Ⅰ 引言

目前，功率因數(shù)校正問題是許多電器設(shè)備都需要解決的問題。對此，人們提出了許多的電路拓撲和控制方案來解決它。其中運用較為廣泛的是利用BOOST型變換器來做功率因數(shù)校正。這是因為BOOST變換器具有許多其他電路拓撲所不具有的優(yōu)點，例如輸入電流連續(xù)，控制簡單等。但是BOOST變換器的輸出電壓必須要比輸入電壓高，這使得在許多場合中需要再增加一級直流變換器來調(diào)整其輸出電壓，例如BUCK變換器。電路如圖1所示，造成了電路成本高，驅(qū)動復(fù)雜等缺點。對此本文提出了一種新型的BOOST-BUCK電路拓撲，其電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。該變換器具有BOOST型變換器的大多數(shù)的優(yōu)點，同時還具有輸出電壓可調(diào)范圍大，輸出電流連續(xù)等優(yōu)點。比較圖1和圖2，我們可以看出BOOST-BUCK變換器是由BOOST變換器加BUCK變換器集成而成的，通過共用功率MOS管Ms來實現(xiàn)功率因數(shù)校正和輸出電壓的調(diào)節(jié)的。

文獻【2】指出，當(dāng)利用BOOST變換器做功率因數(shù)校正時存在兩種主要方法，利用乘法器方法和電壓跟隨方法。相對于前一種方法，后一種方法僅需要一個開環(huán)控制來保持恒定的占空比。當(dāng)BOOST電路工作在恒占空比的DCM狀態(tài)就可以實現(xiàn)很高的功率因數(shù)。輸入電流連續(xù)并且近似為正弦波，而且輸入電流連續(xù)可以進一步減小輸入的EMI濾波器。本文采用恒占空比方法來實現(xiàn)功率因數(shù)校正。

在穩(wěn)定狀態(tài)，功率MOS管工作在固定的頻率和固定的脈寬。相對于BOOST變換器，其工作于DCM狀態(tài)來實現(xiàn)輸入的高功率因數(shù);而BUCK變換器則隨著負載的變化或工作在CCM或DCM狀態(tài)。在一個開關(guān)周期內(nèi)，輸入電源相當(dāng)于一個直流電源，為了分析的方便，我們把圖2簡化一下，如圖3所示。

假設(shè)該變換器已工作在穩(wěn)定狀態(tài)。對應(yīng)與圖4，該變換器的一個開關(guān)周期內(nèi)的各個工作模式分析如下：

模式(a)t0-t1：在t0時刻，功率MOS管導(dǎo)通。相對于BOOST變換器而言，二極管D1反向截止;電感電流iL1 流經(jīng)Vs, L1, D3, Ms返回Vs。而對于BUCK變換器，二極管D1反向截止;電感電流iL2 流經(jīng)C1, L2, C2&R2, D2, Ms返回C1。兩電感均存儲能量。

模式(b)t1-t2;在t1時刻，功率MOS管關(guān)斷。相對于BOOST變換器而言，電感電流iL1通過二極管D1續(xù)流;電感電流iL1 流經(jīng)Vs, L1, D3, D1,C1返回Vs。而對于BUCK變換器，電感電流iL2 也通過二極管D1續(xù)流，電感電流iL2 流經(jīng)L2, C2&R2, D2, D1返回L2。兩電感均釋放能量。

模式(c)t2-t3;在t2時刻，功率MOS管保持關(guān)斷狀態(tài)。電感電流iL1降為零，BOOST變換器暫停工作。BUCK變換器仍然工作在續(xù)流狀態(tài)。

模式(d)t3-t4;在t3時刻，功率MOS管保持關(guān)斷狀態(tài)。電感電流iL2 也降為零。電容C2提供能量給負載。

圖5(a)顯示該變換器工作時的一個開關(guān)周期內(nèi)的關(guān)鍵波形。在設(shè)計過程中，BOOST變換器的電感L1必須被設(shè)計工作在斷續(xù)狀態(tài)。如圖5(b)所示，輸入電流的峰值會自動跟隨輸入電壓，從而實現(xiàn)功率因數(shù)校正。

當(dāng)要實現(xiàn)功率因數(shù)校正時，本變換器采用恒頻率恒占空比的控制方法來實現(xiàn)功率因數(shù)校正。假設(shè)輸入的交流電Vin=Vmsinwt，

則輸入電流的峰值：

(1)

(1)式中T為開關(guān)周期，D為占空比，Ton為開關(guān)管的導(dǎo)通時間。從圖5(b)可以看出，峰值電流跟隨著kVin的包絡(luò)線。

當(dāng)功率開關(guān)管關(guān)斷后，電感向BOOST的輸出電容充電，電流下降。電流下降間

(2)

(2)式中Vc1為BOOST的輸出電容上的電壓。

所以變換器的輸入電流

由(6)式可以確定輸入電感L1。

Ⅲ 仿真及實驗結(jié)果

仿真所采用的主電路如圖2所示，參數(shù)設(shè)計如下：交流輸入為正弦波，幅值Vin=310V，頻率f=50hz;BOOST電感L1=2mH，BUCK電感L2=2mH;BOOST電容C1=470u，BUCK電容C2=100u;功率開關(guān)管用IRF840;二極管采用MUR840。輸入濾波器電感為2mH，電容為50nf。

當(dāng)輸出Vout=86V時，負載R=200 歐姆。輸入電壓、輸入電流、輸出電壓的波形如圖6所示。

一個實驗電路被用于驗證所用電路的實用性。實驗參數(shù)如下：開關(guān)周期為33Khz;輸入交流120V;輸入濾波器參數(shù)為電感2mH，電容0.33uf;BOOST電感L1=1.3Mh，電容C1=470uf;BUCK電感L2=2.1mH，電容C2=1uf;功率開關(guān)管為IRF840;二極管為HER107。驅(qū)動采用UC3844進行控制。

當(dāng)輸出電壓Vout=85V時，測得輸入電壓電流波形如圖8所示。

圖8 輸入電壓、輸入電流的波形

當(dāng)輸出電壓Vout=225V時，測得輸入電壓電流波形如圖9所示。

圖9 輸入電壓、輸入電流的波形

從圖8、圖9中可以看出該變換器的輸出電壓可以高于或低于輸入電壓，且具有較高的功率因數(shù)。

Ⅳ 結(jié)論

本文提出并分析了一種新型的BOOST-BUCK變換器。該變換器具有連續(xù)的輸入電流和輸出電流，且其輸出電壓可調(diào)節(jié)范圍大。該變換器可用于做直流變換器，也可以用于做功率因數(shù)校正。理論分析和實驗均驗證了該變換器的實用性。