绪论
1.2 研究内容
本论文以典型功率因数校正电路及其应用为核心内容，结合国内外开关电源PFC技术的发展方向，系统地介绍了开关电源PFC技术的原理及典型模块的技术特性，重点介绍了开关电源PFC电路的设计与应用技术。从开关电源PFC技术的发展与创新技术在工程设计中的应用等方面，多角度地讲述开关电源PFC技术的发展和应用，具有技术前沿实用等特点。
1.3 新型开关电源的发展状况与发展趋势
1.3.1 新型开关电源
1. 新型开关电源的主要技术指标
市场对新型开关电源的主要技术要求有：高可靠性开关电源系统的MTBF（平均无故障工作时间）应为15万小时；低电磁污染，主要包括低输入谐波干扰和低高频电磁干扰两个方面；低输出纹波，纹波大是开关电源的主要缺点之一，是引起数字电路误动作，计算机死机的主要原因之一。
2. 新型开关电源的组成
新型低污染、高效率、低应力、低输出纹波开关电源主要包括EMI及浪涌吸收滤波电路、相移谐振软开关DC/DC变换电路及输出纹波抑制电路等。新型开关电源采用的新技术有以下几项。
（1）低应力、高可靠性电源变换技术
功率器件开关应力（包括热应力和电应力）是影响电源可靠性的主要因素。热应力包括其稳态升温和开关过程中的动态功耗两部分。电应力即开关过程中电压、电流的变化率及峰值。新型电源设计中采用软开关变换技术来减小功率器件的应力，提高系统的可靠性。软开关变换技术包括前级功率因数校正、软开关变换技术和后级相移软开关变换技术两部分
控制电路采用Unitrode公司的UC3855集成电路构成，主、辅管驱动波形如图1-1所示。VT1为主开关管，VT2为辅开关管，在主开关管VT1开通之前先使VT2导通，实现主开关管的零电压开通，从而显著降低功率器件的开关损耗和开关电应力，提高系统的可靠性和电磁兼容性。
（2）低级软电源变换技术
低频谐波干扰及高频电磁干扰是开关电源污染的主要形式，低频谐波干扰主要来源于开关电源输入的非线性。目前减小低频谐波干扰的主要措施有无源校正措施和有源校正措施。新型电源多采用有源功率因数校正技术，即采用有源功率变换技术使开关电源输入线性化。其工作原理是，通过电压、电流闭环控制和功率变换电路使输入电流跟踪输入电压，以提高系统功率因数，减少低谐波。
高频电磁干扰是开关电源的另一种污染，指150KHZ~30MHZ的高频传导干扰。高频电磁干扰主要包含两类干扰：一是常模干扰，即高频器件开关引起的输入线之间的干扰；二是共模干扰，即功率器件、变压器与机壳之间的漏电流引起的输入线与机壳之间的干扰。
（3）抑制输出纹波的措施
开关电源输出纹波主要来源于四个方面，即输入交流电源噪声、高频差模噪声、寄生参数引起的共模噪声和功率器件开关过程中产生的超高频谐振噪声。交流电源噪声主要来源于输入工频交流分量，可采用前级预稳压和增大ＤＣ／ＤＣ变换器闭环增益的方法来消除。高频差模噪声来源于高频功率开关变换电路，其大小主要和开关电源的变换频率、输出滤波器的结构和参数有关，设计中应尽量提高功率变换频率以减小高频开关噪声。共模噪声主要来源于功率器件、变压器与机壳之间的漏电流，应尽量减小功率器件、变压器与机壳之间的寄生电容，并在输出侧加共模电感和共模电容，以减小共模输出噪声。超高频谐振噪声主要来源于高频整流二极管反向恢复时二极管结电容、功率器件开关时其结电容与线路寄生电感的谐振。通过选用恢复特性二极管、结电容小的开关管和减少布线长度等措施可减小超高频谐振噪声。
１.３.２功率因数校正技术的发展动态
１. 有源功率因数（ＡPFC）控制电路硬件的发展趋势
APFC控制电路的硬件形式正向两个方向发展，一是用于APFC的集成控制电路的研发，目前国外已经有多家公司生产用于APFC 的专用集成控制器。集成控制器具有体积小、功能强、系统电路简单等优点，因此得到了广泛应用。二是将控制电路的功能融合到整个AC/DC变换器系统中的电路形式，它不再附加集成控制器，甚至不设开关变换器。而是充分利用某一具体AC/DC变换器的特点，将开关变换器和集成控制器的功能融合到系统中去。这样不仅保护了AC/DC变换器原有的功能，减少了器件数量，而且提高能够了系统的可靠性，缩小了装置的体积。这种硬件形式是AC/DC技术发展的新方向。
２. 两级PFC技术的现状和发展趋势
目前文献上研究的两级PFC技术一般都是指Boost PFC 前置级和后随的DC/DC功率变换级。对Boost PFC前置级而言，研究的热点主要有两个，一是功率级的进一步完善，二是PFC控制的简化。在我过如果仅考虑单相电网输入且最高电压为270V，则该母线电压就必须设置为385~400V。MOSFET的开通损耗和二极管的反向恢复损耗在PWM硬开关工作状态下都会相当大，因此最大的问题就是如何减少或者消除这两个损耗。相应地就有许多软开关Boost变换器理论的研究，现在较具代表性的有两种，其中一种是有源吸收技术，另一种是无源吸收技术。
除了Boost PFC功率级的软开关技术研究外，另一个人们较为关注的研究方向。目前最为常用的控制技术有三种，即平均电流型控制Boost PFC、CCM/DCM边界控制Boost PFC以及电流钳位控制Boost PFC.
3.单级PFC技术发发展的现状和发展趋势
研究单级PFC技术的目的是减少器件数量，降低成本，提高效率和简化控制模式，在这里控制器的作用是保证快递、稳定的输出。对于输入的功率因数，则需功率级自身获得。功率因数的高低、谐波电流的高低与电感Li的大小和电路的拓扑结构等密切相关，这便是近五六年来研究单级PFC结构的真正动机。回顾单级PFC技术的研究历程，不难发现它只对各次电流谐波做了要求，而对功率因数并没要求，所以只要有改善的电流波形，电源产品就有可能达到谐波标准，与真正的有源PFC技术不同，它对功率因数仅作开环控制。事实上单级PFC技术已不能称为平方尺技术，但鉴于传统，这里仍称之为单级PFC技术。单级PFC电路实际上存在着一个非常严重的问题：当负载变轻、达到临界连续状态时，由于输出能量迅速变小，但控制占空比（由负载决定）没有变化，输入能量维持不便，使得输入功率Pi大于输出功率Po，多余的输入能量将对中间储能电容充电，电容器两端的电压Ucb增加，占空比减小，从而使Pi减小，最终达到一个新的平衡态，即Pi=Po.这一过程使中间储能电容两端的电压达到一个很高的值。在此后的许多单级PFC电路的研究中都努力将Ucb降至450V以内，以便可以利用现有的电容和功率器件
1.2 研究内容
本论文以典型功率因数校正电路及其应用为核心内容，结合国内外开关电源PFC技术的发展方向，系统地介绍了开关电源PFC技术的原理及典型模块的技术特性，重点介绍了开关电源PFC电路的设计与应用技术。从开关电源PFC技术的发展与创新技术在工程设计中的应用等方面，多角度地讲述开关电源PFC技术的发展和应用，具有技术前沿实用等特点。
1.3 新型开关电源的发展状况与发展趋势
1.3.1 新型开关电源
1. 新型开关电源的主要技术指标
市场对新型开关电源的主要技术要求有：高可靠性开关电源系统的MTBF（平均无故障工作时间）应为15万小时；低电磁污染，主要包括低输入谐波干扰和低高频电磁干扰两个方面；低输出纹波，纹波大是开关电源的主要缺点之一，是引起数字电路误动作，计算机死机的主要原因之一。
2. 新型开关电源的组成
新型低污染、高效率、低应力、低输出纹波开关电源主要包括EMI及浪涌吸收滤波电路、相移谐振软开关DC/DC变换电路及输出纹波抑制电路等。新型开关电源采用的新技术有以下几项。
（1）低应力、高可靠性电源变换技术
功率器件开关应力（包括热应力和电应力）是影响电源可靠性的主要因素。热应力包括其稳态升温和开关过程中的动态功耗两部分。电应力即开关过程中电压、电流的变化率及峰值。新型电源设计中采用软开关变换技术来减小功率器件的应力，提高系统的可靠性。软开关变换技术包括前级功率因数校正、软开关变换技术和后级相移软开关变换技术两部分
控制电路采用Unitrode公司的UC3855集成电路构成，主、辅管驱动波形如图1-1所示。VT1为主开关管，VT2为辅开关管，在主开关管VT1开通之前先使VT2导通，实现主开关管的零电压开通，从而显著降低功率器件的开关损耗和开关电应力，提高系统的可靠性和电磁兼容性。
（2）低级软电源变换技术
低频谐波干扰及高频电磁干扰是开关电源污染的主要形式，低频谐波干扰主要来源于开关电源输入的非线性。目前减小低频谐波干扰的主要措施有无源校正措施和有源校正措施。新型电源多采用有源功率因数校正技术，即采用有源功率变换技术使开关电源输入线性化。其工作原理是，通过电压、电流闭环控制和功率变换电路使输入电流跟踪输入电压，以提高系统功率因数，减少低谐波。
高频电磁干扰是开关电源的另一种污染，指150KHZ~30MHZ的高频传导干扰。高频电磁干扰主要包含两类干扰：一是常模干扰，即高频器件开关引起的输入线之间的干扰；二是共模干扰，即功率器件、变压器与机壳之间的漏电流引起的输入线与机壳之间的干扰。
（3）抑制输出纹波的措施
开关电源输出纹波主要来源于四个方面，即输入交流电源噪声、高频差模噪声、寄生参数引起的共模噪声和功率器件开关过程中产生的超高频谐振噪声。交流电源噪声主要来源于输入工频交流分量，可采用前级预稳压和增大ＤＣ／ＤＣ变换器闭环增益的方法来消除。高频差模噪声来源于高频功率开关变换电路，其大小主要和开关电源的变换频率、输出滤波器的结构和参数有关，设计中应尽量提高功率变换频率以减小高频开关噪声。共模噪声主要来源于功率器件、变压器与机壳之间的漏电流，应尽量减小功率器件、变压器与机壳之间的寄生电容，并在输出侧加共模电感和共模电容，以减小共模输出噪声。超高频谐振噪声主要来源于高频整流二极管反向恢复时二极管结电容、功率器件开关时其结电容与线路寄生电感的谐振。通过选用恢复特性二极管、结电容小的开关管和减少布线长度等措施可减小超高频谐振噪声。
１.３.２功率因数校正技术的发展动态
１. 有源功率因数（ＡPFC）控制电路硬件的发展趋势
APFC控制电路的硬件形式正向两个方向发展，一是用于APFC的集成控制电路的研发，目前国外已经有多家公司生产用于APFC 的专用集成控制器。集成控制器具有体积小、功能强、系统电路简单等优点，因此得到了广泛应用。二是将控制电路的功能融合到整个AC/DC变换器系统中的电路形式，它不再附加集成控制器，甚至不设开关变换器。而是充分利用某一具体AC/DC变换器的特点，将开关变换器和集成控制器的功能融合到系统中去。这样不仅保护了AC/DC变换器原有的功能，减少了器件数量，而且提高能够了系统的可靠性，缩小了装置的体积。这种硬件形式是AC/DC技术发展的新方向。
２. 两级PFC技术的现状和发展趋势
目前文献上研究的两级PFC技术一般都是指Boost PFC 前置级和后随的DC/DC功率变换级。对Boost PFC前置级而言，研究的热点主要有两个，一是功率级的进一步完善，二是PFC控制的简化。在我过如果仅考虑单相电网输入且最高电压为270V，则该母线电压就必须设置为385~400V。MOSFET的开通损耗和二极管的反向恢复损耗在PWM硬开关工作状态下都会相当大，因此最大的问题就是如何减少或者消除这两个损耗。相应地就有许多软开关Boost变换器理论的研究，现在较具代表性的有两种，其中一种是有源吸收技术，另一种是无源吸收技术。
除了Boost PFC功率级的软开关技术研究外，另一个人们较为关注的研究方向。目前最为常用的控制技术有三种，即平均电流型控制Boost PFC、CCM/DCM边界控制Boost PFC以及电流钳位控制Boost PFC.
3.单级PFC技术发发展的现状和发展趋势
研究单级PFC技术的目的是减少器件数量，降低成本，提高效率和简化控制模式，在这里控制器的作用是保证快递、稳定的输出。对于输入的功率因数，则需功率级自身获得。功率因数的高低、谐波电流的高低与电感Li的大小和电路的拓扑结构等密切相关，这便是近五六年来研究单级PFC结构的真正动机。回顾单级PFC技术的研究历程，不难发现它只对各次电流谐波做了要求，而对功率因数并没要求，所以只要有改善的电流波形，电源产品就有可能达到谐波标准，与真正的有源PFC技术不同，它对功率因数仅作开环控制。事实上单级PFC技术已不能称为平方尺技术，但鉴于传统，这里仍称之为单级PFC技术。单级PFC电路实际上存在着一个非常严重的问题：当负载变轻、达到临界连续状态时，由于输出能量迅速变小，但控制占空比（由负载决定）没有变化，输入能量维持不便，使得输入功率Pi大于输出功率Po，多余的输入能量将对中间储能电容充电，电容器两端的电压Ucb增加，占空比减小，从而使Pi减小，最终达到一个新的平衡态，即Pi=Po.这一过程使中间储能电容两端的电压达到一个很高的值。在此后的许多单级PFC电路的研究中都努力将Ucb降至450V以内，以便可以利用现有的电容和功率器件
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