提高效率，但同时降低了功率因数，增加了电流谐波含量。
如果要求更低限度地减小开关器件的电压、电流应力，那么在图7-19和图7-20中的二极管VD2和绕组Ni之间加入电感Lr使输入电流工作在CCM下。Lr可以利用变压器漏感，也可以另外加一个电感。
3．带低频辅助开关的单级PFC变换器
用变压器附加绕组实现负反馈，降低了电容电压，提高了效率；但同时降低了功率因数，增加 了电流谐波含量。针对这一不足提出了一种带低频辅助开关的单级PFC变换器，不仅有效地抑制了电容电压，提高了效率，同时还提高了功率因数，减少了电流谐波含量。
带低频辅助开关的CCM单级PFC变换器如上图所示，V为主开关，Vr为辅助开关。辅助开关Vr的驱动波形如下图所示，当输入电压在零附近时，辅助开关Vr导通，使附加绕组Ni短路，从而改善了输入电流的波形，减少了输入电流的谐波含量，提高了功率因数。当输入电压大于某一值时，辅助开关管Vr关断；辅助开关Vr在输入电压很小时才导通工作，其余时间不工作。因此，流过Vr的电流很小，Vr的功率损耗很小。由下图知，辅助开关的工作频率为交流电源频率的两倍。故在整个工作期间，Vr的开关损耗很小。另外，辅助开关Vr的控制电路也很简单。由上述分析知，带低频辅助开关的单级PFC变换器减小了输入电流的谐波含量，提高了功率因数和效率，降低了电容电压。
4．带有源钳位和软开关的单级PFC变换器
单级隔离式PFC变换器与普通的DC／DC变换器相比有电压、电流应力高，损耗大的缺点。因此，采用有源钳位和软开关等先进技术来减小单级隔离式PFC变换器的开关损耗和电压应力。
带有源钳位和软开关的单级隔离式PFC变换器如下图所示。V为主开关，Vr为辅助开关。Ce为钳位电容，Cb为储能电容，Cr为开关V和Vr的寄生电容以及电路中其他的寄生电容之和。Boost单元工作在DCM下，保证有高的功率因数。为避免DCM有较高的电流应力，Flyback设计为CCM。采用有源钳位和软开关技术限制了开关的电压应力，再生了储存在变压器漏感中的能量，为主开关和辅助开关提供了软开关条件，减少了开关损耗，提高了变换器的效率。主开关与辅助开关用同一个控制／驱动电路，进一步提高了电路的实用性。
单级PFC变换器由于具有电路简单，成本低，功率密度高的优点，因而在中小功率场合得到了广泛的应用。通过分析单级PFC的拓扑结构，指出了它存在的一些问题，如储能电容电压随输入电压和负载的变化而变化，在输入高压或轻载时，电容电压可能达到上千伏，变换器的效率低，开关损耗大，有源开关的电压、电流应力高。而对用变压器绕组实现负反馈，用软开关技术、低频辅助开关以及并联PFC等方法来降低电容电压和开关损耗，减少电流谐波含量和提高效率等问题进行了综述，并分析了几种改进拓扑的工作原理，比较了它们的优缺点。
本文关键字：校正 功率因数技术，电源动力技术 - 功率因数技术
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