Ⅰ 引言

功率因數校正的問題是目前許多電器設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點，例如輸入電流連續，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，驅動復雜等缺點。對此本文提出了一種新型的BOOST-BUCK電路拓撲，其電路結構如圖2所示。該變換器具有BOOST型變換器的大多數的優點，同時還具有輸出電壓可調范圍大，輸出電流連續等優點。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來實現功率因數校正和輸出電壓的調節的。

Ⅱ 電路分析

文獻「2」指出，當利用BOOST變換器做功率因數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控制來保持恒定的占空比。當BOOST電路工作在恒占空比的DCM狀態就可以實現很高的功率因數。輸入電流連續并且近似為正弦波，而且輸入電流連續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功率因數校正。 

在穩定狀態，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狀態來實現輸入的高功率因數；而BUCK變換器則隨著負載的變化或工作在CCM或DCM狀態。在一個開關周期內，輸入電源相當于一個直流電源，為了分析的方便，我們把圖2簡化一下，如圖3所示。

假設該變換器已工作在穩定狀態。對應與圖4，該變換器的一個開關周期內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管關斷。相對于BOOST變換器而言，電感電流iL1通過二極管D1續流；電感電流iL1 流經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續流，電感電流iL2 流經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管保持關斷狀態。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流狀態。模式（d）t3-t4；在t3時刻，功率MOS管保持關斷狀態。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周期內的關鍵波形。在設計過程中，BOOST變換器的電感L1必須被設計工作在斷續狀態。如圖5（b）所示，輸入電流的峰值會自動跟隨輸入電壓，從而實現功率因數校正。

當要實現功率因數校正時，本變換器采用恒頻率恒占空比的控制方法來實現功率因數校正。 

假設輸入的交流電Vin=Vmsinwt，則輸入電流的峰值：

(1) 

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

（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 仿真及實驗結果

仿真所采用的主電路如圖2所示，參數設計如下：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；功率開關管用IRF840；二極管采用MUR840.輸入濾波器電感為2mH，電容為50nf.

當輸出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。實驗參數如下：開關周期為33Khz；輸入交流120V；輸入濾波器參數為電感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；功率開關管為IRF840；二極管為HER107.驅動采用UC3844進行控制。 

當輸出電壓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。 

Ⅳ 結論

本文提出并分析了一種新型的BOOST-BUCK變換器。該變換器具有連續的輸入電流和輸出電流，且其輸出電壓可調節范圍大。該變換器可用于做直流變換器，也可以用于做功率因數校正。 

理論分析和實驗均驗證了該變換器的實用性。

參考文獻：

[1].J. Melis. “A power controlled current source， circuit and analysis”。[C] in Proc. IEEE-APEC 1994， vol. 2， pp 856-861.[2].K.-H. Liu and Y.-L. Lin. “Current waveform distortion in power factor correction circuits employing discontinuous-mode boost converters”。[C] in Pro IEEE PESC‘89， 1989， pp. 825–829.[3].Jai P.Agrawal.Power Electronic Systems Theory and Design [M].Tsinghua University Press.2003