技术应用・ＰＦＣ 一种准谐振单级功率因数校正电路的研究 侯晓云 （衡水学院电子信息工程学院，河北衡水０５５０００） 摘要：本文分析了一种准谐振单级单开关ＰＦＣ反激变换器。该变换器利用变压器的附加绕组实现功率因数 校正，简化了电路结构。电路可以在很宽负载范围内工作在准谐振方式，减小了开关损耗。由于采用了 数字降频控制方式，变换器效率得到了进一步提高。 关键词：单级；准谐振；功率因数校正；反激 Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ａ Ｓｉｎｇｌｅ－Ｓｔａｇｅ ＱＲ ＰＦＣ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ Ｈ０Ｕ Ｘｉａｏｙｕｎ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｅｎｇｓｈｕｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈｅｎｇｓｈｕｉ ０５３０００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ＱＲ ｓｉｎｇｌｅ—ｓｔａｇｅ ｓｉｎｇｌｅ—ｓｗｉｔｃｈ ＰＦＣ ｌｆｙｂａｃｋ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ａｄｄｉｔｉｏｎａｌ ｗｉｎｄｉｎｇ．ｐｏｗｅｒ ｆａｃｔｏｒ ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ ｉｓ ａｃｈｉｅｖｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｔｏｐｏｌｏｇｙ ｉｓ ｓｉｍｐｌｉｉｆｅｄ．Ｔｈｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｃａｎ ｗｏｒｋ ｉｎ ｑｕａｓｉ－ｒｅｓｏｎａｎｔ ｍｏｄｅ，ＳＯ ｔｈｅ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｌｏｓｓ ｉｓ ｒｅｄｕｃｅｄ．Ｂｙ ｍｅａｎｓ ｏｆ ｄｉｇｉｔａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｅｆｉｃｉｆｅｎｃｙ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｉｓ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｆｕｒｔｈｅｒ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｓｉｎｇｌｅ－－ｓｔａｇｅ；Ｑｕａｓｉ－－ｒｅｓｏｎａｎｔ；Ｐｏｗｅｒ Ｆａｃｔｏｒ Ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ；Ｆｌｙｂａｃｋｂａｃｋ 中图分类号：ＴＭ４６ 文献标识码：Ｂ 文章编号：０２１９ ２７１３（２０１１）１１．００３５—０５ ０引言 目前，开关电源凭借其效率高等优势在电 源领域中占主导地位。然而，大多数开关电源输 电网中产生大量高次电流谐波和无功功率，功率 因数通常在０．６５左右。国际和国内组织分别制定了 电流谐波标准，对高次谐波加以。目前，两 级功率因数校正电路应用较为广泛，但它的电路 较复杂，元器件个数较多，成本较高。针对这个 问题，本文对一种准谐振单级单开关ＰＦＣ反激变换 器进行了研究，详细介绍了该电路的结构和工作 原理，分析了控制策略，并通过实验进行验证。 ３５ 入端是由整流器和大容量电解电容器直接连接构 成，这种非线性电路使得输入电流呈脉冲状，在 收稿日期：２０１１－０８－０９ 第１４卷第１１期 ２０１１年１１月 鼋渌技 左阂 ＰＯＷＥＲ ＳＵＰＰＬＹ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＥＳ ＡＮＤ ＡＰＰＬＩＣＡＴＩｏＮＳ Ｖｏｌ｜１４ ＮＯ．１ｌ ＮＯＶ ２０１ １ １电路结构和分析 １）电路结构 准谐振单级ＰＦＣ变换器如图１所示。它只是在 准谐振反激变换器的基础上增加了一个电感和一 个变压器附加绕组，结构简单。其中，由储能电 容Ｃ 、谐振电容Ｃ 、原边绕组Ｎ 、副边绕组Ｎ 、 开关管ＶＴ、二极管ＶＤ 和输出滤波电容Ｃ。组成准 谐振反激变换器；电感Ｌ 、二极管ＶＤ 和附加绕组 Ｎ 组成ＰＦＣ部分。反馈电路采用ＰＦＭ控制，稳定 输出电压、减小开关损耗。开关管关断时，附加 绕组的存在，使输入电流死区角减小，减小了电 流谐波，提高了功率因数。 ２）工作模式和工作原理分析 该电路设计工作在ＤＣＭ＋ＤＣＭ方式下，属于 电压跟随型ＰＦＣ变换器。一个开关周期内，电路 有四种工作状态。各工作状态下的等效电路如图 ２所示。栅源电压【，。 、漏源电压Ｕ。 、输入电流 ｆ 原边绕组电压 、开关管电流ｉ 和副边电流ｉｓ 的工作波形如图３所示。 工作状态ｌ［ｔ ，ｔ ］：ｔｏ时刻，开关管ＶＴ开通， 储能电容Ｃ 两端电压直接加在变压器原边绕组Ｎ 上，为激磁电感ＬＭ充电，变压器获取能量。同 时，电感Ｌ 承受反压，电流线性减小，将其存储 的能量通过附加绕组Ｎ．转移到储能电容ｃ 。整流 二极管ＶＤ 截止，输出滤波电容Ｃ。向负载提供能 量。这一期间电路的微分方程为： 粤 一 －Ｏｃ 訾＝０ｃ Ｃ ｄＬ￣ｃｓ： ｄＵｏＵｏ ＝一 工作状态２Ｉｔ ，ｔ 】：ｔｌ时刻，电感Ｌ。的电流下 降到零，能量完全释放，二极管ＶＤ。自然关断，但 开关管仍然导通。储能电容Ｃ。继续为激磁电感充 电，变压器储能继续增加。同时，负载能量仍由 输出滤波电容Ｃ。提供。这一期间电路的微分方程 为： ３６ 图１ 准谐振单级单开关ＰＦＣ电路 （ａ）Ｅｔ０，ｔｌ】 ，ｌ上 （ｂ）［ｆ。，ｔ ］ ， Ｉ （ｃ）［ｆ２，ｔ ］ Ｒ。ｉ （ｄ）［ ，ｔ 】 图２等效电路 技术应用・ＰＦＣ ｄＬＢ －ｄ￣Ｂ ＋ 一 ｓ ＼ Ｃｏ ｄＵ ｏ一 警 一 ． ｌ Ｉ＝ 一 Ｎ ｐ ｉＭＵｏ 一 ㈥ 一：＝） Ｏ ～ ．１ ＼ ／／／ —、 ｄ工作状态４［ｔ ，ｔ 】：ｔ３时刻，副边电流降到 ｌｉ ｂ ， ｌ ｌ ／ ／ ／ ＼ 图３一个开关周期内的主要工作波形 Ｃｓ ｄＵ ｅｓ ＝一ｆＭ（２） 工作状态３［ｔ ，ｔ，］：ｔ２时刻，开关管ＶＴ关断， 变压器激磁电感ＬＭ为谐振电容Ｃ 快速充电，原边 电流下降，谐振电容Ｃ （开关管ＶＴ）两端电压变为 储能电容电压 。 与反射电压Ｕ 之和。电感Ｌ 承 受正压，ＶＤ 导通，电感电流线性上升。输人为电 感Ｌ。和储能电容Ｃ 充电。整流二极管ＶＤ：导通， 变压器开始释放储能，给输出滤波电容Ｃ 充电， 同时为负载提供能量。这一期问电路的微分方程 为： 零，变压器储能释放完毕，二极管ＶＤ：自然关断。 此时，变压器激磁电感ＬＭ与谐振电容ｃ 串联谐 振。谐振期间，原边绕组两端电压 是振幅为 的余弦波。附加绕组Ｎ 上的耦合电压也相应呈余 弦规律变化。电感Ｌ 两端电压相当于在直流电压 ＾， ｒ，一，，上叠加一个高频交流分量 Ｕ ，电感电 ｉｎ 。ＣＳ Ｎｐ 流波动。经过半个谐振周期，谐振电容Ｃ （开关管 ｖＴ）两端电压达到最小值。此时，令开关管ＶＴ开 通，电路进入下一个周期。这一期间电路的微分 方程为： ｆｓ＝。 ＝ ＋ 等 訾 也 誓： ｄＵｃｓ ＿ｆＭ Ｃ０警＝一 Ｕｏ 訾 ２控制芯片与控制策略 １）控制芯片 该电路采用芯片ＩＣＥ１ＱＳ０１，这是一种支持功 率因数校正和低待机损耗的开关电源控制芯片。 ＩＣＥ１ＱＳ０１管脚如表１所示 。 表１ ＩＣＥ１（３Ｓ０１管脚功能图 管脚结构 管脚 符号 功能 ｌ Ｎ．Ｃ． 空脚 ［ Ｎ ｃ Ｌ－＿Ｊ ｖｃｃ ］８ ２ ＰＣＳ 初级电流模拟 ３ ＲＺＩ 稳压和过零输入 ２［ ＰＣ￥ ＯＵＴ ］７ ４ ＳＲＣ 软启动与稳压电容 ３［ Ｉ ＧＮＤ ］６ ５ ＯＦＣ 过电压与故障比较器 ６ ＧＮＤ ＧＮＤ ４［ ＳＲＣ ｏ Ｃ ］ｓ ７ ０ＵＴ 驱动输出 ８ ＶＣＣ 电源电压 ３７ 第ｌ４卷第１１期 ２０１１年１１月 电涤艘ａｔ＂石用 ＰＯＷＥＲ ＳＵＰＰＬＹ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＥＳ ＡＮＤ ＡＰＰＬＩＣＡＴＩｏＮＳ Ｖｏ１．１４ ＮＯ．１ １ ＮＯＶ ２０１ １ 该芯片有如下两个主要特点： （１）准谐振控制 和负载的大小，而关断时间 仅取决于谐振电感 和谐振电容的大小。输入电压升高或负载减小都 会导致开关频率升高，开关损耗增大，这将严重 该芯片仅工作于准谐振模式。轻载时开关频 率不断降低，仍能维持电路工作在准谐振工作模 式。在负载从满载到空载的变化范围中，均能实 现零电压开通，有利于提高电路效率。 降低系统效率。减载降频控制则可以根据负载条 件调整关断时间丁０ 来降低开关频率对负载条件 的依赖。在这种策略下，满载时，变换器工作在 自由运行模式。随着负载的减小，开关管可能在 第一个、第二个或者更大数目的过零点处开通， （２）数字降频 芯片内部四位加减计数器的示数决定变压器 退磁后在第几个过零点处开通开关管。内部过零 并能借助于数字计数器的方式来实现 ］。采用这种 计数器对到来的过零信号进行计数，过零信号经 检测后由比较器放大。一旦过零计数器与加减计 数器的示数相等，比较器发送一个输出信号至双 稳态多谐振荡器的输入端，使开关管导通。负载 与频率之间的关系如图４所示。 图４负载与频率关系 ２）控制策略 该电路采用数字减载降频控制策略实现变频 控制。相互关系可用下式表示： ｒｏｎ Ｌｐ’ （５） ㈤ ｒｏ舵＝兀 （７） Ｔ＝ｒｏ ＋ ｍ＋ ｆｔ２ （８） 其中，Ｕ 为直流输入电压， 为原边峰值电 流， 为副边整流二极管正向压降。由此可以看 出，导通时间 和关断时间丁 。取决于输入电压 ３８ 频控策略，开关频率随着负载减小而降低，系统 效率也在整个负载范围内得到了明显的提高。 ３实验结果 根据电路工作原理，制作了１００Ｗ的实验样 机，并将该样机实验结果与无ＰＦＣ功能电路进行 比较，如图５所示。图５（ａ）所示波形为无功率因数 校正电路的输入电流谐波，图５（ｂ）所示波形为该实 验样机的输入电流谐波。 （ａ）无功率因数校正电路 （ｂ）实验样机电路 图５输入电流谐波 技术应用・ＰＦＣ 通过输入电流谐波分析的对比，可知，该单 级功率因数校正电路可以大大降低输入电流高次 【１］ＩＣＥ１ｑｓｏ１应用手册 参考文献 谐波含量，达到实验目的。 ［２］ 胡静，Ｊ．克亚特，Ｌ．洛伦兹．准谐振反激变换器的频 率调制策田各【Ｊ】．电力电子技术，２００６（３）：２３—２６ ４结束语 本文主要研究了一种准谐振单级单开关功率 因数校正电路。该电路基本不增加元器件就可以 实现功率因数校正，电路简单，成本低。同时， 结合准谐振和数字降频技术，可以降低开关应 力，提高整机效率。总之，该电路是中小功率应 用中很好的选择。 ［ｊ］ 陈永真，宁武，孟丽囡．单管变换器及其应用［Ｍ］．北 京：机械工业出版社，２００６． 作者简介 侯晓云（１ ９８４一），女，助教，硕士，主要研究方向为 开关电源。 细菌发电 细菌发电，即利用细菌的能量发电。历史 添人糖，就可获得２安培的电流，且能持续数月之 久。利用这种细菌发电原理，还可以建立细菌发 电站，计算表明一个功率为ｌ０００千瓦的细菌发电 站，仅需要１０００立方米体积的细菌培养液，每小 时消耗２００千克糖即可维持其运转发电。而这种电 站是一种不污染环境的”绿色”电站，其运转产生 的废物基本上是二氧化碳和水。 两位美国科学家宣称，他们已发明了世界上 可以追溯到ｌ９１０年，英国植物学家马克・皮特首 先发现有几种细菌的培养液能够产生电流。于是 他以铂作电极，放进大肠杆菌或普通酵母菌的培 养液里，成功地制造出世界上第一个细菌电池。 １９８４年，美国科学家设计出一种太空飞船使 用的细菌电池，其电极的活性物质是宇航员的尿 液和活细菌。不过，那时的细菌电池放电效率较 低。 第一种能够发电的“细菌电池”。这项研究是由 五角大楼提供资金支持的，该项目的两位研究员 直到２０世纪８０年代末，细菌发电才有了重 大突破，英国化学家彼得・彭托在细菌发电研究 方面才取得了重大进展。他让细菌在电池组里分 解分子，以释放出电子向阳极运动产生电能。在 糖液中他还添加了某些诸如染料之类的芳香族化 合物作稀释剂，来提高生物系统中输送电力的能 力。在细菌发电期间，还要往电池里不断充入 马萨诸塞州立大学的斯瓦德斯・查德乌里（印度籍） 和德里克・拉威莱（美国籍）说，这种电池的原料是 地下的细菌，它们在吞噬糖的过程中，能够把能 量转化为电。 由查德乌里和拉威莱制造的原型机能够生成 少量的电流，充其量只够一个计算器或圣诞树灯 泡的电力供应。然而，作为细菌电力的明证，这 空气，用以搅拌细菌培养液和氧化物质的混合 物。据计算，利用这种细菌电池每１００克糖可获得 １３５．２９３×１０ 库仑的电，其效率可达４０％。这已远 高于目前使用的太阳电池的效率，何况其还有再 提高ｌ０％的潜力可挖。只要不断给这种细菌电池里 种机器诞生的影响不可估量。它的能效达到惊人 的８３％，这也预示着，一旦克服工程技术障碍，找 到解决生产技术的方案，将来有一天，它可以当 做普通电池用。（摘自中国投资咨询网） ３９
