CN112688554B - 一种单级pfc变换器及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单级PFC变换器及控制方法，其将变压器或电感的输出对地作为势能变换单元，母线输出端作为输入单元，并在其输出端加入：控制单元、输出单元等组成升降压模块和PFC单元；控制单元为单个或多个开关管、电容、二极管等组成的电路，用于控制各个单元之间的导通，通过对应的控制方法将输入单元或势能变换单元的能量，在某个时刻储存至PFC单元内提高PF值，而PFC单元根据需要来进行释放填谷防止输出波动；通过控制单元来控制PFC单元进行升降压和释放控制，可以将PFC单元内的PFC电容控制在较低的电压上，降低PFC电容的耐压；控制单元控制输入单元、输出单元、势能变换单元、PFC单元来提高PF值和稳定输出。

Description

一种单级PFC变换器及控制方法

技术领域

本发明涉及到变换器设备领域，尤其涉及到一种单级PFC变换器及控制方法。

背景技术

现有的变换器或升降压电路，为了有效利用电网，很多产品需要高功率因数，比如LED灯电源、75W以上的电源，为了实现高PF通常需要进行两极转换，先升压提高PF值，再进行降压或者升压转换，两次转换需要两个电感或一个电感加一个变压器，而这种设计不仅浪费了部分能量并且导致了总的体积变大。市场的常规单级PFC，由于电流和电压同相位，按照P=U*I,导致输出电流有很大工频波动；另一种方式是填谷式、无频闪单级PFC变换器，但是这种变换器在桥堆后面设置的PFC电容，其在储能时间和储能大小上不好进行选择，并且难以进行有效的控制，再是PFC电容是在升压阶段就开始充电的，直到峰值90度截止，导致PF值无法做很高，实际使用效果相对较差、使用寿命不长；还有一种是在针对绕组接整流管，串一个电容储能，这种结构，由于这种方案无法控制对储能电容的充电时间，同样导致上升阶段电流极大储能，到峰值90度后无法储能，导致电流严重变形，无法做到高PF值，且电容电压只能等于输入电压加绕组电压，导致电压高寿命短。

因此，亟需一种能够解决以上一种或多种问题的单级PFC变换器及控制方法。

发明内容

为解决现有技术中存在的一种或多种问题，本发明提供了一种单级PFC变换器及控制方法。本发明为解决上述问题采用的技术方案是：一种单级PFC变换器，其包括：升降压模块，所述升降压模块包括：

输入单元，所述输入单元为输入电容、输入母线端和输入端整流后加滤波电容中的任意一种；

势能变换单元，所述势能变换单元为变压器或电感，所述势能变换单元与所述输入单元电连接；

升降压电容，所述升降压电容与所述势能变换单元电连接；

控制单元，所述控制单元由开关管和二极管中的一种或两种组合而成，用于连接不同单元、模块；

输出单元，所述输出单元由开关管或二极管和电容组成，所述输出单元用于输出电能给负载。

进一步地，还包括：PFC单元，所述升降压模块通过所述控制单元和所述输入单元进行串联或并联连接形成所述PFC单元，所述升降压电容为所述PFC单元中的储能电容；

所述升降压模块在正弦波高压阶段进行能量分配，将多余的能量分配到所述PFC单元；

所述升降压模块在正弦波低压阶段，内部的所述控制单元将所述PFC单元内存储的能量进行填谷释放。

进一步地，所述势能变换单元为电感时：所述输入单元、所述控制单元和电感组成第一环路，所述输入单元、所述控制单元、电感和所述升降压电容组成第二环路；所述控制单元、电感和所述输出单元组成第三环路；

所述势能变换单元为变压器时：所述输入单元、所述控制单元和变压器的输入端绕组组成环路一，所述输入单元、所述控制单元、变压器的输入端绕组和所述升降压电容组成环路二，变压器的输出端绕组、所述控制单元和输出单元组成环路三，所述输出环路即是所述环路三。

进一步地，所述升降压模块和所述输入单元根据需要进行电连接；

所述升降压模块中的所述升降压电容和所述输入单元进行并联，组成第四环路；

或所述升降压电容和所述输入单元串联，组成第五环路；

在输入低压的时候结合第一环路、第四环路、第五环路提供填谷释放能量，实现稳定输出。

进一步地，当所述输出单元端需要能量时，所述第一环路或所述环路一导通，所述输入单元中的能量传递到所述势能变换单元中，然后关闭所述第一环路或所述环路一，所述势能变换单元反激升压，然后所述第三环路或所述环路三导通，所述输出单元输出能量；

当所述升降压电容需要降压能量时，所述第二环路或所述环路二导通，将所述输入单元中的能量存储到所述升降压电容内，并且压差势能存储到所述势能变换器，然后关闭所述第二环路或所述环路二，所述势能变换器反激升压，同时所述第三环路或所述环路三导通，将压差势能通过所述势能变换单元传递到所述输出单元；

当所述升降压电容的电压需求高于所述输入单元的时候，先导通所述第一环路或所述环路一，将所述输入单元中的能量存储到所述势能变换单元内，然后关闭所述第一环路或所述环路一，所述势能变换单元形成反激升压，再导通所述第二环路或所述环路二，将所述势能变换单元内的能量传递到所述升降压电容中并形成升压电路，或者关闭所述第二环路或所述环路二，导通所述第三环路或所述环路三，将能量传递到所述输出单元；

通过以上控制，实现升降压输出，并利用一个变压器或一个电感实现两路输出。

将所述升降压电路串联或并联，或者串并组合，在正弦波低估的时候实现填谷释放；

参见附图1-图6，并联供电连接：其中所述输入单元EC1或者桥堆整流后母线和所述升降压电容EC1P通过开关管KP1导通形成并联供电电路，在本技术中由于在低谷的时候也就是所述升降压电容EC1P的电压大于所述输入单元的电压的时候，才进行导通，加上有二极管DP2或桥堆的隔离，因此实际并联之后就由所述PFC单元，既是所以说升降压电容EC1P来供电，形成并联供电之后，导通K1管，使得所述升降压电容EC1P、变压器NP绕组或LP绕组形成第四环路，既是并联供电环路；

串联供电连接：其中所述输入单元EC1或桥堆整流后母线和所述升降压电容EC1P通过开关管KP2导通形成串联供电电路，形成串联供电之后导通开关管K1，使得所述升降压电容EC1P、所述输入单元、变压器NP或LP绕组形成第五环路，既是并联供电环路。

以及一种用于控制所述单级PFC变换器的方法：以整流后的正半周波的0到180度及180到360度为循环周期划分以下节点：T0，T0为电压最低的低谷点；T1，T1设置在电压上升阶段，T1处的电压大于T0处，为低电压升压点；T2，T2设置在电压上升阶段，T2处的电压大于T1处，为升压高电压点；T3，T3为高电压点，在T3点时升降压电容电压等于输入单元的电压或等于峰值电压，T3处的电压大于T2处；T4，T4设置在电压下降阶段，T4处的电压小于T3处的电压，为降压高电压点；T5，T5设置在电压下降阶段，T5处的电压小于T4处的电压，为低电压降压点；

在T2-T4阶段，当输入单元为高压时，控制单元控制输入单元给势能变换单元、升降压电容充电；

在低压阶段T5-T1和T4-T2中的任意一个阶段，升降压电容进行填谷释放；

负半周的节点划分方式、处理方式与正半周的一致。

进一步地，在T2-T4阶段中：

当所述升降压电容的电压低于所述输入单元的电压时：所述控制单元控制所述输入单元按需求分配能量到所述升降压电容和所述势能变化单元；

在电压上升阶段，所述输入单元分配到所述升降压电容的能量比例逐步增加；

在电压下降阶段，所述输入单元分配到所述升降压电容的能量比例逐步减少；

通过控制对所述升降压电容的导通时间来控制能量分配的比例。

进一步地，在T2-T4阶段，当所述升降压电容的电压高于所述输入单元的电压时，通过以下任意一种方式进行调节：

方式一：所述控制单元控制所述输入单元先给所述势能变换单元充电，再通过所述控制单元将本周期所述势能变换单元的能量传递到所述升降压电容内或直接传递到次级，采取一个周期或重复一个以上的周期进行方式一的处理；

方式二：所述控制单元控制所述输入单元给所述势能变换单元充电，在所述势能变换单元充电后，将所述势能变换单元内的能量依次分配到所述升降压电容和输出单元。

进一步地，在T5-T1和/或T4-T2阶段中，所述升降压电容和所述输入单元的连接为并联、串联和串并组合中的任意一种；

在T5-T1和/或T4-T2阶段中，所述输入单元或所述升降压电容给所述势能变换单元充电，并通过所述势能变换单元传递给所述输出单元。

进一步地，采用一种固定峰值电流实现高PF值的控制方法：

所述控制单元在高压的时候，利用所述升降压电容将所述输入单元的电压进行分压，从而降低所述势能变换单元的电压，延长所述势能变换单元到达峰值电流的时间，增加占空比从而提高等效电流；

或所述控制单元在低压的时候，将所述升降压电容和所述输入单元串接，所述升降压电容的电压升高，减短到达峰值电流的时间，降低占空比从而降低等效电流。

本发明取得的有益效果是，本发明通过将输入单元、势能变换单元、PFC单元、控制单元、输出单元以及其他元器件通过巧妙的布局连接在一起，并通过巧妙的控制方法，组成一种新型升降压电路，配合控制方法，不仅实现升降压输出，还实现利用一个变压器或一个电感实现两路输出功能，并且再利用这个升降压电路原理组成实现单级PFC。其中控制方法：将市电单个周期划分为多个节点，将节点整合成多个时间段，控制单元根据时间段来控制其他单元、元器件工作，实现了高PF值的时候高峰期间多余的能量存储到PFC单元内，在低估的时候将所述PFC单元内存储的能量根据需要进行释放，进而提高PF值和稳定输出；再是控制单元不仅是对PFC单元进行升降压，还进行了控制，可以将PFC单元内的PFC电容控制在较低的电压上，以降低PFC电容的耐压，进而提高使用寿命；设计上减去了部分常用元气件或电路，以及减少了一次能量的转换，降低电路损耗同时缩小变换器整体体积。以上极大地提高了本发明的实用价值。

附图说明

图1为本发明一种单级PFC变换器的新型升压电路举例图；

图2为本发明一种单级PFC变换器的新型升降压电路举例图1；

图3为本发明一种单级PFC变换器的新型升降压电路举例图2；

图4为本发明一种单级PFC变换器的并联填谷举例图；

图5为本发明一种单级PFC变换器的串联填谷举例图；

图6为本发明一种单级PFC变换器的串并组合填谷举例图；

图7为本发明一种单级PFC变换器的并联方法填谷举例图；

图8为本发明一种单级PFC变换器的串联方法实现控制的波形图；

图9为本发明一种单级PFC变换器的串并结合方法实现控制的波形图；

图10为本发明一种单级PFC变换器与现有技术输入输出电流的对比波形图；

图11为常规PFC变换器非连续模式上峰值电流的波形图；

图12为本发明在高压输入时固定峰值电流调占空比控制波形图；

图13为本发明在低压输入时固定峰值电流调占空比和频率实现高PF值的控制波形图；

图14为常规PFC变换器连续模式上峰值电流的波形图；

图15为本发明一种单级PFC变换器结合控制方法实现固定电流的连续模式实施波形图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加浅显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例限制。

本发明公开了一种单级PFC变换器，其包括：升降压模块，所述升降压模块包括：

输入单元，所述输入单元为输入电容、输入母线端和输入端整流后加滤波电容中的任意一种；

势能变换单元，所述势能变换单元为变压器或电感，所述势能变换单元与所述输入单元电连接；

升降压电容，所述升降压电容与所述势能变换单元电连接；

控制单元，所述控制单元由开关管和二极管中的一种或两种组合而成，用于连接不同单元、模块；

输出单元，所述输出单元由开关管或二极管和电容组成，所述输出单元用于输出电能给负载。

本发明公开了的单极PFC中升降压模块的实施架构和控制方法：

如图1-图3所示，本发明所公开的升降压模块，其包括：

输入单元，所述输入单元为输入电容EC1，或为桥堆整流后的输出或其他输入母线等任意一种；

势能变换单元，所述势能变换单元为变压器的绕组T1或电感LP；

升降压电容，为电容EC1P；

控制单元为：开关管K1、KP、KD、K7或D7中的一种或多种组合；

输出单元，所述输出单元由整流开关管K7或二极管D7和电容EC3组成。

需要指出的是，在所述势能变换单元为电感时：所述输入单元、所述控制单元和电感组成第一环路，所述输入单元、所述控制单元、电感和所述升降压电容组成第二环路；所述控制单元、电感和所述输出单元组成第三环路；

在所述势能变换单元为变压器时：所述输入单元、所述控制单元和变压器的输入端绕组组成环路一，所述输入单元、所述控制单元、变压器的输入端绕组和所述升降压电容组成环路二，变压器的输出端绕组、所述控制单元和输出单元组成环路三，所述输出环路即是所述环路三；

结合图1-图3，所述输入单元电容EC1、所述控制单元开关管K1和所述势能变换单元电感LP或变压器T1组成第一环路或环路一；

所述输入单元电容EC1、所述势能变换单元电感LP或变压器的输入端绕组NP、反向二极管DP和所述升降压电容EC1P组成第二环路或环路二；

所述势能变换单元电感LP或变压器的输出端绕组、整流二极管D7或开关管K7、输出电容EC1组成第三环路或环路三；

具体地，结合图1-图6，当所述输出单元端需要能量时，所述第一环路或所述环路一导通，所述输入单元（电容EC1）中的能量传递到所述势能变换单元（电感LP或变压器T1）中，然后关闭所述第一环路或所述环路一，所述势能变换单元（电感LP或变压器的输入端绕组）反激升压，然后所述第三环路或所述环路三导通，所述输出单元输出能量；

当所述升降压电容需要BUCK降压能量时，所述第二环路或所述环路二导通，将所述输入单元（电容EC1）中的能量存储到所述升降压电容EC1P内，并且压差势能（P=(VEC1-VEC1P)*I）存储到所述势能变换器（电感LP或变换器T1），然后关闭所述第二环路或所述环路二，所述势能变换器（电感LP或变压器T1）反激升压，同时所述第三环路或所述环路三导通，将压差势能通过所述势能变换单元传递到所述输出单元；

当所述升降压电容的电压需求高于所述输入单元的时候（即是BOOST电路），先导通所述第一环路或所述环路一，将所述输入单元（电容EC1）中的能量存储到所述势能变换单元（电感LP或变压器T1）内，然后关闭所述第一环路或所述环路一，所述势能变换单元（电感LP或变压器T1）形成反压，再导通所述第二环路或所述环路二，将所述势能变换单元（电感LP或变压器T1）内的能量传递到所述升降压电容EC1P中并形成升压电路，或者关闭所述第二环路或所述环路二，导通所述第三环路或所述环路三，将能量传递到所述输出单元（电容EC3）；

通过以上控制，实现升降压输出，并利用变压器或电感实现两路输出。

如图4-图6所示，结合上述的描写（图1-图3），其进一步的原理为：将所述升降压模块采用和所述输入单元并联或串联的方式实现填谷放电；

其中并联供电连接时：所述输入单元EC1或者桥堆整流后的输出和所述升降压电容EC1P通过开关管KP1导通形成并联供电电路，在本技术中由于在低谷的时候（所述升降压电容EC1P的电压大于所述输入单元电容EC1的电压），才进行导通，加上有二极管DP2或桥堆的隔离，因此实际并联之后就由所述PFC单元（所述升降压电容EC1P）来进行供电，形成并联供电之后，导通开关管K1，使得所述升降压电容EC1P、变压器的输出端绕组NP或电感LP组成第四环路，形成并联供电环路；

串联供电连接：所述输入单元（电容EC1）或桥堆整流后的输出和所述升降压电容EC1P通过开关管KP2导通形成串联供电电路，形成串联供电之后导通开关管K1，使得所述升降压电容EC1P、所述输入单元（电容EC1或整流后母线供电）、所述势能变换单元（电感LP或变压器的输入端绕组NP）形成第五环路，也就是串联供电环路；

如图7-图8所示，单级PFC变换器的控制方法如下：

以整流后的正半周波的0到180度及180到360度为循环周期划分以下节点：T0，T0为电压最低的低谷点；T1，T1设置在电压上升阶段，T1处的电压大于T0处，为低电压升压点；T2，T2设置在电压上升阶段，T2处的电压大于T1处，为升压高电压点；T3，T3为高电压点，或T3点时PFC单元电压等于输入单元的电压或等于峰值最高电压处的电压，T3处的电压大于T2处；T4，T4设置在电压下降阶段，T4处的电压小于T3处的电压，为降压高电压点；T5，T5设置在电压下降阶段，T5处的电压小于T4处的电压，为低电压降压点；

在T0-T4、T0-T3、T1-T3、T1-T4、T2-T3、T3-T4和T2-T4中任意一个阶段，升降压电容进行充电；

在T2-T4阶段，当输入单元为高压时，控制单元控制输入单元给势能变换单元、升降压电容充电；

在低压阶段T5-T1和T4-T2中的任意一个阶段，升降压电容进行填谷释放；

负半周的节点划分方式、处理方式与正半周的一致。

需要说明的是，以上电压划分是作为一个参考电压，根据实际电压和设置需求，可以增加或取消设置点。

比如当输入电压较高时，如300V输入的时候，则即使在30°或者150°的时候正弦波电压也达到212V，若这时候系统设置所述PFC单元（电容EC1P）设置的上限电压200V；因此电压高的时候T3-T4的储能控制方式和T2-T3期间是一样的，等效于没有设置T3点，变为T2-T4；当输入电压低于所述PFC单元（电容EC1P）的时候，才会先把能量存储到所述势能变换单元，再从所述势能变换单元升压后存储到所述PFC单元（电容EC1P）内。同样T5-T1点时间，根据需要也可以取消，和T4-T2采用一样的控制方式。

具体地，在T2-T4阶段中：

当所述升降压电容的电压低于所述输入单元的电压时：所述控制单元控制所述输入单元按需求分配能量到所述升降压电容和所述势能变化单元；

在电压上升阶段，所述输入单元分配到所述升降压电容的能量比例逐步增加；

在电压下降阶段，所述输入单元分配到所述升降压电容的能量比例逐步减少；

通过控制对所述升降压电容的导通时间来控制能量分配的比例。

参考图7、图9中的T2-T3阶段，以及图8的T2-T4阶段，当所述PFC单元（所述升降压电容EC1P）的电压低于所述输入单元的电压时：所述控制单元控制所述输入单元按需求分配能量到所述PFC单元（所述升降压电容EC1P）和所述势能变换单元（电感LP或变压器的输入端绕组NP）；

在电压上升阶段，所述输入单元分配到所述PFC单元（所述升降压电容EC1P）的能量比例逐步增加；

在电压下降阶段，所述输入单元分配到所述PFC单元（所述升降压电容EC1P）的能量比例逐步减少；

所述控制单元通过控制对所述PFC单元（所述升降压电容EC1P）的导通时间来控制能量分配的比例，比例根据实际情况进行调整设置。导通时间的方式有两种，一种是图7的方式：整个周期导通开关管K1和整个周期导通开关管KP的方式，根据电压的上升，导通开关管KP的次数增加，反之在下降阶段开关管KP导通的次数减少；另一种如图8、图9所示，在一个周期里将开关管K1和开关管KP按照比例分配导通。

如图7和图8的T3-T4阶段，当所述PFC单元（所述升降压电容EC1P）的电压高于所述输入单元（电容EC1）的电压或母线电压时，此时由于负压差无法通过开关管KP导通第二环路给所述势能变换单元充能，于是需要先打开开关管K1导通第一环路将能量存储到所述势能变换单元内；

进一步地，存储到所述势能变换单元（电感LP或变压器T1）内的能量的控制方法：可以采用固定电流、变频的方式，也可以采用变峰值电流的方式给所述势能变换单元（电感LP或变压器T1）存储能量；在达到预设能量存储值后，关闭第一环路，所述势能变换单元（电感LP或变压器T1）内的电流由增大变为减少，绕组间形成反激升压，然后控制开关管KP导通第二环路来分配存到所述势能变换单元内的能量，导通开关管KP则能量存到所述PFC单元（所述升降压电容EC1P）内，不导通开关管KP则所述势能变换单元内的能量直接升压传到所述输出单元。分配能量通过以下任意一种方式进行调节：

在T2-T4、T3-T4阶段，当所述升降压电容的电压高于所述输入单元的电压时，通过以下任意一种方式进行调节：

方式一：所述控制单元控制所述输入单元先给所述势能变换单元充电既是导通第一环路，然后关闭第一环路，所述势能变换单元反激升压，再连接第二环路通过所述控制单元将本周期所述势能变换单元（电感LP或变压器T1）的能量传递到所述升降压电容EC1P内；或第二环路处于关闭状态，所述势能变换单元（电感LP或变压器T1）直接升压，导通第三环路将所述势能变换单元（电感LP或变压器T1）的能量传递到所述输出单元，采取一个周期或重复一个以上的周期进行方式一的处理；

方式二：所述控制单元控制所述输入单元给所述势能变换单元（电感LP或变压器T1）充电既是导通第一环路，在所述势能变换单元（电感LP或变压器T1）充电后，将所述势能变换单元内的能量，通过依次导通第二环路和第三环路分配到所述升降压电容EC1P和输出单元。需要指出的是，在T5-T1和/或T4-T2阶段中，所述升降压电容和所述输入单元的连接为并联、串联和串并组合中的任意一种；

在T5-T1和/或T4-T2阶段中，所述输入单元或所述升降压电容给所述势能变换单元充电，并通过所述势能变换单元传递给所述输出单元。

具体地，结合图4、图7，本发明的一种并联填谷的控制方式是：并联填谷是通过导通第一环路和第四环路组合的方式，在所述输入单元低压的时候进行填谷放电，其中所述输入单元的电压越低，第四环路导通的时间比例越大（所述升降压电容EC1P供电的比例越大），反之输入电压越高，所述升降降压电容EC1P供电的比例越想。从而实现输入有效电流接近正弦波，输出恒定。

具体地，结合图5、图8，本发明的一种串联填谷的控制方式是：串联填谷是通过导通第一环路和第五环路组合的方式，在所述输入单元低压的时候进行填谷放电，其中所述输入单元的电压越低，第五环路导通的时间比例越大（所述升降压电容EC1P供电比例越大），反之输入电压越高，所述升降压电容EC1P供电比例越小。

具体地，结合图6、图9，本发明的一种串并联组合填谷的控制方式是：串联填谷是通过导通第一环路、第四环路、第五环路组合的方式，在所述输入单元不是很低的时候，也就是在T1-T2、T4-T5阶段采用第一环路和第四环路组合填谷放电，在T0-T1、T5-T0阶段采用导通第四环路和第五环路组合填谷供电，在T0前后采用第四环路供电。这种组合方式，可以有效降低两者切换的时候的电压差，降低开关损耗。

针对图7-图9的开关方式，作为示范采用先导通母线端，在所述势能变换单元的绕组没退磁时马上打开并联或串联，或者先串联没退磁马上再打开并联的连续打开的方式；还可以进行任意的组合方式打开，比如先一个环路能量退磁释放完毕，再导通另一个环路进行传递能量。

如图10所示，上半部分显示的是现有技术和本技术实现输出电流波形区别，现有技术的单级PFC实现输出两倍工频电流波形图，本技术实现了稳定输出的电流波形图；下半部分是显示现有技术和本技术实现输入电流波形区别，现有技术没有开关的输入电流不可控，PF值低，本技术可以实现正弦波、馒头波等多种波形，PF值高。

图11显示的是常规双级PFC变换器上，电感的电流波形图，其电流波形只能是正弦波，导致电感利用率不高。

具体地，本技术采用一种固定峰值电流实现高PF值的控制方法：

所述控制单元在高压的时候，利用所述升降压电容将所述输入单元的电压进行分压，从而降低所述势能变换单元的电压，延长所述势能变换单元到达峰值电流的时间，增加占空比从而提高等效电流；

或所述控制单元在低压的时候，将所述升降压电容和所述输入单元串接，所述升降压电容的电压升高，减短到达峰值电流的时间，降低占空比从而降低等效电流；

例如，图12-图15结合图4-图5，针对绕组固定电流也能实现高PF值的控制方法是（其中图12显示的是本技术采用调整占空比方式，固定峰值电流也可以实现输入电流有效波形为正弦波）：所述控制单元在高压（T2-T4期间，VEC1输入电容的电压>VEC1P升降压电容）的时候，导通第二环路，控制所述PFC单元（所述升降压电容EC1P）进行分压分配能量，其中所述升降压电容EC1P获得的能量≈所述升降压电容EC1P的电压*INP（绕组电流），分压后绕组电压=所述输入单元（电容EC1）的电压-所述升降压电容EC1P的电压-开关管KP导通压降-二极管DP导通压降，导致到达固定峰值电流时间延长，增加了占空比从而提高等效输入电流IAC；相同的所述控制单元在低压（T4-T2）的时候，控制所述PFC单元（所述升降压电容EC1P）和母线输入端串接，所述PFC单元（所述升降压电容EC1P）的电压升高，绕组电压=VIN+所述升降压电容EC1P的电压-开关管KP导通压降-二极管DP导通压降，绕组电压升高则到达峰值电流的时间减少，降低占空比从而降低等效输入电流IAC。

图13所示的是本技术采用调整占空比和调频组合的方式，实现固定峰值电流，也可以实现输入电流有效波形有正弦波，具体地：

T2-T3期间，所述输入单元电容EC1的电压>所述升降压电容EC1P的电压时，采用图12所示的调整占空比的方式，当T3-T4期间，所述输入单元电容EC1的电压<所述升降压电容EC1P的电压时，无法打开第二环路来提高占空比，于是采用打开第一环路，改变频率的方式，即使电压越低频率越低，以调整输入电流IAC。

图14是现有技术连续模式的双级PFC电流波形图，其电流变化打，变压器利用率低。

图15为本技术采用固定电流实现连续模式单级PFC的电流波形图，通过调占空比、调频率以及通过第一环路（所述输入单元供电）、第四环路（所述升降压电容EC1P供电）、第五环路（所述输入单元和所述升降压电容串联供电）组合实现变压器固定电流就可以实现PF值，并稳定输出的控制方式。

需要指出的是，通过本技术同样能够采用相对固定的频率，通过调整IPK电流的方式来实现高PF值。参考图7中T2-T4阶段，就是通过调整峰值电流的方式，实现输入有效电流为正弦波。

需要说明的是，在本发明的元器件布局里，各个元器件根据需要设置在不同的位置，实现对应的功能，如二极管D7、二极管DP、电感LP、变压器T1、开关管K1、开关管KP、开关管KP1、开关管KP2等都可以在正端，也可以在负端，或者不同地的组合。其中二极管根据需要可以改为开关管来降低损耗，开关管可以是MOS管、三极管、可控硅、氮化镓等任意一种或组合。

再是根据需要可以添加不同的EMC元件和安规元件，根据需要添加二极管、三极管、电阻、电容、光耦等元器件；并且开关管、VCC启动电路、分压检测电路、限流检测电路等可以外置，也可以集成到芯片内部。其中常规的势能变换单元包括隔离、非隔离、正激、反激等变换器，或按照以上思路采用其他方法进行串联或并联放电。以上赘述中和附图中的示范电路均可以增加元件使其同时具有并联填谷和串联填谷的功能，同样同时具有并联填谷和串联填谷的电路也可以去除相应的元件，减少填谷的方式。

综上所述，本发明通过将输入单元、势能变换单元、PFC单元、控制单元、输出单元以及其他元器件通过巧妙的布局连接在一起，并通过巧妙的控制方法：将市电单个周期划分为多个节点，将节点整合成多个时间段，控制单元根据时间段来控制其他单元、元器件工作，实现了将高PF峰值期间多余的能量通过升降压模块存储到PFC单元内，并在低谷的时候通过控制进行填谷输出，进而提高PF值和稳定输出；再是控制单元不仅是对PFC单元进行升降压，还进行了控制，可以将PFC单元内的PFC电容控制在较低的电压上，以降低PFC电容的耐压，进而提高使用寿命；设计上减去了部分常用元气件或电路，降低电路损耗同时缩小变换器整体体积。以上极大地提高了本发明的实用价值。

以上所述的实施例仅表达了本发明的一种或多种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此理解为对本发明专利的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种单级PFC变换器，其特征在于，包括：升降压模块，所述升降压模块包括：

输入单元，所述输入单元为输入电容、输入母线端和输入端整流后加滤波电容中的任意一种；

势能变换单元，所述势能变换单元为变压器或电感，所述势能变换单元与所述输入单元电连接；

升降压电容，所述升降压电容与所述势能变换单元电连接；

控制单元，所述控制单元由开关管和二极管中的一种或两种组合而成，用于连接不同单元、模块；

输出单元，所述输出单元由开关管或二极管和电容组成，所述输出单元用于输出电能给负载；

所述势能变换单元为电感时：所述输入单元、所述控制单元和电感组成第一环路，所述输入单元、所述控制单元、电感和所述升降压电容组成第二环路；所述控制单元、电感和所述输出单元组成第三环路；

所述势能变换单元为变压器时：所述输入单元、所述控制单元和变压器的输入端绕组组成环路一，所述输入单元、所述控制单元、变压器的输入端绕组和所述升降压电容组成环路二，变压器的输出端绕组、所述控制单元和输出单元组成环路三，输出环路即是所述环路三；

当所述输出单元端需要能量时，所述第一环路或所述环路一导通，所述输入单元中的能量传递到所述势能变换单元中，然后关闭所述第一环路或所述环路一，所述势能变换单元反激升压，然后所述第三环路或所述环路三导通，所述输出单元输出能量；

当所述升降压电容需要降压能量时，所述第二环路或所述环路二导通，将所述输入单元中的能量存储到所述升降压电容内，并且压差势能存储到所述势能变换器，然后关闭所述第二环路或所述环路二，所述势能变换器反激升压，同时所述第三环路或所述环路三导通，将压差势能通过所述势能变换单元传递到所述输出单元；当所述升降压电容的电压需求高于所述输入单元的时候，先导通所述第一环路或所述环路一，将所述输入单元中的能量存储到所述势能变换单元内，然后关闭所述第一环路或所述环路一，所述势能变换单元形成反激升压，再通过所述控制单元对所述势能变换单元进行能量分配：导通所述第二环路或所述环路二，将所述势能变换单元内的能量传递到所述升降压电容中并形成升压电路，或者关闭所述第二环路或所述环路二，导通所述第三环路或所述环路三，将能量传递到所述输出单元，根据需要进行分配；

通过以上控制，实现升降压输出，并利用一个变压器或电感实现一路或两路输出。

2.根据权利要求1所述的一种单级PFC变换器，其特征在于，还包括：PFC单元，所述升降压模块通过所述控制单元和所述输入单元进行串联或并联连接形成所述PFC单元，所述升降压电容为所述PFC单元中的储能电容；

所述升降压模块在正弦波高压阶段进行能量分配，将多余的能量分配到所述PFC单元；

所述升降压模块在正弦波低压阶段，内部的所述控制单元将所述PFC单元内存储的能量进行填谷释放。

3.根据权利要求1所述的一种单级PFC变换器，其特征在于，所述升降压模块中的所述升降压电容和所述输入单元进行并联，组成第四环路；

或所述升降压电容和所述输入单元串联，组成第五环路；

在输入低压的时候结合第一环路、第四环路、第五环路提供填谷释放能量，实现稳定输出。

4.根据权利要求1所述的一种单级PFC变换器，其特征在于，所述开关管是MOS管、三极管、可控硅、氮化镓中的任意一种或组合。

5.根据权利要求1所述的一种单级PFC变换器，其特征在于，所述势能变换单元采用隔离、非隔离、正激、反激中的任意一种方式进行电连接。

6.一种基于权利要求1-5中任意一项所述的单级PFC变换器的控制方法，其特征在于，以整流后的正半周波的0到180度及180到360度为循环周期划分以下节点：

T0，T0为电压最低的低谷点；

T1，T1设置在电压上升阶段，T1处的电压大于T0处，为低电压升压点；

T2，T2设置在电压上升阶段，T2处的电压大于T1处，为升压高电压点；

T3，T3为高电压点，在T3点时升降压电容电压等于输入单元的电压或等于峰值电压，T3处的电压大于T2处；

T4，T4设置在电压下降阶段，T4处的电压小于T3处的电压，为降压高电压点；

T5，T5设置在电压下降阶段，T5处的电压小于T4处的电压，为低电压降压点；

在T2-T4阶段，当输入单元为高压时，控制单元控制输入单元给势能变换单元、升降压电容充电；

在低压阶段T5-T1和T4-T2中的任意一个阶段，升降压电容进行填谷释放；

负半周的节点划分方式、处理方式与正半周的一致。

7.根据权利要求6所述的一种单级PFC变换器的控制方法，其特征在于，在T2-T4阶段中：

当所述升降压电容的电压低于所述输入单元的电压时：所述控制单元控制所述输入单元按需求分配能量到所述升降压电容和所述势能变化单元；

在电压上升阶段，所述输入单元分配到所述升降压电容的能量比例逐步增加；在电压下降阶段，所述输入单元分配到所述升降压电容的能量比例逐步减少；通过控制对所述升降压电容的导通时间来控制能量分配的比例。

8.根据权利要求6所述的一种单级PFC变换器的控制方法，其特征在于，在T2-T4阶段，当所述升降压电容的电压高于所述输入单元的电压时，通过以下任意一种方式进行调节：

方式一：所述控制单元控制所述输入单元先给所述势能变换单元充电，再通过所述控制单元将本周期所述势能变换单元的能量传递到所述升降压电容内或直接传递到次级，采取一个周期或重复一个以上的周期进行方式一的处理；

方式二：所述控制单元控制所述输入单元给所述势能变换单元充电，在所述势能变换单元充电后，将所述势能变换单元内单次存储的能量依次分配到所述升降压电容和输出单元。

9.根据权利要求6所述的一种单级PFC变换器的控制方法，其特征在于，在T5-T1和/或T4-T2阶段中，所述升降压电容和输入单元的连接为并联、串联和串并组合中的任意一种；

在T5-T1和/或T4-T2阶段中，输入单元或所述升降压电容给所述势能变换单元充电，并通过所述势能变换单元传递给输出单元。

10.根据权利要求6所述的一种单级PFC变换器的控制方法，其特征在于，采用一种固定峰值电流实现高PF值的控制方法：

所述控制单元在高压的时候，利用所述升降压电容将所述输入单元的电压进行分压，从而降低所述势能变换单元的电压，延长所述势能变换单元到达峰值电流的时间，增加占空比从而提高等效电流；

或所述控制单元在低压的时候，将所述升降压电容和所述输入单元串接，所述升降压电容的电压升高，减短到达峰值电流的时间，降低占空比从而降低等效电流。

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