閻鐵生，許建平，高建龍，陳 利，沙 金

（1.西華大學(xué) 電氣與電子信息學(xué)院，四川 成都 610039；2.西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院 磁浮技術(shù)與磁浮列車教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031）

0 引言

電力電子裝置的廣泛應(yīng)用產(chǎn)生大量諧波注入到公共電網(wǎng)，嚴(yán)重影響了電網(wǎng)供電質(zhì)量和其他用電設(shè)備的正常工作。為了減小電力電子裝置對(duì)電網(wǎng)的諧波污染，并滿足國(guó)際諧波標(biāo)準(zhǔn)IEC61000-3-2，需要采用功率因數(shù)校正PFC（Power Factor Correction）變換器[1-4]。

傳統(tǒng)兩級(jí)功率變換的PFC變換器，前級(jí)通常采用Boost變換器、Buck-Boost變換器和反激變換器等拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)輸入電流整形，后級(jí)級(jí)聯(lián)DC-DC變換器實(shí)現(xiàn)恒定輸出電壓。采用兩級(jí)功率變換的PFC變換器效率低、功率密度低、成本高[5]。與傳統(tǒng)兩級(jí)功率變換 PFC 變換器相比，BIFRED、BIBRED、IBFC 等“單級(jí)”變換PFC變換器具有控制簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)[6-8]，但是其輸出能量仍然經(jīng)過(guò)兩級(jí)功率變換，轉(zhuǎn)換效率低，且功率器件電壓應(yīng)力高[9-10]。而單級(jí)功率變換反激PFC變換器和單級(jí)功率變換全橋PFC變換器等傳統(tǒng)單級(jí)功率變換PFC變換器的輸出能量?jī)H僅經(jīng)過(guò)一級(jí)功率變換，具有較高的轉(zhuǎn)換效率，但是由于脈動(dòng)的瞬態(tài)輸入功率與恒定的輸出功率之間的不平衡，導(dǎo)致其輸出電壓具有較大的2倍工頻紋波[11-13]。

為了減少功率變換的級(jí)數(shù)，以提高PFC變換器的效率，并降低輸出電壓2倍工頻紋波，文獻(xiàn)[14]提出使用一個(gè)雙向DC-DC變換器與PFC變換器的輸出相并聯(lián)的方案，雙向DC-DC變換器能夠消除輸出電壓的2倍工頻紋波，但其能量經(jīng)過(guò)1.64級(jí)功率變換，且雙向DC-DC的主電路和控制電路復(fù)雜；文獻(xiàn)[15]提出了一種雙輸入 Buck TIBuck（Two Input Buck）變換器，用雙輸出PFC變換器的2路輸出分別作為TIBuck變換器的2路輸入，消除了TIBuck變換器的輸出電壓2倍工頻紋波，但是其輸出負(fù)載短路會(huì)損壞TIBuck變換器。

本文提出了一種低輸出電壓紋波的準(zhǔn)單級(jí)反激PFC變換器，它僅有極少的能量經(jīng)過(guò)兩級(jí)功率變換。準(zhǔn)單級(jí)反激PFC變換器由一個(gè)雙輸出反激變換器和一個(gè)Buck變換器組成，Buck變換器的輸出與雙輸出反激變換器的主輸出串聯(lián)給負(fù)載供電，Buck變換器的輸入為雙輸出反激變換器的輔助輸出。由于大部分能量?jī)H經(jīng)過(guò)單級(jí)功率變換，準(zhǔn)單級(jí)反激PFC變換器的效率高于兩級(jí)級(jí)聯(lián)PFC變換器，接近單級(jí)反激PFC變換器的效率；具有快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度的Buck變換器補(bǔ)償雙輸出反激變換器主輸出的2倍工頻電壓紋波，消除了負(fù)載兩端的2倍工頻電壓紋波，實(shí)現(xiàn)了低輸出電壓紋波和快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)；準(zhǔn)單級(jí)反激PFC變換器支持輸出負(fù)載短路保護(hù)功能。本文分析了準(zhǔn)單級(jí)反激PFC變換器的工作過(guò)程和原理，最后通過(guò)一臺(tái)60 W的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)對(duì)理論分析結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 準(zhǔn)單級(jí)反激PFC變換器

圖1為準(zhǔn)單級(jí)反激PFC變換器電路框圖，它由雙輸出反激變換器和Buck變換器構(gòu)成，其中雙輸出反激變換器實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)單級(jí)反激PFC變換器的PFC功能，Buck變換器調(diào)節(jié)準(zhǔn)單級(jí)反激PFC變換器的輸出電壓。雙輸出反激變換器的輔助輸出uPO2連接到Buck變換器的輸入端；雙輸出反激變換器的主輸出uPO1與Buck變換器的輸出uBO串聯(lián)，構(gòu)成準(zhǔn)單級(jí)反激PFC變換器的輸出uO給負(fù)載RL提供能量，其中雙輸出反激變換器的主輸出提供大部分能量，Buck變換器的輸出提供小部分能量，則大部分能量?jī)H經(jīng)過(guò)雙輸出反激變換器的一級(jí)功率變換，僅有極少的能量經(jīng)過(guò)雙輸出反激變換器和Buck變換器兩級(jí)功率變換。

圖1 準(zhǔn)單級(jí)反激PFC變換器電路框圖Fig.1 Block diagram of quasi single-stage flyback PFC converter

如圖1所示，雙輸出反激變換器由整流橋VD3、變壓器T1、原邊開(kāi)關(guān)管VT1、副邊續(xù)流二極管VD1和VD2、輸出電容C1和C2、原邊輔助電源電壓采樣電阻R3和R4、運(yùn)算放大器EA1、比較器CMP1、過(guò)零檢測(cè)、鋸齒波發(fā)生器、RS觸發(fā)器等元件構(gòu)成；Buck變換器使用經(jīng)典的恒定開(kāi)關(guān)頻率電壓模式控制方式，Buck變換器由主開(kāi)關(guān)管VT2、同步整流管VT3、電感 L1、輸出電容C3、輸出電壓采樣電阻R1和R2、運(yùn)算放大器EA2、比較器 CMP2、時(shí)鐘、鋸齒波發(fā)生器、RS觸發(fā)器、驅(qū)動(dòng)與保護(hù)電路等元件構(gòu)成。為了消除雙輸出反激變換器的主輸出的2倍工頻電壓紋波對(duì)準(zhǔn)單級(jí)反激PFC變換器輸出電壓的影響，Buck變換器的輸出電壓采樣電阻連接在負(fù)載RL的兩端，通過(guò)快速調(diào)節(jié)Buck變換器的輸出電壓uBO，消除準(zhǔn)單級(jí)反激PFC變換器的2倍工頻輸出電壓紋波。

為了簡(jiǎn)化分析，假設(shè)：

a.所有的開(kāi)關(guān)管、二極管、變壓器和電容均為理想元件；

b.雙輸出反激變換器的開(kāi)關(guān)頻率fSF和Buck變換器的開(kāi)關(guān)頻率fSB都遠(yuǎn)大于電網(wǎng)頻率f；

c.Buck變換器工作在電感電流連續(xù)模式。

雙輸出反激變換器有2個(gè)功能：穩(wěn)定雙輸出反激變換器2路輸出電壓uPO1和uPO2；實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)單級(jí)反激PFC變換器的PFC功能。

由圖1可知，準(zhǔn)單級(jí)反激PFC變換器的輸出電壓由Buck變換器調(diào)節(jié)，雙輸出反激變換器的2路輸出電壓不需要很高的恒壓精度，因此為了簡(jiǎn)化雙輸出反激變換器的控制，降低電源成本，雙輸出反激變換器沒(méi)有使用光耦和副邊采樣電路，而是直接穩(wěn)定原邊輔助電源電壓uAUX。

忽略VD1、VD2和VD4的正向?qū)妷旱挠绊懀鶕?jù)變壓器的特性，雙輸出反激變換器主輸出電壓的平均值UPO1與原邊輔助電源電壓平均值UAUX的比值等于變壓器T1副邊主輸出繞組的匝數(shù)NS1與原邊輔助電源繞組的匝數(shù)NA的比值，即：

根據(jù)圖1和式（1）可得，雙輸出反激變換器主輸出電壓的平均值UPO1為：

其中，UPRef為雙輸出反激變換器控制電路的基準(zhǔn)電壓。

同理可得，雙輸出反激變換器輔助輸出電壓的平均值UPO2為：

其中，NS2為變壓器T1副邊輔助輸出的匝數(shù)。

根據(jù)式（2）和（3）可知，通過(guò)控制原邊輔助電源電壓uAUX，可以穩(wěn)定雙輸出反激變換器的2路輸出電壓 uPO1和 uPO2。

與連續(xù)導(dǎo)電模式CCM（Continuous Conduction Mode）和斷續(xù)導(dǎo)電模式 DCM（Discontinuous Conduction Mode）反激PFC變換器相比，臨界連續(xù)模式CRM（CRitical conduction Mode）反激PFC變換器具有控制簡(jiǎn)單和效率高的特點(diǎn)[16]，因此本文研究工作于CRM的準(zhǔn)單級(jí)反激PFC變換器的雙輸出反激變換器。為實(shí)現(xiàn)PFC功能，調(diào)節(jié)運(yùn)算放大器EA1的補(bǔ)償電路，使雙輸出反激變換器的環(huán)路帶寬小于20 Hz。當(dāng)雙輸出反激變換器穩(wěn)定工作后，比較器CMP1反向端的輸入信號(hào)uPCOMP在半個(gè)工頻周期內(nèi)是恒定值，則根據(jù)文獻(xiàn)[17-18]中單級(jí)CRM反激PFC變換器的分析，準(zhǔn)單級(jí)反激PFC可以實(shí)現(xiàn)PFC。

準(zhǔn)單級(jí)反激PFC變換器的主要波形如圖2所示。雙輸出反激變換器的主輸出電壓uPO1的2倍工頻紋波峰峰值為ΔUPO1，Buck變換器產(chǎn)生的輸出電壓uBO的相位與uPO1的相位相反，Buck變換器輸出電壓紋波峰峰值也為ΔUPO1，雙輸出反激變換器的主輸出uPO1與Buck變換器的輸出uBO串聯(lián)后給負(fù)載供電。雙輸出反激變換器的主輸出電壓的平均值UPO1與Buck變換器輸出電壓平均值UBO滿足：

其中，UO為準(zhǔn)單級(jí)反激PFC變換器輸出電壓的平均值。

圖2 準(zhǔn)單級(jí)反激PFC變換器主要波形Fig.2 Main waveforms of quasi single-stageflyback PFC converter

由于Buck變換器的輸出電壓紋波抵消了雙輸出反激變換器的主輸出電壓的2倍工頻紋波，則準(zhǔn)單級(jí)反激PFC變換器可以向負(fù)載RL提供低輸出電壓紋波的輸出電源。若輸出負(fù)載RL短路，VT1導(dǎo)通時(shí)原邊電流采樣電阻R5的電壓超過(guò)保護(hù)閾值后，則關(guān)斷VT1，保護(hù)雙輸出反激變換器；VT2導(dǎo)通時(shí)，VT2的漏極和源極的電壓差值超過(guò)保護(hù)閾值后，則關(guān)斷VT2，保護(hù)Buck變換器。因此準(zhǔn)單級(jí)反激PFC變換器支持輸出負(fù)載短路保護(hù)功能。

2 消除2倍工頻輸出電壓紋波的條件

由于Buck變換器的輸出能量經(jīng)過(guò)了兩級(jí)功率變換，為了提高準(zhǔn)單級(jí)反激PFC變換器的效率，應(yīng)盡量減小Buck變換器的輸出電壓平均值UBO。但是根據(jù)圖2可知，為了抵消雙輸出反激變換器的主輸出電壓的2倍工頻紋波，Buck變換器的輸出電壓平均值須大于ΔUPO1/2，則UBO須滿足：

根據(jù)圖2可知，雙輸出反激變換器的主輸出電壓uPO1最小時(shí)，Buck變換器的輸出電壓 uBO最大，而B(niǎo)uck變換器的輸入電壓uPO2最小，則UPO2須滿足：

其中，Dmax為Buck變換器的控制器輸出到主開(kāi)關(guān)管VT2的最大占空比。

準(zhǔn)單級(jí)反激PFC變換器的輸出由雙輸出反激變換器的主輸出與Buck變換器的輸出串聯(lián)組成，為了方便分析消除輸出電壓2倍工頻紋波對(duì)Buck變換器控制器的設(shè)計(jì)要求，后面將雙輸出反激變換器的輸出電容C1和C2、Buck變換器主電路和控制電路、負(fù)載電阻RL稱為準(zhǔn)單級(jí)反激PFC變換器輸出級(jí)電路。

雖然雙輸出反激變換器的2路輸出電壓uPO1和uPO2有較大的2倍工頻紋波，但是在Buck變換器的一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，雙輸出反激變換器的2路輸出電壓保持恒定，因此對(duì)準(zhǔn)單級(jí)反激PFC變換器輸出級(jí)分析時(shí)，雙輸出反激變換器的2路輸出可以等效為2個(gè)直流電源，則準(zhǔn)單級(jí)反激PFC變換器輸出級(jí)主電路可以等效為如圖3所示的電路。

圖3 準(zhǔn)單級(jí)反激PFC變換器的輸出級(jí)等效電路Fig.3 Equivalent output-stage circuit of quasi single-stage flyback PFC converter

當(dāng)電感L1工作在CCM時(shí)，圖3所示的等效電路有2個(gè)工作模態(tài)。

a.主開(kāi)關(guān)管VT2導(dǎo)通時(shí)，同步整流管VT3關(guān)斷，電感L1兩端承受正向電壓，uL=uPO2-uBO，電感電流線性上升，儲(chǔ)能電容C3與電源uPO1串聯(lián)后給負(fù)載供電并維持輸出電壓穩(wěn)定。

b.主開(kāi)關(guān)管VT2關(guān)斷時(shí)，同步整流管VT3導(dǎo)通，電感L1兩端承受反向電壓，uL=-uBO，電感電流線性下降，儲(chǔ)能電容C3與電源uPO1串聯(lián)后給負(fù)載供電并維持輸出電壓穩(wěn)定。

采用時(shí)間平均等效原理[19]，對(duì)圖3所示的準(zhǔn)單級(jí)反激PFC變換器的輸出級(jí)電路進(jìn)行直流穩(wěn)態(tài)分析，可得其直流穩(wěn)態(tài)等效電路如圖4所示。

圖4 準(zhǔn)單級(jí)反激PFC變換器輸出級(jí)的直流穩(wěn)態(tài)等效電路Fig.4 Equivalent steady-state output-stage DC circuit of quasi single-stage flyback PFC converter

當(dāng)電路工作于直流穩(wěn)態(tài)時(shí)，可將電感看作短路、電容看作開(kāi)路，于是圖3所示準(zhǔn)單級(jí)反激PFC變換器的輸出級(jí)電路主開(kāi)關(guān)管VT2的占空比的穩(wěn)態(tài)值D

可以表示為：

對(duì)圖4中各支路的電壓、電流平均變量和輸入電壓源參數(shù)疊加擾動(dòng)，使其等于對(duì)應(yīng)的直流分量和交流小信號(hào)分量之和，定義如下：

其中，大寫參數(shù)為直流分量；帶“^”參數(shù)為擾動(dòng)分量；iL1為流過(guò)電感L1的電流。

消去直流分量和擾動(dòng)二次項(xiàng)，可得準(zhǔn)單級(jí)反激PFC變換器輸出級(jí)電路的交流小信號(hào)等效電路如圖5所示。

圖5 準(zhǔn)單級(jí)反激PFC變換器輸出級(jí)的交流小信號(hào)等效電路Fig.5 Equivalent output-stage AC small-signal circuit of quasi single-stage flyback PFC converter

對(duì)圖5所示的交流小信號(hào)模型進(jìn)行拉普拉斯變換，可得相關(guān)傳遞函數(shù)分別為：

其中，G1（s）為輸出電壓對(duì)雙輸出反激變換器主輸出電壓的傳遞函數(shù)；G2（s）為輸出電壓對(duì)雙輸出反激變換器輔助輸出電壓的傳遞函數(shù)；Gud（s）為輸出電壓對(duì)控制的傳遞函數(shù)。

根據(jù)準(zhǔn)單級(jí)反激PFC變換器輸出級(jí)的交流小信號(hào)模型，用圖6所示的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)作為準(zhǔn)單級(jí)反激PFC變換器輸出級(jí)運(yùn)算放大器EA2的補(bǔ)償電路，補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)如式（12）所示。

圖6 運(yùn)算放大器EA2的補(bǔ)償電路Fig.6 Compensation circuit of operational amplifier EA2

準(zhǔn)單級(jí)反激PFC變換器輸出級(jí)電路的閉環(huán)交流小信號(hào)模型框圖如圖7所示，其中H（s）為輸出電壓采樣電路的傳遞函數(shù)，GP（s）為PWM的傳遞函數(shù)。由圖7可得準(zhǔn)單級(jí)反激PFC變換器輸出級(jí)電路的環(huán)路增益可表示為：

圖7 準(zhǔn)單級(jí)反激PFC變換器輸出級(jí)電路閉環(huán)交流小信號(hào)模型框圖Fig.7 Block diagram of closed-loop AC small-signal model for output-stage circuit of quasi single-stage flyback PFC converter

由圖7和式（13）可得，當(dāng)基準(zhǔn)電壓和負(fù)載電流恒定時(shí)，輸出電壓擾動(dòng)量的表達(dá)式為：

因此，當(dāng)Buck變換器的輸出電壓平均值UBO滿足式（5）、雙輸出反激變換器輔助輸出電壓的平均值UPO2滿足式（6）時(shí)，根據(jù)功率級(jí) Gud（s）傳遞函數(shù)，通過(guò)合理設(shè)計(jì) H（s）、GC（s）和 GP（s），使環(huán)路增益 T（s）有較大的低頻增益和帶寬，可以降低雙輸出反激變換器的2路輸出uPO1和uPO2的2倍工頻電壓紋波對(duì)準(zhǔn)單級(jí)反激PFC變換器輸出電壓uO的擾動(dòng)，從而降低準(zhǔn)單級(jí)反激PFC變換器的輸出電壓紋波，獲得較好的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。

為了對(duì)比不同的環(huán)路增益對(duì)準(zhǔn)單級(jí)反激PFC變換器的輸出電壓2倍工頻紋波的影響，本文選取了2組不同的運(yùn)算放大器EA2的補(bǔ)償參數(shù)進(jìn)行分析。第一組補(bǔ)償參數(shù)為 RZ1=100 kΩ，CZ1=2.2 nF，R1=73 kΩ，RP2=1.5 kΩ，CP2=560 pF；第二組補(bǔ)償參數(shù)為 RZ1=43 kΩ，CZ1=5.6 nF，R1、RP2和 CP2與第一組補(bǔ)償參數(shù)相同。選取如表1所示的準(zhǔn)單級(jí)反激PFC變換器的主要電路參數(shù)，2組補(bǔ)償參數(shù)對(duì)應(yīng)的準(zhǔn)單級(jí)反激PFC變換器輸出級(jí)電路閉環(huán)頻率響應(yīng)如圖8所示。

由圖8可知，第一組補(bǔ)償參數(shù)對(duì)應(yīng)的穿越頻率為12 kHz，相位裕量為77°；第二組補(bǔ)償參數(shù)對(duì)應(yīng)的穿越頻率為7.2 kHz，相位裕量為62°。雖然2組補(bǔ)償參數(shù)對(duì)應(yīng)環(huán)路增益的相位裕量都大于45°，都可以滿足閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，但是第一組補(bǔ)償參數(shù)對(duì)應(yīng)的環(huán)路低頻增益和帶寬均高于第二組補(bǔ)償參數(shù)。

表1 單級(jí)反激PFC變換器、兩級(jí)級(jí)聯(lián)PFC變換器和準(zhǔn)單級(jí)反激PFC變換器電路參數(shù)Table1 Circuit parameters of single-stage flyback PFC converter，two-stage PFC converter and quasi single-stage flyback PFC converter

圖8 準(zhǔn)單級(jí)反激PFC變換器輸出級(jí)電路閉環(huán)頻率響應(yīng)圖Fig.8 Close-loop frequency response for output-stage circuit of quasi single-stage flyback PFC converter

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證理論分析的正確性，分別對(duì)單級(jí)反激PFC變換器、兩級(jí)級(jí)聯(lián)PFC變換器和準(zhǔn)單級(jí)反激PFC變換器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

單級(jí)反激PFC變換器采用傳統(tǒng)CRM，文獻(xiàn)[17-18]介紹了其工作原理。兩級(jí)級(jí)聯(lián)PFC變換器采用CRM反激PFC變換器與Buck變換器級(jí)聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)，其中CRM反激PFC變換器實(shí)現(xiàn)PFC并給Buck變換器提供輸入功率，其輸出電壓UPO為29 V；Buck變換器實(shí)現(xiàn)輸出電壓調(diào)節(jié)功能。

單級(jí)反激PFC變換器、兩級(jí)級(jí)聯(lián)PFC變換器和準(zhǔn)單級(jí)反激PFC變換器的主要電路參數(shù)如表1所示。

圖9（a）和（b）分別為輸入電壓有效值 Uin，rms為220 V時(shí)，準(zhǔn)單級(jí)反激PFC變換器運(yùn)算放大器EA2用第一組補(bǔ)償參數(shù)和第二組補(bǔ)償參數(shù)的穩(wěn)態(tài)輸出電壓uO、輸出電壓紋波ΔuO、整流輸入電壓uREC和輸入電流 iin的實(shí)驗(yàn)波形。由圖9（a）、（b）可知，第一組和第二組補(bǔ)償參數(shù)對(duì)應(yīng)的輸出電壓紋波分別為120 mV和300 mV，由此可見(jiàn)準(zhǔn)單級(jí)反激PFC變換器輸出級(jí)電路的環(huán)路低頻增益和帶寬越高，準(zhǔn)單級(jí)反激PFC變換器的輸出電壓2倍工頻紋波越小，測(cè)試結(jié)果與式（14）的理論分析一致。后面的準(zhǔn)單級(jí)反激PFC變換器的實(shí)驗(yàn)都用第一組補(bǔ)償參數(shù)。

圖9 2組不同補(bǔ)償參數(shù)的準(zhǔn)單級(jí)反激PFC變換器輸出電壓紋波實(shí)驗(yàn)波形Fig.9 Experimental waveforms of output voltage ripple of quasi single-stage flyback PFC converter for two compensation parameter groups

圖10為輸入電壓有效值 Uin，rms為220 V時(shí)，準(zhǔn)單級(jí)反激PFC變換器的穩(wěn)態(tài)輸出電壓uO、整流輸入電壓uREC、Buck變換器的輸出電壓uBO和雙輸出反激變換器的主輸出電壓uPO1的實(shí)驗(yàn)波形。由圖10可知，Buck變換器的輸出電壓平均值UBO為2.9 V，雙輸出反激變換器的主輸出電壓平均值UPO1為21.1 V，uBO的相位與uPO1的相位相反，且uBO和uPO1的2倍工頻紋波峰峰值相等，因此雙輸出反激變換器的主輸出電壓uPO1與Buck變換器的輸出電壓uBO串聯(lián)后組成的準(zhǔn)單級(jí)反激PFC變換器的輸出電壓uO的2倍工頻紋波峰峰值極小，測(cè)試結(jié)果與圖2的理論分析一致。

圖10 準(zhǔn)單級(jí)反激PFC變換器輸出電壓uO、整流后輸入電壓uREC、Buck變換器輸出電壓uBO和雙輸出反激變換器主輸出電壓uPO1實(shí)驗(yàn)波形Fig.10 Experimental waveform of output voltage uO，rectified input voltage uREC，Buck converter output voltage uBO，and dual-output flyback converter main output voltage uPO1for quasi single-stage flyback PFC converter

圖11（a）和 11（b）分別為輸入電壓有效值 Uin，rms為220 V時(shí)，單級(jí)CRM反激PFC變換器和兩級(jí)級(jí)聯(lián)PFC變換器的穩(wěn)態(tài)輸出電壓uO、輸出電壓紋波ΔuO、整流輸入電壓uREC和輸入電流iin的實(shí)驗(yàn)波形。由圖9（a）、圖11（a）和 11（b）可知，3 種變換器都可以實(shí)現(xiàn)直流輸出電壓UO調(diào)節(jié)和PFC功能。由圖9（a）、圖11（a）和 11（b）的輸出電壓紋波波形可知，準(zhǔn)單級(jí)反激PFC變換器、單級(jí)CRM反激PFC變換器和兩級(jí)級(jí)聯(lián)PFC變換器的輸出電壓紋波分別為120 mV、2 V和80 mV，由此可見(jiàn)準(zhǔn)單級(jí)反激PFC變換器極大地降低了單級(jí)CRM反激PFC變換器的輸出電壓紋波。準(zhǔn)單級(jí)反激PFC變換器的輸出電壓紋波為輸出電壓平均值的0.5%，雖然其輸出電壓紋波大于兩級(jí)級(jí)聯(lián)PFC變換器，但是能夠滿足實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合的需求。

圖11 單級(jí)反激PFC變換器和兩級(jí)級(jí)聯(lián)PFC變換器的輸出電壓uO、輸出電壓紋波ΔuO、整流后輸入電壓uREC和輸入電流iin實(shí)驗(yàn)波形Fig.11 Experimental waveform of output voltage uO，output voltage ripple ΔuO，rectified input voltage uREC，and input current iinfor single-stage flyback PFC converter and two-stage PFC converter

圖12（a）和（b）分別為不同輸入電壓時(shí)，單級(jí)反激PFC變換器、兩級(jí)級(jí)聯(lián)PFC變換器和準(zhǔn)單級(jí)反激PFC變換器的功率因數(shù)（PF）值和效率的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由圖12可知，在整個(gè)輸入電壓范圍內(nèi)（輸入電壓有效值 Uin，rms為 90～265 V），3 種變換器的 PF 值都保持近似，且PF值都大于0.965；在整個(gè)輸入電壓范圍內(nèi)準(zhǔn)單級(jí)反激PFC變換器的效率都介于單級(jí)反激PFC變換器和兩級(jí)級(jí)聯(lián)PFC變換器之間，準(zhǔn)單級(jí)反激PFC變換器的效率高達(dá)88%，比兩級(jí)級(jí)聯(lián)PFC變換器的效率高4%～5%，比單級(jí)反激PFC變換器的效率低1.2%～1.5%。

圖12 單級(jí)反激PFC變換器、兩級(jí)級(jí)聯(lián)PFC變換器和準(zhǔn)單級(jí)反激PFC變換器PF值和效率與輸入電壓的關(guān)系Fig.12 Relationship between PF and input voltage and between efficiency and input voltage for single-stage flyback PFC converter，two-stage PFC converter and quasi single-stage flyback PFC converter

圖13 負(fù)載電流從2.5 A突減到1.25 A時(shí)，單級(jí)反激PFC變換器、兩級(jí)級(jí)聯(lián)PFC變換器和準(zhǔn)單級(jí)反激PFC變換器的實(shí)驗(yàn)波形Fig.13 Experimental waveforms of single-stage flyback PFC converter，two-stage PFC converter and quasi single-stage flyback PFC converter when load current suddenly reduces from 2.5 A to 1.25 A

圖13和圖14分別為負(fù)載電流從2.5 A突減到1.25 A和從1.25 A突增到2.5 A時(shí)，單級(jí)反激PFC變換器、兩級(jí)級(jí)聯(lián)PFC變換器和準(zhǔn)單級(jí)反激PFC變換器的輸出電壓uO動(dòng)態(tài)響應(yīng)波形。由圖13和圖14可知，負(fù)載電流從2.5 A突減到1.25 A和從1.25 A突增到2.5 A時(shí)，準(zhǔn)單級(jí)反激PFC變換器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度與兩級(jí)級(jí)聯(lián)PFC變換器相近，遠(yuǎn)快于單級(jí)反激PFC變換器。

圖14 負(fù)載電流從1.25 A突增到2.5 A時(shí)單級(jí)反激PFC變換器、兩級(jí)級(jí)聯(lián)PFC變換器和準(zhǔn)單級(jí)反激PFC變換器的實(shí)驗(yàn)波形Fig.14 Experimental waveforms of single-stage flyback PFC converter，two-stage PFC converter and quasi single-stage flyback PFC converter when load current suddenly increases from 1.25 A to 2.5 A

4 結(jié)論

本文提出了一種由雙輸出反激變換器和Buck變換器組成的低輸出電壓紋波的準(zhǔn)單級(jí)反激PFC變換器，詳細(xì)分析了它的工作原理。實(shí)驗(yàn)研究表明，在保持同樣PF值的前提下，準(zhǔn)單級(jí)反激PFC變換器極大地減小了單級(jí)反激PFC變換器的輸出電壓2倍工頻紋波；其效率比兩級(jí)級(jí)聯(lián)PFC變換器的效率高4%～5%，比單級(jí)反激PFC變換器的效率低1.2%～1.5%；其動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度與兩級(jí)級(jí)聯(lián)PFC變換器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度相近，遠(yuǎn)快于單級(jí)反激PFC變換器。