单级BUCK-BOOST变换器实现APFC的原理及分析

1  引  言

目前，电力电子整流装置在生产生活中应用越来越广，特别是计算机和家用电器中大量使用开关电源使得电力网输入侧波型畸变，功率因数降低。因而使用带功率因数校正的开关电源对于电网的谐波治理和提高供电质量有很重要的意义。

传统的整流装置使用电桥整流加大的电容滤波使得交流侧输入电流为一尖峰电流，这是使交流侧输入功率因数降低的主要原因（如图1）。因此改变电路结构以使输入侧电流跟随输入电压就可以改善功率因数。

现在双级PFC（Power Factor Correction）的应用已经很成熟，它采用BOOST变换器作为前级PFC主电路，它的优点在于可以做到功率因数近似为1，但它控制复杂，成本高，适合用于中等功率的电源。对于中小功率的PFC控制最简、性能可靠、功率因数高成了设计者追求的目标。一般中小功率采用单级（Single Stage）PFC。近年来国内外许多文章对单级PFC做了大量研究，提出了很多实现方案。单级PFC可以采用BUCK-BOOST电路来实现，同时采用反激变换器（flyback conventer）隔离。

2  BUCK-BOOST变换器实现APFC的原理

BUCK-BOOST变换器是升降压型电路，它使得输入端电压不必低于Vc，同时易于实现反激变换（flyback converter）。电路工作于DCM模式，这样可以获得高功率因数和稳定快速的调节输出（文献1已有论述）。电路图如图2所示，假设负载为一电阻Rload，S为开关。

BUCK-BOOST变换器有两种工作状态如图3。

(a)  开关S导通，电源加到L上，负载由C供电。L上电压为Vg，L上的电流线性增加。

(b)  开关S断开，电感上的能量向Rload释放，电感电流减小到0。电感上的电压为Vdc。

设工频交流电压为Vm(t)=Vpsin(ωt)                              (1)

其中Vp为交流电压幅值、ω为输入工频交流电压的角频率。当S导通时有  D1为开关导通比，Ts为开关周期，如图4所示。当电路工作在DCM模式时  。

 为电流峰值。

于是有                            （2）

可以看出  。因此电感上的电流跟随输入电压，功率因数得到校正。

3  单级变换器的分析

传统的功率因数校正由两级组成，前级实现APFC，后级为电压变换器，如图5所示。PFC级工作于DCM模式，调节器可以工作于DCM或CCM模式，文献2已指出如果PFC工作于DCM而调节器工作于CCM模式，则可以获得较低的传导损耗，但dc端电压依赖于负载电流，这使得难以在不改变dc端电压的情况下控制输出来满足宽带范围要求。当两级都工作在DCM模式下，两级被dc端稳压电容分开，因而可实现高功率因数、宽负载和快速调节。适合应用于低功率电源。

双级反激式BUCK—BOOST功率因数校正可以通过变换开关管的位置并改变电路结构来实现单级变换器。如图6，可以把开关S1转移到  ，开关S2控制使得稳压电容对变压器的一次侧激磁和消磁让能量传递到二次侧。同样可以改变电路结构使激磁和消磁回路通过开关S，就可以只用一个开关管实现PFC和电压变换调节。

如图7，PFC级和DC/DC级共用一个开关，开关S开通时电感L激磁，同时稳压电容C放电，通过开关给变压器一次侧激磁；开关S关断时电感L通过稳压电容C续流，同时给电容C充电。完成单激PFC变换。为了滤去高次谱波，在电源输入侧加入LC滤波电路，使得输入电流更接近于正弦。

如果开关频率很高，输入功率在半波周期内可近似为：

        代入（2）式得：

                             （3）

这里开关导通比为D1，设二极管D3的的导通比为D2，则：    其中  

电容对变压器充磁功率为：                           （4）

对于本电路来讲  ，所以由（3）（4）可得  ，Lp为变压器一次侧电感。

由此可见Vc独立于输出负载，调节D1就可调节输出电压V0。

4  控制电路及小信号分析

BUCK—BOOST变换器的小信号分析模型如图8(a)所示，为了简化分析假设电路工作在临界模式，开关占空比为D，  表示开关管的小信号控制特性，  表示电压源的扰动，  表示输出电压的扰动。其闭环传递函数方框图为图8(b)。

G（s）为主电路传递函数，H1（s）为补偿网络传递函数，1/Vm为PWM传递函数，E为开关占空比变化对输入电压的传递函数。

5  仿真分析结果

5.1  产生PWM波的Matlab仿真模型如图9所示。

仿真波形如图10，ref为参考比较电压，Signal-Generator为三角波发生器，Scope显示了PWM调制输出。因而检测输出电压就可改变开关管控制脉冲的占空比。

5.2  BUCK-BOOST闭环控制电路仿真。

BUCK-BOOST闭环控制电路的Matlab模型如图11所示。

AV为交流输入，电压幅值为380V；Switch为理想开关，恒频工作，频率为3kHz；PWMGen为PWM发生器，产生脉冲宽度可调的PWM脉冲；Gainl和积分器组成为比较积分环节。设输出控制在200V，inport2显示了输入电流的波形。如图12。

从图12中我们可以看到输入电流近似为一正弦波（单位为mA），输出电压稳定在200V，同时使得输出纹波很小，如果再加入输入LC滤波功率因素为0.95以上。

6  总  结

本文分析了BUCK—BOOST电路实现单级功率因数校正的原理和电路变换过程，给出了DCM电流仿真分析的模型和仿真分析结果，验证了理论推导。证明了BUCK—BOOST电路是实现单级功率因素校正的一种较好的方法。

参考文献：

[1]  Y.-S.Lee and K.-W.Siu.“Single-switch fast-response switching regulators with unity power factor”，in Proc.IEEE APEC’96，1996，pp.791-796.

[2]  P.Kornetzky，H.Wei，G.Zhu，and I.Batarseh.“A Single-switch ac/dc converter with power factor correction”，in Proc.IEEE PESC’97，1997，pp.527-535.

[3]  T.F.Wu Y.K.Chen“Analysis and Design of an Isolated Single-Stage Converter achieving Power-Factor Correction and fast Regulation”，in Proc.IEEE，1999.8，Vol.46，No.4，pp.759-767.

[4]  张占松，蔡宣三.开关电源的原理与设计.电子工业出版社,1998.6.