CN112737308B - 宽电压混合式pfc变换器及开关电源 - Google Patents

宽电压混合式pfc变换器及开关电源 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种宽电压混合式PFC变换器及开关电源，变换器包括AC输入单元，整流单元，第一输入滤波电容、第一输出滤波电容、第二输入滤波电容、第二输出滤波电容、选择开关、PFC变换单元和PFC控制单元，AC输入单元的交流输出端电连接整流单元交流输入端，整流单元的输出端接第一输入滤波电容和PFC变换单元的第一输入端，整流单元的输出端第二输入滤波电容和PFC变换单元的第二输入端。本方案通过PFC变换单元实现功率变换，选择开关根据交流电压大小而闭合与断开以适应较宽交流输入电压范围，输入电流大小基本维持不变，其中，选择开关闭合时，PFC变换单元工作于无桥整流模式，从而可以提高整体转换效率；功率器件要求低，降低生产成本。

Description

宽电压混合式PFC变换器及开关电源
技术领域
本发明涉及功率拓扑结构领域，更具体地说是一种宽电压混合式PFC变换器及开关电源。
背景技术
电力电子装置、开关电源广泛应用于各种消费电子和工业设备中，如充电器、电源适配器、LED驱动器、工控电源、充电桩模块、5G通信电源等，超过规定功率时需具有功率因数校正(PFC)功能。功率变换器是电力电子装置、开关电源的核心组成部份，一般广泛使用两级AC/DC级联结构：前级PFC变换器，用于调节输入功率因数并实现输入与输出能量平衡；以及后级DC/DC变换器，用于调整输出电压并降低输出纹波电压或电流。两级AC/DC变换器中，前级PFC变换器一般使用升压变换器(Boost)；后级DC/DC变换器既可使用隔离型，也可使用非隔离拓扑结构。现有的前级PFC变换器如图1所示，其中，Lf、Cf为输入EMI滤波电感和滤波电容，D1、D2、D3、D4为输入整流桥二极管，Cin为输入滤波电容，Cb为直流母线电容，以平衡输入与输出能量并用作滤波，Co为输出滤电容，RL为直流输出负载，Boost变换器包括第一功率开关管Q1及第一其体二极管DQ1、第一滤波电感L1、第一整流二极管D5。升压BoostPFC变换器基本工作原理为：Q1开通时L1储能，Co提供能量给RL；Q1关断时L1放电提供能量给Co和RL。
为了能够长时间可靠运行，开关电源必须适应较宽交流电网电压(AC)变化范围。但工业用电存在较大电压波动，全球电网制式和电压等级也不相同，导致交流电压范围为85-305Vac工作于这样极宽电压范围，Boost变换器存在较严重问题：一方面功率器件需要更大电压、电流和功率等级，导致元器件成本急剧上升；另一方面由于直流母线电压基本固定，交流低压输入时功率器件电流应力高达两倍以上，不可避免产生更多功耗，从而降低整体转换效率。工业界也尝试使用其他类型变换器，如降压变换器(Buck)、升降压变换器(Buck-Boost)、反激变换器(Flyback)等，但用于PFC时又存在功率因数(PF)较低、电流谐波(THD)较大、转换效率较低、功率容量受限等缺陷。
因此，电力电子、开关电源行业需要一种新型PFC变换器。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种宽电压混合式PFC变换器及开关电源。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提出一种宽电压混合式PFC变换器，包括AC输入单元，整流单元，第一输入滤波电容、第一输出滤波电容、第二输入滤波电容、第二输出滤波电容、选择开关、PFC变换单元和PFC控制单元；
所述AC输入单元的交流输出端电连接所述整流单元交流输入端，所述整流单元的第一输出端接所述第一输入滤波电容的第一端和所述PFC变换单元的第一输入端，所述整流单元的第二输出端所述第二输入滤波电容的第一端和所述PFC变换单元的第二输入端，所述选择开关的第一端接所述第一输入滤波电容的第二端、第二输入滤波电容的第二端和所述PFC变换单元的第一连接端，所述选择开关的第二端接所述整流单元的交流输入端；所述PFC变换单元的第一输出端连接所述第一输出滤波电容和负载的第一端，所述PFC变换单元的第二输出端连接所述第二输出滤波电容的第一端和负载的第二端，所述第一输出滤波电容和第二输出滤波电容的第二端接所述PFC变换单元的第二连接端，所述所述PFC变换单元的第一连接端和第二连接端连通；所述PFC控制单元的控制端接所述选择开关的受控端，所述PFC控制单元的第一采样端连接所述PFC变换单元的第一输入端或第二输出端，并用于采样所述PFC变换单元的输入电压，所述PFC控制单元的第二采样端连接所述PFC变换单元的第一输出端或第二输出端，用于采样所述PFC变换单元的输出电压，所述PFC控制单元的调制端连接所述PFC变换单元。
第二方面，本发明还提出一种开关电源，包括如上所述的宽电压混合式PFC变换器。
本发明与现有技术相比的有益效果是：本发明提供的一种宽电压混合式PFC变换器及开关电源，宽电压混合式PFC变换器由PFC变换单元和选择开关及PFC控制单元构成，PFC变换单元实现功率变换，选择开关根据交流电压大小而闭合与断开以适应较宽交流输入电压范围，输入电流大小基本维持不变，其中，选择开关闭合时，PFC变换单元工作于无桥整流模式，从而可以提高整体转换效率；另外，通过PFC控制单元配合选择开关，能够实现高功率因数、低电流谐波；另外，本方案采用的功率器件无需增大电压、电流和功率等级，从而可以降低元器件成本。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明技术手段，可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征及优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，详细说明如下。
附图说明
图1为现有的前级PFC变换器的电路图；
图2为本发明的一种宽电压混合式PFC变换器第一实施例的原理图；
图3为本发明的一种宽电压混合式PFC变换器第二实施例的电路图；
图4为本发明的一种宽电压混合式PFC变换器第三实施例的PFC单元的电路图；
图5为本发明的一种宽电压混合式PFC变换器第四实施例的电路图；
图6为本发明的一种宽电压混合式PFC变换器第五实施例的PFC单元的电路图；
图7为本发明的一种宽电压混合式PFC变换器第六实施例的PFC单元的电路图；
图8为本发明的一种宽电压混合式PFC变换器第七实施例的PFC单元的电路图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不应理解为必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行结合和组合。
第一实施例：
参考图1，本发明提出一种宽电压混合式PFC变换器，包括AC输入单元10，整流单元20，第一输入滤波电容Ci1、第一输出滤波电容Co1、第二输入滤波电容Ci2、第二输出滤波电容Co2、选择开关K、PFC变换单元30和PFC控制单元40。
AC输入单元10的交流输出端电连接整流单元20交流输入端，交流电输入整流单元20后整流成直流电输出给PFC单元，如图1所示，在本实施例中，AC输入单元10包括EMI滤波电感Lf和EMI滤波电容Cf，EMI滤波电感Lf设置于零线或者火线上，EMI滤波电容Cf一端接零线另一端接火线，EMI滤波电感Lf配合EMI滤波电容Cf对AC输入单元1010的交流电进行滤波。
如图1所示，在本实施例中，整流单元20包括4个整流桥二极管(D1、D2、D3和D4)，4个整流桥二极管(D1、D2、D3和D4)连接组成桥式整流电路，AC输入单元10的两个交流输出端分别接桥式整流电路的两个交流输入端，整流单元20的正输出端和负输出端(第一输出端和第二输出端)接PFC变换单元30，用于将整流后的直流电输出给PFC变换单元30。
整流单元20的第一输出端接第一输入滤波电容的第一端和PFC变换单元30的第一输入端(1端口)，整流单元20的第二输出端第二输入滤波电容的第一端和PFC变换单元30的第二输入端(3端口)，选择开关的第一端接第一输入滤波电容的第二端、第二输入滤波电容的第二端和PFC变换单元30的第一连接端(2端口)，选择开关的第二端接整流单元20的交流输入端；PFC变换单元30的第一输出端(4端口)连接第一输出滤波电容和负载的第一端，PFC变换单元30的第二输出端(6端口)连接第二输出滤波电容的第一端和负载的第二端，第一输出滤波电容和第二输出滤波电容的第二端接PFC变换单元30的第二连接端(5端口)，PFC变换单元30的第一连接端和第二连接端连通；PFC控制单元的控制端接选择开关的受控端，PFC控制单元的第一采样端连接PFC变换单元30的第一输入端或第二输出端，并用于采样PFC变换单元30的输入电压，PFC控制单元40的第二采样端连接PFC变换单元30的第一输出端或第二输出端，用于采样PFC变换单元30的输出电压，PFC控制单元40的调制端连接PFC变换单元30。
在本实施例中，选择开关K可以使用各类开关型器件。如继电器、干簧管等电磁类开关，或MOSFET、IGBT、晶闸管等电子类开关或其多种组合。
PFC控制单元40控制选择开关K进入闭合与关断状态，PFC变换单元30具有无桥整流与有桥整流两种工作模式，具体如下：
1、无桥整流工作模式，PFC控制单元40检测到交流电压较低时，PFC控制单元40闭合选择开关K，宽电压混合式PFC变换器进入无桥整流工作模式。如图2所示，正弦波正半周过程中，AC输入单元10的交流电通过D1，并经Ci1滤波后给PFC变换单元30的第1、2端口供电，第1端口为正极、第2端口为负极。正弦波负半周过程中，AC输入单元10的交流电通过D3，并经Ci2滤波后给第2、3端口供电，第2端口为正极、第3端口为负极。即K闭合时第1、2端口与第2、3端口分时工作，AC输入电压每半个工频周期分别给Ci1、Ci2充电。由于整个过程中整流单元20的D2、D4并不工作，从而工作于无桥整流模式，输入整流桥二极管导通损耗可减小一半、提高整体转换效率。
2、有桥整流工作模式，PFC控制单元40检测到交流电压较高时，PFC控制单元40断开选择开关K，本方案的宽电压混合式PFC变换器进入有桥整流工作模式。如图2所示，正弦波正半周过程中，AC输入单元10的交流电通过D1、D4，并经Ci1、Ci2串联滤波后给PFC变换单元30的第1、3端口供电，第1端口为正极、第3端口为负极；正弦波负半周过程中，AC输入通过D2、D3，也经Ci1、Ci2串联滤波后给第1、3端口供电，第1端口为正极、第3端口为负极。即K断开时只有第1、3端口工作，AC输入电压每个工频周期同时给Ci1、Ci2串联共同充电。这个过程中D1、D2、D3、D4都要工作，从而工作于PFC有桥整流模式，功率损耗与转换效率与传统Boost PFC变换器类似。为了适应较宽交流输入电压范围，选择开关K存在闭合和断开两种状态，PFC变换器分别工作于无桥与有桥整流模式，从而构成混合PFC变换器。由于电路中具有选择开关K，不同交流输入电压时第1、3端口电压基本不变，交流低压输入时无桥整流模式与交流高压输入时有桥整流模式的输入电流大小基本维持不变，因此可以进一步提高整体转换效率。
在本实施例中，PFC控制单元40、选择开关检测与控制电路之间具有通信连接以协调各自控制和运行，从而两者之间相互发送实时指令和运行参数，可设置控制方式和调整工作状态，以使PFC变换单元30最优化运行，这样能够进一步提高宽电压混合式PFC变换器的性能和可靠性。
进一步地，PFC控制器、选择开关检测与控制电路既可集成为一个、两个或多个模拟芯片，或可使用一个、两个或多个需要嵌入式软件编程的MCU、DSP等数字芯片。
本方案的宽电压混合式PFC变换器由PFC变换单元30和选择开关及PFC控制单元40构成，PFC变换单元30实现功率变换，选择开关根据交流电压大小而闭合与断开以适应较宽交流输入电压范围，输入电流大小基本维持不变，其中，选择开关闭合时，PFC变换单元30工作于无桥整流模式，从而可以提高整体转换效率；另外，通过PFC控制单元40配合选择开关，能够实现高功率因数、低电流谐波。
第二实施例：
参考图1和3，本发明提出一种宽电压混合式PFC变换器，包括AC输入单元10，整流单元20，第一输入滤波电容Ci1、第一输出滤波电容Co1、第二输入滤波电容Ci2、第二输出滤波电容Co2、选择开关K、PFC变换单元30和PFC控制单元40。
在本实施例中，AC输入单元10，整流单元20，第一输入滤波电容Ci1、第一输出滤波电容Co1、第二输入滤波电容Ci2、第二输出滤波电容Co2、选择开关K均与第一实施例相同，在此不再重复描述。
参考图3，在本实施例中，PFC变换单元30包括第一功率开关管Q1、第一其体二极管DQ1、第一整流二极管D5、第一滤波电感L1、第二功率开关管Q2、第二其体二极管DQ2、第二整流二极管D6和第二滤波电感L2。
具体的，第一功率开关管Q1的D极和第一其体二极管DQ1的负极接PFC变换单元30的第一输入端，第一功率开关管Q1的G极接PFC控制单元40的调制端，第一功率开关管Q1的S极和第一其体二极管DQ1的正极接第一整流二极管D5的负极和第一滤波电感L1的第一端，第一滤波电感L1的第二端接PFC变换单元30的第一输出端；第二功率开关管Q2的S极和第二其体二极管DQ2的正极接PFC变换单元30的第二输入端，第二功率开关管Q2的G接PFC控制单元40的调制端，第二功率开关管Q2的D极和第二其体二极管DQ2的负极接第二整流二极管D6的正极和第二滤波电感L2的第一端，第二滤波电感L2的第二端接PFC变换单元30的第二输出端；第一整流二极管D5的正极和第二整流二极管D6的负极接PFC变换单元30的第一连接端和第二连接端。
具体的，PFC变换单元30的拓扑结构为正负对称降压变换器(Buck)，正降压变换器包括第一功率开关管Q1、第一其体二极管DQ1、第一滤波电感L1和第一整流二极管D5，其输出端作为第一个正输出电压Vo1；负降压变换器包括第二功率开关管Q2、第二其体二极管DQ2、第二滤波电感L2和第二整流二极管D6，其输出端作为第二个正输出电压Vo2；Vo1和Vo2串联连接至总输出电压Vo正负极两端，从而给输出负载RL供电。实际工作时，交流电网(AC)经过Lf、Cf的EMI滤波，并通过D1、D2、D3、D4整流，经过Ci1、Ci2滤波后，提供给正负对称的PFC变换单元30第1、3端口，即其输入正负极。Ci1、Ci2中点接至PFC变换单元30第2端口，即L1、L2中点，并经过选择开关K接至D2、D4中点，或AC火线(L)或零线(N)线任意一端。通过内部功率变换，再经过输出电容Co1、Co2滤波后，其输出接至第4、6端口而产生输出电压Vo并给输出负载RL供电，即其输出正负极，Co1、Co2中点接至PFC变换单元30的第5端口构成输出电压分压，并与第2端口连接。
PFC控制单元40控制选择开关K进入闭合与关断状态，本方案的宽电压混合式PFC变换器对应进入无桥整流与有桥整流两种工作模式，具体如下：
1、无桥整流工作模式，PFC控制单元40检测到交流电压较低时，PFC控制单元40闭合选择开关K，以进入无桥整流工作模式。如图3所示，正弦波正半周过程中，AC输入通过D1，并经Ci1滤波后给PFC变换单元30的第1、2端口供电，第1端口为正极、第2端口为负极，正降压变换器中Q1、D5高频开关工作，L1储能与放电并经Co1滤波后形成输出电压Vo1；正弦波负半周过程中，AC输入通过D3，并经Ci2滤波后给PFC变换单元30的第2、3端口供电，第2端口为正极、第3端口为负极，负降压变换器中Q2、D6高频开关工作，L2储能与放电并经Co2滤波后形成输出电压Vo2。即K闭合时宽电压混合式PFC变换器分时工作，AC输入电压每半个工频周期分别给Ci1、Ci2充电。
由于整个过程中D2、D4并不工作，从而工作于无桥整流工作模式，输入整流二极管导通损耗可减小一半、提高整体转换效率。
2、有桥整流工作模式，PFC控制单元40检测到交流电压较高时，PFC控制单元40断开选择开关K，以进入有桥整流工作模式。如图3所示，正弦波正半周过程中，AC输入通过D1、D4，并经Ci1、Ci2串联滤波后给第1、3端口供电，第1端口为正极、第3端口为负极，正降压变换器中Q1、D5高频开关工作，L1储能与放电并经Co1滤波后形成输出电压Vo1；同时负Buck降压变换器中Q2、D6也高频开关工作，L2储能与放电并经Co2滤波后形成输出电压Vo2；正弦波负半周过程中，AC输入通过D2、D3，也经Ci1、Ci2串联滤波后给第1、3端口供电，第1端口为正极、第3端口为负极，正负对称降压变换器工作过程与正弦波正半周完全相同。
即K断开时只有PFC变换单元30的第1、3端口工作，AC输入电压每个工频周期同时给Ci1、Ci2串联共同充电。这个过程中D1、D2、D3、D4都要工作，从而工作于PFC有桥整流模式，功率损耗与转换效率与传统Boost PFC变换器类似。
需要说明的是，这两个正负降压变换器既可同步高频开关工作，也可非同步高频开关工作。
为了适应较宽交流输入电压范围，本方案的选择开关K存在闭合和断开两种状态，PFC变换器分别工作于无桥与有桥整流模式，从而构成混合PFC变换器。由于电路中具有选择开关K，不同交流输入电压时PFC变换单元30的第1、3端口电压基本不变，交流低压输入时无桥整流模式与交流高压输入时有桥整流模式的输入电流大小基本维持不变，因此可以提高整体转换效率。交流低压输入时，选择开关维持闭合，内部功率器件工作状况与交流高压输入时基本相似，功率器件无需增大电压、电流和功率等级，从而可以降低元器件成本。
参考图3，本方案的PFC控制器包括电压误差放大器U1、比较器U2、PWM比较器U3和触发器U4。需要说明的是，Buck降压变换器用于PFC电路时，根据输出电压不同幅值，输入交流电流存在断续现象，从而降低PF、增大THD，因此需要合理设计Buck降压PFC变换器以达到所期望PFC性能。PFC控制器既可使用原边调制(PSR)、也可使用副边调制SSR调节，具体方式为采样输出电压Vo而构成反馈信号Vos后进入PFC控制单元40的电压误差放大器U1负极，电压基准Vr1连接U1正极，两者相比较后并经过一个比例积分微分(PID)补偿器，形成电压误差信号后进入比较器U2正极。检测正负Buck电感电流iL1、iL2转化为电压信号并经二极管Di1、Di2选通后，进入U2负极以控制L1、L2峰值电流，与电压误差信号相比较后进入PWM比较器U3正极，再与连接U3负极的标准锯齿波信号Vramp相比较后进入触发器U4的R端。同时，通过检测Q1的漏极和Q2的源极电压信号并经二极管Dv1、Dv2选通后进入U4的S端。触发器U4的R端实时控制停止脉冲输出，S端实时控制启动脉冲输出，这样生成两路独立PWM开关驱动信号，以分别控制开关管Q1、Q2的开通和关断。这种电流临界导通模式(CRM或BCM)控制策略既可闭环控制Vo，也能实现输入电流与输入电压为同频同相正弦波，以达到功率因数校正和更高功率因数，实现对电网的零污染。另外，也可仅检测iL1或iL2及检测Q1或Q2漏极与源极电压信号，而生成两路相同PWM开关驱动信号，这样并不影响变换器工作特性。需要说明的是，这个降压变换器的控制策略还可采用电流断续导通模式(DCM)，也可使用具有乘法器的DCM、CRM，甚至电流连续导通模式(CCM)、单周期、电荷泵、PWM、变频方式等不同控制模式，而并不影响系统控制效果。
第三实施例：
参考图1和4，本发明提出一种宽电压混合式PFC变换器，包括AC输入单元10，整流单元20，第一输入滤波电容Ci1、第一输出滤波电容Co1、第二输入滤波电容Ci2、第二输出滤波电容Co2、选择开关K、PFC变换单元30和PFC控制单元40。
在本实施例中，AC输入单元10，整流单元20，第一输入滤波电容Ci1、第一输出滤波电容Co1、第二输入滤波电容Ci2、第二输出滤波电容Co2、选择开关K和PFC控制单元40均与第二实施例相同，在此不再重复描述。
参考图4，与第二实施例不同的是，在本实施例中，PFC变换单元30包括第一功率开关管Q1、第一其体二极管DQ1、第一整流二极管D5、第一滤波电感L1、第二功率开关管Q2、第二其体二极管DQ2、第二整流二极管D6和第二滤波电感L2。
如图4所示，第一滤波电感L1的第一端接PFC变换单元30的第一输入端，第一滤波电感L1的第二端接第一整流二极管D5的正极、第一功率开关管Q1的D极和第一其体二极管DQ1的负极，第一整流二极管D5的负极接PFC变换单元30的第一输出端，第一功率开关管Q1的G极接PFC控制单元40的调制端；第二滤波电感L2的第一端接PFC变换单元30的第二输入端，第二滤波电感L2的第二端接第二整流二极管D6的负极、第二功率开关管Q2的S极和第二其体二极管DQ2的正极，第二整流二极管D6的正极接PFC变换单元30的第二输出端，第二功率开关管Q2的G极接PFC控制单元40的调制端；第一功率开关管Q1的S极、第一其体二极管DQ1的正极、第二功率开关管Q2的D极和第二其体二极管DQ2的负极接PFC变换单元30的第一连接端和第二连接端。
在本实施例中，PFC变换单元30使用正负对称升压变换器(Boost)，如图4所示。正负对称升压变换器内含正Boost变换器和负Boost变换器。正Boost变换器包括第一功率开关管Q1及第一其体二极管DQ1、第一滤波电感L1、第一整流二极管D5，其输出端作为第一个正输出电压Vo1；负Boost变换器包括功率开关管Q2及其体二极管DQ2、第二滤波电感L2、第二整流二极管D6，其输出端作为第二个正输出电压Vo2。使用时，PFC变换单元30的第1、3端口为输入正负极，第2端口接至输入滤波电容Ci1和Ci2的中点。PFC变换单元30的第4、6端口为输出正负极，第5端口接至输出滤波电容Co1和Co2的中点，并与PFC变换单元30的第2端口连接。正Boost升压变换器中Q1、D5高频开关工作，L1储能与放电在第4、5端口之间形成第一个输出电压Vo1；同时负Boost升压变换器中Q2、D6也高频开关工作，L2储能与放电在第5、6端口之间形成第二个输出电压Vo2。需要说明的是，这两个正负Boost升压变换器既可同步高频开关工作，也可非同步高频开关工作。
第四实施例：
参考图1和5，本发明提出一种一种宽电压混合式PFC变换器。本实施例在第三实施例的基础上，本实施例的PFC变换单元30还包括第三功率开关管Q3、第三其体二极管DQ3、第四功率开关管Q4和第四其体二极管DQ4。
如图5所示，其中，第三功率开关管Q3的D极和S极，以及第三其体二极管DQ3的正负极分别接整流单元20正输出端两个整流桥二极管的负极，如图5所示的D1和D2的负极；第四功率开关管Q4的D极和S极，以及第四其体二极管DQ4的正负极分别接整流单元20负输出端两个整流桥二极管的正极，如图5所示的D3和D4的正极；第三功率开关管Q3和第四功率开关管Q4的G极接PFC控制单元40的调制端。
在本实施例中，PFC变换单元30包括双管正Buck-Boost变换器和双管负Buck-Boost变换器。双管正Buck-Boost变换器包括功率开关管Q1及其体二极管DQ1、功率开关管Q3及其体二极管DQ3、升降压电感L1、整流二极管D2、D5，其输出端作为第一个正输出电压Vo1。这个电路为分时工作：Q3、D2、L1构成Buck变换器，Q1、D5、L1构成Boost变换器，AC输入电压高时工作于Buck状态；AC输入电压低时工作于Boost状态。双管负Buck-Boost变换器包括功率开关管Q2及其体二极管DQ2、功率开关管Q4及其体二极管DQ4、升降压电感L2、整流二极管D4、D6，其输出端作为第二个正输出电压Vo2。这个电路也为分时工作，工作原理与双管正Buck-Boost变换器相似。
正负对称双管Buck-Boost升降压PFC变换器工作过程与第二实施例相似，这里不再重复描述。双管Buck-Boost变换器作为传统单管Buck-Boost变换器的一种改进形式，功率开关管与整流二极管具有更低电压应力等诸多优点，也可用于PFC变换器中，但需使用四个功率开关管。
需要说明的是，这两个正负Boost升压变换器既可同步高频开关工作，也可非同步高频开关工作。另外，在本实施例中，选择开关K无论处于闭合、还是断开状态，双管Buck-Boost升降压PFC变换器均工作于无桥整流模式，从而提高整体转换效率、降低功率器件成本。
第五实施例：
参考图1和6，本发明提出一种宽电压混合式PFC变换器，包括AC输入单元10，整流单元20，第一输入滤波电容Ci1、第一输出滤波电容Co1、第二输入滤波电容Ci2、第二输出滤波电容Co2、选择开关K、PFC变换单元30和PFC控制单元40。
在本实施例中，AC输入单元10，整流单元20，第一输入滤波电容Ci1、第一输出滤波电容Co1、第二输入滤波电容Ci2、第二输出滤波电容Co2、选择开关K和PFC控制单元40均与第二实施例相同，在此不再重复描述。
参考图6，在本实施例中，PFC变换单元30包括第一功率开关管Q1、第一其体二极管DQ1、第一整流二极管D5、第一滤波电感L1、第二功率开关管Q2、第二其体二极管DQ2、第二整流二极管D6和第二滤波电感L2。
参考图6，在本实施例中，第一功率开关管Q1的D极和第一其体二极管DQ1的负极接PFC变换单元30的第一输入端，第一功率开关管Q1的G极接PFC控制单元40的调制端，第一功率开关管Q1的S极和第一其体二极管DQ1的正极接第一整流二极管D5的负极和第一滤波电感L1的第一端，第一整流二极管D5的正极接PFC变换单元30的第一输出端。第二功率开关管Q2的D极和第二其体二极管DQ2的负极接PFC变换单元30的第二输入端，第二功率开关管Q2的G接PFC控制单元40的调制端，第二功率开关管Q2的S极和第二其体二极管DQ2的正极接第二整流二极管D6的正极和第二滤波电感L2的第一端，第二整流二极管D6的负极接PFC变换单元30的第二输出端；第一滤波电感L1和第二滤波电感L2的第二端接PFC变换单元30的第一连接端和第二连接端。
在本实施例中，PFC变换单元30使用正负对称升降压变换器(Buck-Boost)，如图6所示。正负对称升降压变换器内含正Buck-Boost变换器和负Buck-Boost变换器：正Buck-Boost变换器包括第一功率开关管Q1及第一其体二极管DQ1、第一滤波电感L1、第一整流二极管D5，其输出端作为第一个正输出电压Vo1。负Buck-Boost变换器包括第二功率开关管Q2及第二其体二极管DQ2、第二滤波电感L2、第二整流二极管D6，其输出端作为第二个正输出电压Vo2。
工作时，PFC变换单元30的第1、3端口为输入正负极，第2端口接至输入滤波电容Ci1和Ci2的中点，第4、6端口为输出正负极，第5端口接至输出滤波电容Co1和Co2中点，并与第2端口连接。正Buck-Boost升压变换器中Q1、D5高频开关工作，L1储能与放电在第4、5端口之间形成第一个输出电压Vo1；同时负Buck-Boost升压变换器中Q2、D6也高频开关工作，L2储能与放电在第5、6端口之间形成第二个输出电压Vo1。
应该了解的是，只要本发明的PFC变换单元30内部使用两个正负对称电路，PFC变换单元30还可以使用其他各种传统标准或新型非隔离拓扑结构，包括但不限于Cuk、SEPIC、Zeta变换器等，这里不再一一描述。
第六实施例：
参考图1和7，本发明提出一种宽电压混合式PFC变换器，包括AC输入单元10，整流单元20，第一输入滤波电容Ci1、第一输出滤波电容Co1、第二输入滤波电容Ci2、第二输出滤波电容Co2、选择开关K、PFC变换单元30和PFC控制单元40。
在本实施例中，AC输入单元10，整流单元20，第一输入滤波电容Ci1、第一输出滤波电容Co1、第二输入滤波电容Ci2、第二输出滤波电容Co2、选择开关K和PFC控制单元40均与第二实施例相同，在此不再重复描述。
参考图7，在本实施例中，PFC变换单元30为使用隔离型拓扑结构。具体的，PFC变换单元30包括第一功率开关管Q1、第一其体二极管DQ1、第一整流二极管D5、第一反激变压器T1、第二功率开关管Q2、第二其体二极管DQ2、第二整流二极管D6和第二反激变压器T2。
参考图7，第一反激变压器T1的一次绕组的第一端接PFC变换单元30的第一输入端，第一反激变压器T1的一次绕组的第二端接第一功率开关管Q1的D极和第一其体二极管DQ1的负极，第一功率开关管Q1的G极接PFC控制单元40的调制端，第一功率开关管Q1的S极和第一其体二极管DQ1的正极接PFC变换单元30的第一连接端，第一反激变压器T1的二次绕组的输出正极接第一整流二极管D5的正极，第一整流二极管D5的负极接PFC变换器的第一输出端，第一反激变压器T1的二次绕组的输出负极接PFC变换单元30的第二连接端；第二功率开关管Q2的S极和第二其体二极管DQ2的正极接PFC控制单元40的第二输入端，第二功率开关管Q2的G极接PFC控制单元40的调制端，第二功率开关管Q2的D极和第二其体二极管DQ2的负极接第二反激变压器T2的一次绕组的第一端，反激变压器的一次绕组的第二端接PFC单元的第一连接端，反激变压器的二次绕组的输出正极接第二整流二极管D6的正极，第二整流二极管D6的负极接PFC变换单元30的第二连接端，反激变压器的二次绕组的输出负极接PFC变换单元30的第二输出端。
在本实施例中，PFC变换单元30包括正Flyback变换器和负Flyback变换器。其中，正Flyback变换器包括第一功率开关管Q1及第一其体二极管DQ1、第一反激变压器T1、第一整流二极管D5，其输出端作为第一个正输出电压Vo1。负Flyback变换器包括第二功率开关管Q2及第二其体二极管DQ2、第二反激变压器T2和第二整流二极管D6，其输出端作为第二个正输出电压Vo2。
PFC变换单元30的第1、3端口为输入正负极，第2端口接至输入滤波电容Ci1和Ci2的中点，第4、6端口为输出正负极，第5端口接至输出滤波电容Co1和Co2的中点，可以实现输出侧与输入侧的安全隔离。正Flyback变换器中Q1、D5高频开关工作，T1储能与放电在第4、5端口之间形成第一个输出电压Vo1；同时负Flyback变换器中Q2、D6也高频开关工作，T2储能与放电在第5、6端口之间形成第二个输出电压Vo2。输出电压Vo1和输出电压Vo2串联连接，适用于较大输出电压的应用场合。
第七实施例：
参考图1和8，本发明提出一种宽电压混合式PFC变换器，包括AC输入单元10，整流单元20，第一输入滤波电容Ci1、第一输出滤波电容Co1、第二输入滤波电容Ci2、第二输出滤波电容Co2、选择开关K、PFC变换单元30和PFC控制单元40。
在本实施例中，AC输入单元10，整流单元20，第一输入滤波电容Ci1、第一输出滤波电容Co1、第二输入滤波电容Ci2、第二输出滤波电容Co2、选择开关K和PFC控制单元40均与第二实施例相同，在此不再重复描述。
参考图8，本实施例中，PFC变换单元30包括第一功率开关管Q1、第一其体二极管DQ1、第一整流二极管D5、第一反激变压器T1、第二功率开关管Q2、第二其体二极管DQ2、第二整流二极管D6和第二反激变压器T2。
参考图8，第一反激变压器T1的一次绕组的第一端接PFC变换单元30的第一输入端，第一反激变压器T1的一次绕组的第二端接第一功率开关管Q1的D极和第一其体二极管DQ1的负极，第一功率开关管Q1的G极接PFC控制单元40的调制端，第一功率开关管Q1的S极和第一其体二极管DQ1的正极接PFC变换单元30的第一连接端，第一反激变压器T1的二次绕组的输出正极接第一整流二极管D5的正极，第一整流二极管D5的负极接PFC变换器的第一输出端，第一反激变压器T1的二次绕组的输出负极接PFC变换单元30的第二输出端；第二功率开关管Q2的S极和第二其体二极管DQ2的正极接PFC控制单元40的第二输入端，第二功率开关管Q2的G极接PFC控制单元40的调制端，第二功率开关管Q2的D极和第二其体二极管DQ2的负极接第二反激变压器T2的一次绕组的第一端，反激变压器的一次绕组的第二端接PFC单元的第一连接端，反激变压器的二次绕组的输出正极接第二整流二极管D6的正极，第二整流二极管D6的负极接PFC变换单元30的第一输出端，反激变压器的二次绕组的输出负极接PFC变换单元30的第二输出端。
在本实施例中，PFC变换单元30也使用反激变换器(Flyback)，如图8所示。PFC变换单元30内含正Flyback变换器和负Flyback变换器。其中，正Flyback变换器包括第一功率开关管Q1及第一其体二极管DQ1、第一反激变压器T1、第一整流二极管D5，其输出端作为第一个正输出电压Vo1；负Flyback变换器包括第二功率开关管Q2及第二其体二极管DQ2、第二反激变压器T2和第二整流二极管D6，其输出端作为第二个正输出电压Vo2。
PFC变换单元30的第1、3端口为输入正负极，第2端口接至输入滤波电容Ci1和Ci2的中点，第4、6端口为输出正负极，第5端口悬空而不连接任何器件，可以实现输出侧与输入侧的安全隔离。正Flyback反激变换器中Q1、D5高频开关工作，T1储能与放电在第4、6端口之间形成第一个输出电压Vo1；同时负Flyback反激变换器中Q2、D6也高频开关工作，T2储能与放电也在第4、6端口之间形成第二个输出电压Vo2。输出电压Vo1和输出电压Vo2为并联连接，适用于较大输出电流的应用场合。
第八实施例：
本发明还提出一种开关电源，包括如任一实施例所述的宽电压混合式PFC变换器。
本发明提供的一种开关电源，包括宽电压混合式PFC变换器。宽电压混合式PFC变换器由PFC变换单元30和选择开关及PFC控制单元40构成，PFC变换单元30实现功率变换，选择开关根据交流电压大小而闭合与断开以适应较宽交流输入电压范围，输入电流大小基本维持不变，其中，选择开关闭合时，PFC变换单元30工作于无桥整流模式，从而可以提高整体转换效率；另外，通过PFC控制单元40配合选择开关，能够实现高功率因数、低电流谐波；另外，本方案采用的功率器件无需增大电压、电流和功率等级，从而可以降低元器件成本。
上述仅以实施例来进一步说明本发明的技术内容，以便于读者更容易理解，但不代表本发明的实施方式仅限于此，任何依本发明所做的技术延伸或再创造，均受本发明的保护。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (10)

1.一种宽电压混合式PFC变换器，其特征在于，包括AC输入单元，整流单元，第一输入滤波电容、第一输出滤波电容、第二输入滤波电容、第二输出滤波电容、选择开关、PFC变换单元和PFC控制单元；
所述AC输入单元的交流输出端电连接所述整流单元交流输入端，所述整流单元的第一输出端接所述第一输入滤波电容的第一端和所述PFC变换单元的第一输入端，所述整流单元的第二输出端所述第二输入滤波电容的第一端和所述PFC变换单元的第二输入端，所述选择开关的第一端接所述第一输入滤波电容的第二端、第二输入滤波电容的第二端和所述PFC变换单元的第一连接端，所述选择开关的第二端接所述整流单元的交流输入端；所述PFC变换单元的第一输出端连接所述第一输出滤波电容和负载的第一端，所述PFC变换单元的第二输出端连接所述第二输出滤波电容的第一端和负载的第二端，所述第一输出滤波电容和第二输出滤波电容的第二端接所述PFC变换单元的第二连接端，所述PFC变换单元的第一连接端和第二连接端连通；所述PFC控制单元的控制端接所述选择开关的受控端，所述PFC控制单元的第一采样端连接所述PFC变换单元的第一输入端或第二输出端，并用于采样所述PFC变换单元的输入电压，所述PFC控制单元的第二采样端连接所述PFC变换单元的第一输出端或第二输出端，用于采样所述PFC变换单元的输出电压，所述PFC控制单元的调制端连接所述PFC变换单元。
2.根据权利要求1所述的宽电压混合式PFC变换器，其特征在于，所述整流单元包括4个整流桥二极管，4个所述整流桥二极管连接组成桥式整流电路，所述AC输入单元的两个交流输出端分别接所述桥式整流电路的两个交流输入端。
3.根据权利要求2所述的宽电压混合式PFC变换器，其特征在于，所述PFC变换单元包括第一功率开关管、第一其体二极管、第一整流二极管、第一滤波电感、第二功率开关管、第二其体二极管、第二整流二极管和第二滤波电感；
第一功率开关管的D极和第一其体二极管的负极接所述PFC变换单元的第一输入端，第一功率开关管的G极接所述PFC控制单元的调制端，第一功率开关管的S极和第一其体二极管的正极接第一整流二极管的负极和第一滤波电感的第一端，第一滤波电感的第二端接所述PFC变换单元的第一输出端；第二功率开关管的S极和第二其体二极管的正极接所述PFC变换单元的第二输入端，第二功率开关管的G接所述PFC控制单元的调制端，第二功率开关管的D极和第二其体二极管的负极接第二整流二极管的正极和第二滤波电感的第一端，第二滤波电感的第二端接所述PFC变换单元的第二输出端；第一整流二极管的正极和第二整流二极管的负极接所述PFC变换单元的第一连接端和第二连接端。
4.根据权利要求2所述的宽电压混合式PFC变换器，其特征在于，所述PFC变换单元包括第一功率开关管、第一其体二极管、第一整流二极管、第一滤波电感、第二功率开关管、第二其体二极管、第二整流二极管和第二滤波电感；
第一滤波电感的第一端接所述PFC变换单元的第一输入端，第一滤波电感的第二端接第一整流二极管的正极、第一功率开关管的D极和第一其体二极管的负极，第一整流二极管的负极接所述PFC变换单元的第一输出端，第一功率开关管的G极接所述PFC控制单元的调制端；第二滤波电感的第一端接所述PFC变换单元的第二输入端，第二滤波电感的第二端接第二整流二极管的负极、第二功率开关管的S极和第二其体二极管的正极，第二整流二极管的正极接所述PFC变换单元的第二输出端，第二功率开关管的G极接所述PFC控制单元的调制端；第一功率开关管的S极、第一其体二极管的正极、第二功率开关管的D极和第二其体二极管的负极接所述PFC变换单元的第一连接端和第二连接端。
5.根据权利要求4所述的宽电压混合式PFC变换器，其特征在于，所述PFC变换单元还包括第三功率开关管、第三其体二极管、第四功率开关管和第四其体二极管；第三功率开关管的D极和S极，以及第三其体二极管的正负极分别接所述整流单元正输出端两个所述整流桥二极管的负极；第四功率开关管的D极和S极，以及第四其体二极管的正负极分别接所述整流单元负输出端两个所述整流桥二极管的正极；第三功率开关管和第四功率开关管的G极接所述PFC控制单元的调制端。
6.根据权利要求2所述的宽电压混合式PFC变换器，其特征在于，所述PFC变换单元包括第一功率开关管、第一其体二极管、第一整流二极管、第一滤波电感、第二功率开关管、第二其体二极管、第二整流二极管和第二滤波电感；
第一功率开关管的D极和第一其体二极管的负极接所述PFC变换单元的第一输入端，第一功率开关管的G极接所述PFC控制单元的调制端，第一功率开关管的S极和第一其体二极管的正极接第一整流二极管的负极和第一滤波电感的第一端，第一整流二极管的正极接所述PFC变换单元的第一输出端；第二功率开关管的D极和第二其体二极管的负极接所述PFC变换单元的第二输入端，第二功率开关管的G接所述PFC控制单元的调制端，第二功率开关管的S极和第二其体二极管的正极接第二整流二极管的正极和第二滤波电感的第一端，第二整流二极管的负极接所述PFC变换单元的第二输出端；第一滤波电感和第二滤波电感的第二端接所述PFC变换单元的第一连接端和第二连接端。
7.根据权利要求2所述的宽电压混合式PFC变换器，其特征在于，所述PFC变换单元包括第一功率开关管、第一其体二极管、第一整流二极管、第一反激变压器、第二功率开关管、第二其体二极管、第二整流二极管和第二反激变压器；
第一反激变压器的一次绕组的第一端接所述PFC变换单元的第一输入端，第一反激变压器的一次绕组的第二端接第一功率开关管的D极和第一其体二极管的负极，第一功率开关管的G极接所述PFC控制单元的调制端，第一功率开关管的S极和第一其体二极管的正极接所述PFC变换单元的第一连接端，第一反激变压器的二次绕组的输出正极接第一整流二极管的正极，第一整流二极管的负极接所述PFC变换器的第一输出端，第一反激变压器的二次绕组的输出负极接所述PFC变换单元的第二连接端；第二功率开关管的S极和第二其体二极管的正极接所述PFC控制单元的第二输入端，第二功率开关管的G极接所述PFC控制单元的调制端，第二功率开关管的D极和第二其体二极管的负极接第二反激变压器的一次绕组的第一端，反激变压器的一次绕组的第二端接所述PFC变换单元的第一连接端，反激变压器的二次绕组的输出正极接第二整流二极管的正极，第二整流二极管的负极接所述PFC变换单元的第二连接端，反激变压器的二次绕组的输出负极接所述PFC变换单元的第二输出端。
8.根据权利要求2所述的宽电压混合式PFC变换器，其特征在于，所述PFC变换单元包括第一功率开关管、第一其体二极管、第一整流二极管、第一反激变压器、第二功率开关管、第二其体二极管、第二整流二极管和第二反激变压器；
第一反激变压器的一次绕组的第一端接所述PFC变换单元的第一输入端，第一反激变压器的一次绕组的第二端接第一功率开关管的D极和第一其体二极管的负极，第一功率开关管的G极接所述PFC控制单元的调制端，第一功率开关管的S极和第一其体二极管的正极接所述PFC变换单元的第一连接端，第一反激变压器的二次绕组的输出正极接第一整流二极管的正极，第一整流二极管的负极接所述PFC变换器的第一输出端，第一反激变压器的二次绕组的输出负极接所述PFC变换单元的第二输出端；第二功率开关管的S极和第二其体二极管的正极接所述PFC控制单元的第二输入端，第二功率开关管的G极接所述PFC控制单元的调制端，第二功率开关管的D极和第二其体二极管的负极接第二反激变压器的一次绕组的第一端，反激变压器的一次绕组的第二端接所述PFC变换单元的第一连接端，反激变压器的二次绕组的输出正极接第二整流二极管的正极，第二整流二极管的负极接所述PFC变换单元的第一输出端，反激变压器的二次绕组的输出负极接所述PFC变换单元的第二输出端。
9.根据权利要求1所述的宽电压混合式PFC变换器，其特征在于，所述AC输入单元包括EMI滤波电感和EMI滤波电容。
10.一种开关电源，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的宽电压混合式PFC变换器。
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