什么是电路拓扑结构_多种pfc电路的拓扑结构介绍

　　什么是电路拓扑结构

　　由于拓扑约束与元件的特性无关，在研究拓扑约束时，我们可以将电路中的元件用线段代替，画成一些由线段组成的图，如图1（a）中的电路图画成为图1（b）的拓扑图。

　　我们称图1（b）为图（a）所示电路的“图”，图中的各线段称为支路，线段的连接点称为节点。因此，图的确切定义是：一组节点与支路的集合，其中每一支路的两端都终止在节点上。在上图中，a，b，c，d，e，f，g，h为支路，1，2，3，4，5为节点。

　　在图中构成闭合一个闭合路径所需的数量最少的支路的集合称为回路，在回路中去掉一个支路则不能构成闭合路径。例如图2（a）所示的支路集合（a，b，c，d），（d，e，h）和（g，h）均为回路。在一个图中可以有许多回路。如果回路中不包围其他支路，则称这样的回路为网孔。在图2（b）中有4个网孔，它们是支路集合（a，b，c，d），（c，e，f），（d，e，g）和（g，h）。

　　如果在图上标明各支路电流（或电压）的参考方向（通常采用电压和电流的一致参考方向来同时表示电压和电流），这样的图则称为有向图，如图3所示。

PFC电路介绍

PFC就是“功率因数校正”的意思，主要用来表征电子产品对电能的利用效率。功率因数越高，说明电能的利用效率越高。PFC有两种，一种是无源PFC（也称被动式PFC），一种是有源PFC（也称主动式PFC）。无源PFC一般采用电感补偿方法使交流输入的基波电流与电压之间相位差减小来提高功率因数，但无源PFC的功率因数不是很高，只能达到0.7~0.8；有源PFC由电感电容及电子元器件组成，体积小，可以达到很高的功率因数，但成本要高出无源PFC一些。

无源功率因数拓扑结构

管什么样拓扑结构的无源功率因数校正电路，其能达到功率因数校正的目的，原理都是差不多的。简单来说就是通过一些无源元件，如电感、电容等的储能特性来延长整流部分二极管的导通时间，以此使流过负载的电流发生畸变的程度大大减小。一般来讲，这种电路的结构都比较简单，易于实现，而最后得到的功率因数值也与这些元件有很密切的联系。

由于二极管整流存在的诸多问题，一般采用的无源功率因数校正电路有：采用滤波电感的无源功率因数校正、采用填谷方式的无源功率因数校正、采用串联谐振的无源功率因数校正、采用直流反馈式的无源功率因数校正、采用高频反馈式的无源功率因数校正。下面仅对用得最为广泛的前三种无源功率因数校正拓扑结构进行分析。

1.采用滤波电感的无源功率因数校正拓扑

采用滤波电感的无源功率因数校正电路的主拓扑结构是在整流器和滤波电容之间串联一个滤波电容。其主电路图如图2-1。

图2-1中，由于当有变化的电流流过滤波电感时，会产生一个反电动势，其方向阻止电流发生变化，因而使充电电流的峰值比未加电感前要低，也由于它产生反向感应电动势的这一特性，使得在输入电压达到峰值后，之前导通的二极管两端的电势差仍能保持它的导通状态，因而增大了输入电流的导通角。

然而，在现实生活中，通常会将滤波电感置于整流之前，这样做有一个好处，就是交流电源内没有经过整流而得到的直流分量，这样的电流流过电感，不会使电感的铁芯因达到饱和而影响使用。其改进的拓扑结构如图2-2。

采用该方式，在满载时的功率因数一般可达到0.9以上。该方式线路简单，平均无故障时间长，无需对设计控制电路，能很大程度抑制3次以上的奇次谐波，且产生的电磁干扰基本上比较小，仅在电路中串联一个滤波电感，因而成本比较低。但由于元器件的性质，这种拓扑用于小功率的场合还比较广泛。

采用这种方式的无源功率因数校正法，由于电感元件在能量的传递中起载体的作用，因此电感器元件的选型是一个关键，其参数的大小直接影响着功率因数校正的效果。为了将畸变的电流转变为连续电流（即在每半个周期波形中，整流二极管导通角度要达到180°），滤波电感应达到一个门槛值。其大小与整流滤波电路的等效负载电阻之间的关系为

式2-1中，LC是滤波电感门槛值，单位为H；RL是等效负载电阻，单位为Ω；ω是电压输入角频率，ω=2πf，在国内系统里，ω=314。

从上述关系不难看出，选择的电感与等效负载电阻之间基本上有1Ω配1mH电感的关系。上述关系能得出，采用电感作为无源功率因数校正的手段时，等效直流负载最好是恒定的负载，否则无法保证线路中的电流连续性，也就无法保证功率因数校正的有效性。此外，还要注意满载时，电感器绝对不会进入饱和状态，否则电感量的减小将无法保证线路中的电流连续性。

但这种无源功率因数校正电路在应用中容易发热，也会产生频率比较低的噪声，器件占用面积大，器件本身也较重。而且由于很多电源在工作时并不是在额定功率下工作，即无源功率因数校正电路不是处于满载运行状态，使得实际得到的功率因数值比满载时还要略低些。

2.采用填谷方式的无源功率因数校正拓扑

近年来，无源功率因数校正技术也有所发展，采用填谷方式的无源功率因数校正法就是其中的一种，利用由电容和二极管网络构成的有功率因数校正作用的整流电路。其基本结构如图2-3所示。

当输入电压UIN高于C1和C2上的电压之和时，两个电容处于串联充电状态，并且UIN=UC1+UC2=UL，这一情况一直持续到输入电压的峰值。当UIN越过峰值以后，对普通桥式整流的单个电容滤波电路来说，整流桥的二极管将由于滤波电容上的电压高于输入电压的峰值而反向偏置，帮整流桥截止。但对填谷方式的无源功率因数校正电路来说，电容C1和C2的充电已经结束。但是无论C1还是C2，其单个电容上的电压比不上外加充电电压，因此这两个电容的放电不能进行（这时与C1和C2串联的二极管VD1和VD3被反向偏置），使得UL上的电压基本上还是跟踪输入电压在变化，直到输入电压等于其峰值电压的一半时，VD1和VD3向负载放电。在此之间，整流桥一直导通，一直有电流通过。等到输入电压等于其峰值电压的一半时，VD1和VD3由于正向偏置而导通，电容C1和C2用并联方式开始以指数规律通过VD1和VD3向负载放电。在此之后，由于输入电压低于C1和C2上的电压，整流桥始终保持截止，电源电流将出现死区。当输入电压越过正半周、进入负半周时，在开始的一段时间里，输入电压仍然低于UC1和UC2上的电压，所以整流桥依然反向偏置，不能导电。只有当输入电压高于UC1和UC2时，整流桥才能重新恢复导通，电源电流再一次对C1、VD2和C2充电，UC1+UC2的电压重新跟踪输入电压，按正弦规律上升，于是重复前面描述的情况。如此周而复始，循环不已。

表2-1是填谷方式的无源功率因数校正电路与普通桥式整流、电容滤波电路的参数测试结果对比。

由表2-1中得到填谷方式的无源功率因数校正电路的电流总谐波含量为28%，线路功率因数为0.894，而普通桥式整流、电容滤波电路的电流总谐波含量为117.5%，线路功率因数为0.592。

从表2-1可见，填谷方式的无源功率因数校正电路与普通桥式整流电路相比，3次谐波分量由77.1%降至10.8%；总电流谐波含量由117.5%降至28%；线路功率因数由0.592提高到0.954。

填谷方式的无源功率因数校正电路已应用于电子镇流器等小型电气设备［9］。这种方式虽能获得较高的输入功率因数，但是还不能非常有效地抑制输入电流中的谐波含量，所以应用中还是受到了限制。

用示波器观察图2-3所示电路的电压和电流波形可以发现，填谷方式的无源功率因数校正电路输入端电源电流波形的幅值明显降低，死区时间大大缩短，整流桥的导通角度达到120°以上，波形趋于连续，包络趋于正弦波形。但从直流输出电压UL的质量看，填谷方式的无源功率因数校正电路的输出电压纹波较大，脉动系数大，直流电压的测值约为230V，比较接近于交流输入电源电压的有效值，比普通桥式整流的电容滤波电路的直流输出电压低15%。在图2-3中，如果用一个电阻或电感与二极管VD2串联时，可进一步改善输入电流的波形。

填谷式无源功率因数校正电路是一种典型的逐流电路，它在90年代的照明电路中应用广泛，其功率因数校正值相比直接采用滤波电感的电路所能达到的值更高一些，而且也没有了电感元件，因而没有了对电感的高要求。但这种电路的供给开关管的直流电压波峰比很高，电流波峰比也很高，这种电路由于电路输出电压谷值只有电解滤波电路谷值的一半，因而不适合做降压电源。