CN105515417A - 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 - Google Patents

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 Download PDF

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Abstract

本发明公开了双输出单相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。所述组合式功率变换系统由双输出单相PFC变换器、DC-DC电路和DCX电路组合而成，所述双输出单相PFC变换器用于提供第一直流电压输出和第二直流电压输出，第一直流电压输出用作DCX电路的输入，第二直流电压输出用作DC-DC电路的输入，DCX电路和DC-DC电路的输出并联，双输出单相PFC变换器的第一直流电压输出始终与DCX电路的输出保持固定的比例、且等于DCX电路固有的输入输出电压之比，本发明可以减小PFC变换器的功率损耗、且使得输入功率最大程度经过高效率的DCX电路处理，从而大幅提升整体效率，特别适合负载电压大幅变化的交流-直流电能变换场合。

Description

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
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
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。
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。
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“ChenH，LiaoJ.ModifiedInterleavedCurrentSensorlessControlforThree-LevelBoostPFCConverterwithConsideringVoltageImbalanceandZero-CrossingCurrentDistortion[J].IEEETransactionsonIndustrialElectronics，2015，62(11)：1-1.”采用三电平BoostPFC电路以提升变换器的工作性能。文献“P.Das，M.Pahlevaninezhad，G.Moschopoulos.AnalysisandDesignofaNewAC-DCSingle-StageFull-BridgePWMConverterWithTwoControllers[J].IEEETransactionsonIndustrialElectronics2013，60(11)：4930-4946.”采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
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。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
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(Ro)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(v1)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(Ro)的两端。
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(Ro)两端电压(vo)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、PWM全桥正激拓扑、PWM推挽拓扑、PWM半桥拓扑、PWM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。
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。
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(D1)、第二二极管(D2)、第一输出滤波电容(C1)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、第一输出滤波电容(C1)的一端、即第一直流电压输出(v1)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。
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(D1)、第二二极管(D2)、第一输出滤波电容(C1)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(v1)的正端，第一开关管(S1)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)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。
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(D1)、第二二极管(D2)、第一输出滤波电容(C1)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(S1)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(C1)的一端、即第一直流电压输出(v1)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。
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(D1)、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(S1)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(v1)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(S1)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)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。
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(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(S1)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(C1)的一端、即第一直流电压输出(v1)的正端，第一开关管(S1)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)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、第三二极管(D3)的阳极和交流电源(vAC)的另一端。
方案六：所述双输出单相PFC变换器由第一升压电感(Lb1)、第二升压电感(Lb2)、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)、第五二极管(D5)、第一输出滤波电容(C1)和第二输出滤波电容(C2)组成。所述第一升压电感(Lb1)的一端连于第一开关管(S1)的漏极和第三二极管(D3)的阳极，第二升压电感(Lb2)的一端连于第二开关管(S2)的漏极和第四二极管(D4)的阳极，第四二极管(D4)的阴极连于第三二极管(D3)的阴极、第五二极管(D5)的阳极和第三开关管(S3)的漏极，第三开关管(S3)的源极连于第一输出滤波电容(C1)的一端、即第一直流电压输出(v1)的正端，第五二极管(D5)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，第二输出滤波电容的另一端、即第二直流电压输出(v2)的负端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)的负端、第一开关管(S1)的源极，第二开关管(S2)的源极，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)的阴极连于第一升压电感(Lb1)的另一端和交流电源(vAC)的一端，交流电源(vAC)的另一端连于第二升压电感(Lb2)的另一端和第一二极管(D1)的阴极。
方案七：所述双输出单相PFC变换器由第一升压电感(Lb1)、第二升压电感(Lb2)、第一开关管(S1)、第二开关管(S2)、第三开关管(S3)、第四开关管(S4)、第一二极管(D1)、第二二极管(D2)、第三二极管(D3)、第四二极管(D4)、第五二极管(D5)、第六二极管(D6)、第一输出滤波电容(C1)和第二输出滤波电容(C2)组成。所述第一升压电感(Lb1)的一端连于第一开关管(S1)的漏极和第五二极管(D5)的阳极，第二升压电感(Lb2)的一端连于第三开关管(S3)的漏极和第六二极管(D6)的阳极，第一开关管(S1)的源极连于第三二极管(D3)的阳极和第二开关管(S2)的漏极，第三开关管(S3)的源极连于第四开关管(D4)的阳极和第四开关管(S4)的漏极，第五二极管(D5)的阴极连于第六二极管(D6)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，第三二极管(D3)的阴极连于第四二极管(D4)的阴极和第一输出滤波电容(C1)的一端、即第一直流电压输出(v1)的正端，第一输出滤波电容(C1)的另一端、即第一直流电压输出(v1)的负端连于第二输出滤波电容(C2)的另一端、即第二直流电压输出(v2)的负端、第二开关管(S2)的源极，第四开关管(S4)的源极，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)的阴极连于第一升压电感(Lb1)的另一端和交流电源(vAC)的一端，交流电源(vAC)的另一端连于第二升压电感(Lb2)的另一端和第一二极管(D1)的阴极。
本发明技术方案与既有技术方案的本质区别在于，采用双输出单相PFC变换器同时提供两条功率通路并提供两路直流电压输出，使得交流输入功率可以直接高效的传输至低压直流端口，而且使得低压端口的功率最大程度经过高效率的DCX电路处理，从而可以减小功率损耗，大幅提升整体效率。
有益效果：
(1)双输出PFC变换器能够为交流输入功率提供两条功率通路，由此可以对高压输入和低压输入对应的功率分别优化处理，大幅减小PFC变换器的功率损耗、提高效率；
(2)双输出PFC变换器能够有效减小开关器件的电压应力，同时为滤波电感提供多种电平，减小开关动作时的电压变化、减小开关损耗，有利于减小滤波器的体积、减小损耗、提高效率；
(3)为直流功率提供了两条功率通路，部分功率直接经过高效率的DCX电路处理，从而可以大幅减小直流变换一级的功率损失、提高效率；
(4)通过DCX和DC-DC变换器的配合，可以实现输出电压宽范围高效率调节，特别适合输出电压宽范围变化的应用场合。
附图说明
附图1是本发明双输出单相PFC变换器及其组合式变换系统结构图；
附图2是本发明双输出单相PFC变换器实现方案一的原理图；
附图3是本发明双输出单相PFC变换器实现方案二的原理图；
附图4是本发明双输出单相PFC变换器实现方案三的原理图；
附图5是本发明双输出单相PFC变换器实现方案四的原理图；
附图6是本发明双输出单相PFC变换器实现方案五的原理图；
附图7是本发明双输出单相PFC变换器实现方案六的原理图；
附图8是本发明双输出单相PFC变换器实现方案七的原理图；
附图9是本发明双输出单相PFC变换器及其组合式变换系统的具体实施例；
以上附图中的符号名称：vAC为交流电源；vDC为整流桥的输出电压；v1和v2分别为双输出单相PFC变换器的第一和第二直流电压输出；Lb为升压电感，Lb1和Lb2分别为第一和第二升压电感；S1、S2、S3和S4分别为第一、第二、第三和第四开关管；D1、D2、D3、D4、D5和D6分别为第一、第二、第三、第四、第五和第六二极管；C1和C2分别为第一和第二输出滤波电容；Ro为负载；vo为负载(Ro)两端电压；SP1、SP2、SP3、SP4、SP5和SP6为开关管；DS1、DS2、DS3、DS4、DS5、DS6、DS7和DS8为二极管；T1为移相全桥变压器；T2为LLC谐振半桥变压器；NP1和NS1分别为移相全桥变压器(T1)的原边绕组和副边绕组；NP2和NS2分别为LLC谐振半桥变压器(T2)的原边绕组和副边绕组；Lσ为移相全桥变压器(T1)的漏感；Lf为滤波电感；Lr为谐振电感；Cr为谐振电容；Lm为激磁电感；Co1和Co2为电容。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。
如附图1所示，本发明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(Ro)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(v1)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(Ro)的两端。
在本发明中，所述双输出单相PFC变换器拓扑结构可以采用以下七种实现方案中的任意一种。
实现方案一的电路原理图如附图2所示：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(D1)、第二二极管(D2)、第一输出滤波电容(C1)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、第一输出滤波电容(C1)的一端、即第一直流电压输出(v1)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。
实现方案二的电路原理图如附图3所示：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(D1)、第二二极管(D2)、第一输出滤波电容(C1)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(v1)的正端，第一开关管(S1)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)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。
实现方案三的电路原理图如附图4所示，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(D1)、第二二极管(D2)、第一输出滤波电容(C1)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(S1)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(C1)的一端、即第一直流电压输出(v1)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。
实现方案四的电路原理图如附图5所示：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(S1)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(v1)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(S1)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)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。
实现方案五的电路原理图如附图6所示：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(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(S1)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(C1)的一端、即第一直流电压输出(v1)的正端，第一开关管(S1)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)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、第三二极管(D3)的阳极和交流电源(vAC)的另一端。
实现方案六的电路原理图如附图7所示：所述双输出单相PFC变换器由第一升压电感(Lb1)、第二升压电感(Lb2)、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)、第五二极管(D5)、第一输出滤波电容(C1)和第二输出滤波电容(C2)组成。
所述第一升压电感(Lb1)的一端连于第一开关管(S1)的漏极和第三二极管(D3)的阳极，第二升压电感(Lb2)的一端连于第二开关管(S2)的漏极和第四二极管(D4)的阳极，第四二极管(D4)的阴极连于第三二极管(D3)的阴极、第五二极管(D5)的阳极和第三开关管(S3)的漏极，第三开关管(S3)的源极连于第一输出滤波电容(C1)的一端、即第一直流电压输出(v1)的正端，第五二极管(D5)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，第二输出滤波电容的另一端、即第二直流电压输出(v2)的负端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)的负端、第一开关管(S1)的源极，第二开关管(S2)的源极，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)的阴极连于第一升压电感(Lb1)的另一端和交流电源(vAC)的一端，交流电源(vAC)的另一端连于第二升压电感(Lb2)的另一端和第一二极管(D1)的阴极。
实现方案七的电路原理图如附图8所示：所述双输出单相PFC变换器由第一升压电感(Lb1)、第二升压电感(Lb2)、第一开关管(S1)、第二开关管(S2)、第三开关管(S3)、第四开关管(S4)、第一二极管(D1)、第二二极管(D2)、第三二极管(D3)、第四二极管(D4)、第五二极管(D5)、第六二极管(D6)、第一输出滤波电容(C1)和第二输出滤波电容(C2)组成。
所述第一升压电感(Lb1)的一端连于第一开关管(S1)的漏极和第五二极管(D5)的阳极，第二升压电感(Lb2)的一端连于第三开关管(S3)的漏极和第六二极管(D6)的阳极，第一开关管(S1)的源极连于第三二极管(D3)的阳极和第二开关管(S2)的漏极，第三开关管(S3)的源极连于第四开关管(D4)的阳极和第四开关管(S4)的漏极，第五二极管(D5)的阴极连于第六二极管(D6)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，第三二极管(D3)的阴极连于第四二极管(D4)的阴极和第一输出滤波电容(C1)的一端、即第一直流电压输出(v1)的正端，第一输出滤波电容(C1)的另一端、即第一直流电压输出(v1)的负端连于第二输出滤波电容(C2)的另一端、即第二直流电压输出(v2)的负端、第二开关管(S2)的源极，第四开关管(S4)的源极，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)的阴极连于第一升压电感(Lb1)的另一端和交流电源(vAC)的一端，交流电源(vAC)的另一端连于第二升压电感(Lb2)的另一端和第一二极管(D1)的阴极。
在上述实现方案中，本发明所述双输出单相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(Ro)的两端。为了实现这个目的，所述DCX电路和DC-DC电路可以采用具有下述拓扑结构中的任意一种：PWM反激拓扑、PWM全桥正激拓扑、PWM推挽拓扑、PWM半桥拓扑、PWM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。
在上述实现方案中，本发明所述的组合式功率变换系统采取的控制方法为：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(Ro)两端电压(vo)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。
下面结合具体的实施例对本发明方案及其工作原理做进一步说明。
将附图1双输出单相PFC变换器及其组合式变换系统结构图中的双输出单相PFC变换器用附图3中双输出单相PFC变换器实现方案二的原理图代替，并且DCX电路和DC-DC电路分别采用LLC谐振半桥拓扑和移相全桥拓扑，则可以得到双输出单相PFC变换器采用实施方案二的双输出单相PFC变换器及其组合式变换系统的原理图如附图9所示。
如附图9所示，双输出单相PFC变换器的第一直流电压输出(v1)用作LLC谐振半桥电路的输入，第二直流电压输出(v2)用作移相全桥电路的输入，LLC谐振半桥电路的输出和移相全桥电路的输出并联，共同为负载提供能量。其中，双输出单相PFC变换器的第一直流电压输出(v1)始终与负载(Ro)两端电压(vo)、即LLC谐振半桥电路的输出电压保持固定的比例、且等于LLC谐振半桥电路用作DCX电路时固有的输入输出电压之比、即为LLC谐振半桥变压器(T2)的匝比NP2/NS2的两倍。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，第二直流电压输出(v2)的电压由移相全桥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。
为了实现该目的，对双输出单相PFC变换器采取的控制方式为：半个工频周期内，当整流桥的输出电压(vDC)小于第一直流电压输出(v1)时，第二开关管(S2)保持常开状态，由于第二直流电压输出(v2)高于第一直流电压输出(v1)，所以第二开关管(D2)处于阻断状态。交流电源(vAC)通过由升压电感(Lb)、第一开关管(S1)、第一二极管(D1)和第一输出滤波电容(C1)组成的Boost电路向第一直流电压输出(v1)端口提供能量。当整流桥的输出电压(vDC)大于等于第一直流电压输出(v1)时，第一开关管(S1)处于常关状态，交流电源(vAC)通过由升压电感(Lb)、第二开关管(S2)、第一二极管(D1)、第二开关管(D2)、第一输出滤波电容(C1)和第二输出滤波电容(C2)组成的等效Boost电路向第二直流电压输出(v2)端口提供能量。由上面的分析可以看出，第一直流电压输出(v1)小于交流电源(vAC)瞬时电压的最大值，而第二直流电压输出(v2)大于等于交流电源(vAC)瞬时电压的最大值。第一直流电压输出(v1)和第二直流电压输出(v2)分别通过LLC谐振半桥电路和移相全桥电路向负载提供能量。第一直流电压输出(v1)由双输出单相PFC变换器进行控制，由于负载(Ro)两端电压(vo)与第一直流电压输出(v1)具有固定比例的关系，因此负载(Ro)两端电压(vo)、即移相全桥的输出电压始终处于受控状态，进而第二直流电压输出(v2)可以通过移相全桥电路进行调节，使其处于受控状态并满足大于等于交流电源(vAC)瞬时电压的最大值的条件。
根据上面工作原理的描述，本发明可以使得输入功率最大程度经过高效率的DCX电路处理，从而大幅提升整体效率，特别适合负载电压大幅变化的交流-直流电能变换场合。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种组合式功率变换系统，其特征在于：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(Ro)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(v1)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(Ro)的两端。
2.根据权利要求1所述的组合式功率变换系统，其特征在于，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、PWM全桥正激拓扑、PWM推挽拓扑、PWM半桥拓扑、PWM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。
3.根据权利要求1所述的组合式功率变换系统的控制方法，其特征在于，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(Ro)两端电压(vo)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。
4.根据权利要求1所述的组合式功率变换系统，其特征在于，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(D1)、第二二极管(D2)、第一输出滤波电容(C1)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、第一输出滤波电容(C1)的一端、即第一直流电压输出(v1)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。
5.根据权利要求1所述的组合式功率变换系统，其特征在于，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(D1)、第二二极管(D2)、第一输出滤波电容(C1)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(v1)的正端，第一开关管(S1)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)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。
6.根据权利要求1所述的组合式功率变换系统，其特征在于，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(D1)、第二二极管(D2)、第一输出滤波电容(C1)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(S1)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(C1)的一端、即第一直流电压输出(v1)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。
7.根据权利要求1所述的组合式功率变换系统，其特征在于，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(S1)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(v1)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(S1)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)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。
8.根据权利要求1所述的组合式功率变换系统，其特征在于，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(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(S1)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(C1)的一端、即第一直流电压输出(v1)的正端，第一开关管(S1)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)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、第三二极管(D3)的阳极和交流电源(vAC)的另一端。
9.根据权利要求1所述的组合式功率变换系统，其特征在于，所述双输出单相PFC变换器由第一升压电感(Lb1)、第二升压电感(Lb2)、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)、第五二极管(D5)、第一输出滤波电容(C1)和第二输出滤波电容(C2)组成；
所述第一升压电感(Lb1)的一端连于第一开关管(S1)的漏极和第三二极管(D3)的阳极，第二升压电感(Lb2)的一端连于第二开关管(S2)的漏极和第四二极管(D4)的阳极，第四二极管(D4)的阴极连于第三二极管(D3)的阴极、第五二极管(D5)的阳极和第三开关管(S3)的漏极，第三开关管(S3)的源极连于第一输出滤波电容(C1)的一端、即第一直流电压输出(v1)的正端，第五二极管(D5)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，第二输出滤波电容的另一端、即第二直流电压输出(v2)的负端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)的负端、第一开关管(S1)的源极，第二开关管(S2)的源极，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)的阴极连于第一升压电感(Lb1)的另一端和交流电源(vAC)的一端，交流电源(vAC)的另一端连于第二升压电感(Lb2)的另一端和第一二极管(D1)的阴极。
10.根据权利要求1所述的组合式功率变换系统，其特征在于，所述双输出单相PFC变换器由第一升压电感(Lb1)、第二升压电感(Lb2)、第一开关管(S1)、第二开关管(S2)、第三开关管(S3)、第四开关管(S4)、第一二极管(D1)、第二二极管(D2)、第三二极管(D3)、第四二极管(D4)、第五二极管(D5)、第六二极管(D6)、第一输出滤波电容(C1)和第二输出滤波电容(C2)组成；
所述第一升压电感(Lb1)的一端连于第一开关管(S1)的漏极和第五二极管(D5)的阳极，第二升压电感(Lb2)的一端连于第三开关管(S3)的漏极和第六二极管(D6)的阳极，第一开关管(S1)的源极连于第三二极管(D3)的阳极和第二开关管(S2)的漏极，第三开关管(S2)的源极连于第四开关管(D4)的阳极和第四开关管(S4)的漏极，第五二极管(D5)的阴极连于第六二极管(D6)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，第三二极管(D3)的阴极连于第四二极管(D4)的阴极和第一输出滤波电容(C1)的一端、即第一直流电压输出(v1)的正端，第一输出滤波电容(C1)的另一端、即第一直流电压输出(v1)的负端连于第二输出滤波电容(C2)的另一端、即第二直流电压输出(v2)的负端、第二开关管(S2)的源极，第四开关管(S4)的源极，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)的阴极连于第一升压电感(Lb1)的另一端和交流电源(vAC)的一端，交流电源(vAC)的另一端连于第二升压电感(Lb2)的另一端和第一二极管(D1)的阴极。
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