双输出单相pfc变换器及其组合式功率变换系统和控制方法
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及双输出单相PFC变换器及其组合式功率变换系统和控制方法，属于电力电子变换器技术领域，尤其属于交流-直流电能变换技术领域。
【背景技术】
[0002]单相AC-DC变换器被广泛应用在开关电源、不间断供电、蓄电池充电、远程通信系统供电以及混合动力汽车等技术领域中，随着电力电子技术的不断发展，电器设备对功率因数和谐波的要求也越来越高，为此，各国政府和国际机构制定了强制性标准，如IEC-61000-3-2，来限制变换器的输入电流谐波，提高变换器的输入功率因数。单相PFC变换器以其结构简单，电流整形效果好得到了广泛的应用，如何提升单相PFC变换器的效率一直是该技术领域所关注的重点问题。
[0003]传统的单相PFC变换器一般采用升压型的电路结构，Boost电路具有结构简单、功率因数高、输入电流脉动小等优点，是单相PFC变换器中常用拓扑之一。为了实现输入的功率因数校正，采用Boost电路的单相PFC变换器的输出电压必须高于输入交流源的峰值电压。为了适应宽输出电压范围和电压隔离的应用需求，Boost单相PFC变换器的后级还需要采用一级隔离型的DC-DC变换器对PFC变换器的输出电压做进一步变换以适应负载供电的需求。传统两级式方案存在的问题是:所有的功率都需要先经过前级PFC变换器进行升压再经过后级隔离型DC-DC变换器降压，能量在两级内变换，导致系统损耗增加，能效降低。另外传统两级式PFC变换器前级只完成输入功率因数校正的功能，而后级变换器只完成DC-DC变换的功能，两级变换器的设计相对独立，因此很难从能量传输的角度对整个AC-DC变换系统进行优化设计以提高交流到直流的电能变换效率。此外由于前级PFC变换器的输出电压高于交流源的峰值电压，因此变换器中的功率器件的电压应力一般都较高。
[0004]为了解决上述问题，国内外学者提出了许多解决方案，如采用软开关技术、多电平变换器、单级式PFC变换器等。例如，文献“Chen H,Liao J.Modified Interleaved CurrentSensorless Control for Three-Level Boost PFC Converter with ConsideringVoltage Imbalance and Zero-Crossing Current Distort1n[J].1EEE Transact1nson Industrial Electronics，2015，62(ll): 1-1.”米用三电平Boost PFC电路以提升变换器的工作性能。文献“P.Das，M.Pahlevaninezhad，G.Moschopoulos.Analysis and Designof a New AC-DC Single-Stage Full-Bridge P丽 Converter With Two Controllers[J].1EEE Transact1ns on Industrial Electronics 2013，60(11):4930-4946.，，米用全桥变换器实现单级PFC变换器，仅使用一级变换器同时实现PFC和输出电压调节的功能，但是单级PFC变换器要么牺牲了功率因数调节能力、要么会大幅增加器件的电压应力，其最终实现的效果相比两级式PFC变换器并无多大改善。上述解决方案对变换器输入的脉动功率仍采用统一处理的方式，而由于输入交流电压的大范围周期性波动，统一处理方式无法实现整个输入电压范围的功率优化。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是针对现有技术的不足，为交流-直流电能变换场合提供一种新颖有效的双输出单相PFC变换器及其组合式变换系统和控制方法。
[0006]本发明的目的是通过以下技术方案来实现的:
[0007]所述组合式功率变换系统由交流电源(VAC)、双输出单相PFC变换器、DC-DC电路、DCX电路和负载(R。)组成，其中双输出单相PFC变换器包括一个交流电压输入端、第一直流电压输出(Vl)和第二直流电压输出(V2);所述交流电源(vac)连接双输出单相PFC变换器的交流电压输入端，双输出单相PFC变换器的第一直流电压输出(V1)连接DCX电路的输入端，双输出单相PFC变换器的第二直流电压输出(V2)连接DC-DC电路的输入端，DC-DC电路的输出端和DCX电路的输出端并联且连接负载(R。)的两端。
[0008]所述的组合式功率变换系统的控制方法为，双输出单相PFC变换器的第一直流电压输出(V1)的电压由双输出单相PFC变换器控制，双输出单相PFC变换器的第一直流电压输出(V1)的电压始终与负载(R。)两端电压(V。)成固定比例且该比例等于DCX电路输入电压和输出电压固有的电压比例，双输出单相PFC变换器的第二直流电压输出(V2)的电压由DC-DC电路控制且该电压始终大于等于交流电源(vac)瞬时电压的最大值。为了实现这个目的，所述DC-DC电路和DCX电路具有下述拓扑结构中的任意一种:PWM反激拓扑、PffM全桥正激拓扑、PffM推挽拓扑、PffM半桥拓扑、PffM全桥拓扑、移相全桥拓扑、LLC谐振半桥拓扑和LLC谐振全桥拓扑。
[0009]所述双输出单相PFC变换器采用以下七种方案中的任意一种。
[0010]方案一:所述双输出单相PFC变换器由整流桥、升压电感(Lb)、第一开关管(S1)、第二开关管(S2)、第一二极管(Di)、第二二极管(D2)、第一输出滤波电容(Cl)和第二输出滤波电容(C2)组成。所述整流桥的交流电压输入端和交流电源(VAC)相连，整流桥输出电压(VDC)的正端连于升压电感(Lb)的一端，升压电感(Lb)的另一端连于第二开关管(S2)的漏极和第二二极管(D2)的阳极，第二二极管(D2)的阴极连于第二输出滤波电容(C2)的一端、即第二直流电压输出(V2 )的正端，第二开关管(S2 )的源极连于第一开关管(Si )的漏极、第一输出滤波电容(Cl)的一端、即第一直流电压输出(Vl)的正端和第二输出滤波电容(C2)的另一端，第一开关管(S1)的源极连于整流桥输出电压(VDC)的负端和第一二极管(D1)的阴极，第一二极管(D1)的阳极连于第一输出滤波电容(C1)的另一端、即第一直流电压输出(V1)和第二直流电压输出(V2 )的公共负端。
[0011 ]方案二:所述双输出单相PFC变换器由整流桥、升压电感(Lb)、第一开关管(S1)、第二开关管(S2)、第一二极管(Di)、第二二极管(D2)、第一输出滤波电容(Cl)和第二输出滤波电容(C2)组成。所述整流桥的交流电压输入端和交流电源(VAC)相连，整流桥输出电压(VDC)的正端连于升压电感(Lb)的一端，升压电感(Lb)的另一端连于第二开关管(S2)的漏极和第二二极管(D2)的阳极，第二二极管(D2)的阴极连于第二输出滤波电容(C2)的一端、即第二直流电压输出(V2)的正端，第二开关管(S2)的源极连于第一开关管(S1)的漏极和第一二极管(D1)的阳极，第一二极管(D1)的阴极连于第一输出滤波电容(C1)的一端、即第一直流电压输出(Vi)的正端，第一开关管(Si)的源极连于第一输出滤波电容(Cl)的另一端、即第一直流电压输出(V1)的负端、第二输出滤波电容(C2)的另一端、即第二直流电压输出(V2)的负端和整流桥输出电压(VDC)的负端。
[0012]方案三:所述双输出单相PFC变换器由整流桥、升压电感(Lb)、第一开关管(S1)、第二开关管(S2)、第一二极管(Di)、第二二极管(D2)、第一输出滤波电容(Cl)和第二输出滤波电容(C2)组成。所述整流桥的交流电压输入端和交流电源(VAC)相连，整流桥输出电压(VDC)的正端连于升压电感(Lb)的一端，升压电感(Lb)的另一端连于第一开关管(Si)的漏极、第一二极管(D1)的阳极和第二二极管(D2)的阳极，第二二极管(D2)的阴极连于第二输出滤波电容(C2)的一端、即第二直流电压输出(V2)的正端，第一二极管(D1)的阴极连于第二开关管(S2 )的漏极，第二开关管(S2 )的源极连于第一输出滤波电容(Cl )的一端、即第一直流电压输出(Vl )的正端和第二输出滤波电容(C2)的另一端，第一开关管(Si)的源极连于第一输出滤波电容(C1)的另一端、即第一直流电压输出(V1)和第二直流电压输出(V2)的公共负端和整流桥输出电压(VDC)的负端。
[0013]方案四:所述双输出单相PFC变换器由升压电感(Lb)、第一开关管(S1)、第二开关管
(S2)、第三开关管(S3)、第一二极管(Dl)、第二二极管(D2)、第三二极管(D3)、第一输出滤波电容(C1)和第二输出滤波电容(C2)组成。所述升压电感(Lb)的一端连于交流电源(VAC)的一端，升压电感(Lb)的另一端连于第一开关管(Si)的漏极和第二开关管(S2)的源极，第二开关管
(S2)的漏极连于第二二极管(D2)的阴极、第三二极管(D3)的阳极和第三开关管的(S3)漏极，第三开关管(S3 )的源极连于第一输出滤波电容的一端、即第一直流电压输出(Vl )的正端，第三二极管(D3)的阴极连于第二输出滤波电容(C2)的一端、即第二直流电压输出(V2)的正端，第一开关管(Si)的源极连于第一输出滤波电容(Ci)的另一端、即第一直流电压输出(Vi)的负端、第二输出滤波电容(C2)的另一端、即第二直流电压输出(V2)的负端和第一二极管(D1)的阳极，第一二极管(D1)的阴极连于第二二极管(D2)的阳极和交流电源(vAC)的另一端。
[0014]方案五:所述双输出单相PFC变换器由升压电感(Lb)、第一开关管(S1)、第二开关管
(S2)、第三开关管(S3)、第一二极管(D1)、第二二极管(D2)、第三二极管(D3)、第四二极管(D4)、第一输出滤波电容(Cl)和第二输出滤波电容(C2)组成。所述升压电感(Lb)的一端连于交流电源(VAC)的一端，升压电感(Lb)的另一端连于第一开关管(Si)的漏极、第二开关管(S2)的源极和第四开关管(D4)的阳极，第二开关管(S2)的漏极连于第二二极管(D2)的阴极和第二输出滤波电容(C2)的一端、即第二直流电压输出(V2)的正端，第四二极管(D4)的阴极连于第三二极管(D3)的阴极和第三开关管(S3)的漏极，第三开关管(S3)的源极连于第一输出滤波电容(Ci)的一端、即第一直流电压输出(Vi)的正端，第一开关管(Si)的源极连于第一输出滤波电容(Ci)的另一端、即第一直流电压输出(Vl )的负端、第二输出滤波电