临界连续模式单电感双输出Buck功率因数校正变换器

刘雪山，许建平，王 楠

（西南交通大学 电气工程学院 磁浮技术与磁浮列车教育部重点实验室，四川 成都 610031）

0 引言

单电感多输出SIMO（Single-Inductor Multiple-Output）开关变换器可以有效地减少传统多路输出开关变换器的电感与控制芯片的数量，从而有效降低了多路输出电源的体积、重量和成本，为需要多路输出电源的现代电子设备提供了一个较为理想的电源解决方案。SIMO DC-DC变换器引起了国内外学术界和工业界的关注［1-5］。近年来，随着LED照明等领域的快速发展，多路输出AC-DC开关变换器得到了广泛应用［6-7］。为了减小电力电子装置对电网的谐波污染，IEC61000-3-2 class C对AC-DC变换器注入电网的各次谐波电流提出了限制要求［8］，因此，研究具有功率因数校正PFC（Power Factor Correction）的SIMO PFC变换器具有重要的意义。

单级结构PFC变换器仅进行一次功率变换，具有结构简单、效率高的特点，成为近年来研究的热点［9-15］。相对于断续模式DCM（Discontinuous Conduction Mode），临界连续模式CRM（CRitical continuous conduction Mode）单级 Buck PFC变换器具有电流应力低的特点，非常适用于低成本、非隔离应用的PFC场合［16］。为此，本文提出了一种CRM单电感双输出 SIDO（Single-Inductor Dual-Output）Buck PFC变换器及其控制策略。通过对电感的分时复用控制，实现了变换器每一个输出支路的独立控制。通过在输入电压接近各输出支路电压情况下限制开关管的最小关断时间，抑制了电感在输入电流过零点附近的复用频率，解决了在输入电流过零点附近难以分时复用控制的问题。相对传统两级结构多路输出或多个变换器实现多路输出方案［17-18］，CRM SIDO Buck PFC变换器减少了电感与控制器的使用数量，降低了变换器的体积与成本。由于CRM SIDO Buck PFC变换器实现了功率的单级变换，且相对断续模式具有较低的电流应力，因此具有效率高的优点。实验结果验证了该变换器高效率、高功率因数与双路高输出精度的特性。

1 CRM SIDO Buck PFC变换器

图1 （a）所示为SIDO Buck PFC变换器主功率电路，主功率电路由二极管整流桥，输入滤波电感Lf，输入滤波电容 Cf，功率开关管 VT1、VT2、VT3，续流二极管 VD1、VD2、VD3，电感 L 和输出电容 C1、C2构成。2 个子Buck变换器A与B分时复用工作，为输出支路A与输出支路B传递能量。VT2与VT3为2个输出支路的分时复用控制开关管。若VT2导通，VT3关断，则子Buck变换器A为输出支路A负载传输能量；反之，若VT2关断，VT3导通，则子Buck变换器B为输出支路B负载传输能量。因此，电感L分时向输出支路A与输出支路B续流并传递能量。VT2与VD2或VT3与VD3串联连接可以使各个输出支路电感的续流方向单向可控。

图1 CRM SIDO Buck PFC变换器及其控制环路Fig.1 CRM SIDO Buck PFC converter and its control loop

图1 （b）所示为本文提出的CRM双路恒流输出SIDO Buck PFC变换器的控制环路，2个输出支路均采用单环恒流控制。参考电流iref分别与A、B 2路输出电流k1ioa、k2iob相减后，经过相应的PI控制环，产生误差信号ue1、ue2。RS触发器接收置位端S的置位信号，输出VT1的驱动信号，同时三角波产生器以固定的斜率从零开始线性上升，三角波信号usaw同时与误差信号ue1、ue2进行比较，产生R1、R2复位信号。由分时复用信号TMS（Timing Multiplexing Signal）给选择器提供选择信号，进而决定在一个开关周期内控制器复位信号R1或R2。当TMS=1时，开关管VT2导通，VT3关断，选择器选择复位信号R1，控制器对输出支路A的电流ioa进行调节；同理，当TMS=0时，控制器对输出支路B的电流iob进行调节。选择器的输出为RS触发器提供复位信号，RS触发器复位后，开关管VT1关断。驱动信号G1二分频后产生TMS，而TMS（G2）及其互补信号G3分别作为开关管VT2、VT3的驱动信号。VT1关断后，三角波产生器清零，在接收到电感零电流检测 ZCD（Zero Current Detection）信号后又重新开始线性上升，如此周而复始地实现三角波信号与误差信号ue1、ue2的比较，分别实现了双路电感电流CRM分时复用控制。

图2 CRM SIDO Buck PFC变换器电感电流波形及其控制时序Fig.2 Current waveform and control sequence of inductor of CRM SIDO Buck PFC converter

图2所示为半个工频周期内CRM SIDO Buck PFC变换器的电感电流及其分时复用控制时序。变换器在输入电压低于各支路输出电压时不存在输入电流，电感停止向输出传递能量，在此死区时间内不存在ZCD信号。如图2所示，由于支路B输出电压高于支路A输出电压，因此，支路B死区区间包含支路A死区区间。在支路B死区区间内，支路A电感仍有一部分时间向输出传输能量，此时因缺少支路B电感的ZCD信息，难以实现电感的分时复用控制。为此，本文提出一种利用开关管最小关断时间限制的方式来实现电感在输入电流死区的分时复用控制，控制时序如图3所示。来自电感辅助绕组的电压信号uZCD与固定电压uth比较后产生电感的续流时间信号uZCD1，在VT1关断时刻，控制器内部启动最小关断时间（toff_min）计时电路，若电感的续流时间toff大于toff_min，控制器选择uZCD1的下降沿作为RS触发器的置位端信号；反之，若toff小于toff_min，控制器选择最小关断时间信号uD的下降沿作为RS触发器的置位端信号。此种方式不但实现了电感在死区区域内的分时复用控制，并且降低了电感在输入电流过零点附近的复用频率，有助于提升变换器效率。

图3 最小关断时间限制电路控制时序Fig.3 Control sequence of minimum turn-off time limit circuit

2 工作特性分析

为简化分析，做如下假设。

a.所有的开关管、二极管、电感和电容均为理想元件。

b.fs≫2fL，其中 fL、fs分别为电网电压频率和主电感的复用频率（即开关管VT2、VT3的开关频率）。在一个开关周期内，电网输入电压可近似为恒定量。

c.变换器的A、B 2个输出支路的输出电容C1和C2足够大，稳态工作时，变换器分别工作于支路A和支路B时，开关管VT1的导通时间保持不变、输出电压保持不变。

d.变换器的支路A输出电压小于支路B输出电压，即Uoa

2.1 输入电流分析

如图2所示，输入电压相位角 θ=ωt在（θ1，π-θ1）区间内，电感以变化的复用时间tA与tB交替为A、B 2个输出支路传递能量，其中ω为输入电压的角频率，tA与tB分别为支路A与支路B的复用时间。tA与tB的交替工作，构成一个复用周期Ts。在一个复用周期内，变换器的A、B 2个输出支路的电感电流峰值 ip_A（θ）、ip_B（θ）分别为：

其中，m1=Uoa/Up，m2=Uob/Up，m1与 m2均小于 1；θ1=arcsinm1、θ2=arcsinm2分别为各输出支路的死区分界点；Up为输入电压峰值；ton_A和ton_B分别为变换器的输出支路A和输出支路B工作时开关管VT1的导通时间。

由式（1）可得工作于 CRM的SIDO Buck PFC变换器的输出支路A和输出支路B的电感电流下降到零的时间 toff_A（t）与 toff_B（t）分别为：

由式（1）、（2）可得工作于 CRM 的 SIDO Buck PFC变换器的复用周期为：

在（θ1，θ2）与（π- θ2，π- θ1）内，支路 B 进入了死区，因此其关断时间为零，支路B的复用时间仅为开通时间ton_B。由式（1）、（3）可得工作于CRM 的 SIDO Buck PFC变换器的输出支路A和输出支路B的平均输入电流分别为：

由式（4）、（5）可得在半个工频周期内，工作于CRM的SIDO Buck PFC变换器的输出支路A和输出支路B的平均输入功率分别为：

CRM SIDO Buck PFC变换器输入的总功率为：

式（6）、（7）揭示了 CRM SIDO Buck PFC 变换器的总输入功率与各支路输入功率的关系，由此可得出每一输出支路主开关的开通时间。选取输出支路A与支路B的恒流输出电流分别为Ioa=0.3 A、Iob=0.25 A，得到100 V AC与240 V AC输入电压条件下CRM SIDO Buck PFC变换器每一输出支路主开关的开通时间（ton_A，ton_B）与各输出支路功率（Po_A，Po_B）的关系，如图 4所示。由图 4可知，当 Po_B确定的情况下，随着Po_A的增加，支路A开关管VT1的开通时间ton_A随之增加。虽然Po_B不变，但在Po_A变化的同时，ton_B也随之变化，揭示了 CRM SIDO Buck PFC变换器控制量ton_A、ton_B需同时根据各支路输出功率调节的现象。

由式（4）、（5）可得 CRM SIDO Buck PFC 变换器的输入电流为：

图4 开关管VT1的开通时间与各输出支路功率的关系Fig.4 Relationship among ton_A，ton_B，Po_Aand Po_B

由式（8）可知，CRM SIDO Buck PFC 变换器的输入电流由三部分构成，其示意图如图2所示。

2.2 电感复用频率分析

由式（3）可知，工作于CRM时，电感的复用周期Ts（θ）由 m1、m2以及 2 个输出支路开关管的导通时间ton_A、ton_B决定。在半个工频周期内，复用周期 Ts（θ）随输入电压的变化而变化，输入电压越高，复用周期越大，在输入电压峰值处，即时，复用周期达到最大。其最大值为：

由2.1节分析可知，在输入、输出条件确定的情况下，CRM SIDO Buck PFC变换器各支路开通时间仅与电感量L有关。选取输出支路A的输出电流和负载电阻分别为Ioa=0.3 A和Ra=155 Ω，输出支路B的输出电流和负载电阻分别为Iob=0.25 A和Rb=300 Ω，得到100 V AC与240 V AC输入电压条件下变换器的最小复用频率fs_min与电感量L的关系如图5所示。由图5可知，输入电压越大，最小复用频率fs_min越高；电感量L的取值越大，最小复用频率fs_min越低。最小复用频率的设计要保证最低输入电压时fs_min>20 kHz，以避免进入音频范围内；由于一个复用周期内主开关管VT1导通与关断2次，因此，fs_min越高，VT1开关损耗越大。合理地选取电感量L，可将复用频率控制在合适的范围内，从而降低开关损耗，提高变换器的效率。

图5 复用频率fs_min与电感L的关系Fig.5 Relationship between fs_minand L

3 实验结果

3.1 实验参数

本文对CRM SIDO Buck PFC变换器进行实验研究。电路参数选取如下：输入电压uin为100～240V AC，输出支路A负载电阻Ra=155 Ω，输出支路A输出电流Ioa=0.3 A，输出支路B负载电阻Rb=300 Ω，输出支路B输出电流Iob=0.25 A，励磁电感L磁芯为RM8，主开关管VT1型号为7N65，分时复用控制开关管VT2型号为IRF3315S，功率二极管VD1、VD2型号为ES2J，输出滤波电容容值 C1=C2=100 μF，开关管最小关断时间toff_min=3 μs。2路输出均采用恒流控制。为了防止输入电压峰值点处变换器的复用频率过高，根据图5，选取实验参数L=150 μH。

3.2 实验结果

图6 （a）与（b）分别给出了 110 V AC 与 220 V AC电压输入时CRM SIDO Buck PFC变换器的输入电压uin与输入电流iin的实验波形。由图6可知，2种输入电压条件下，输入电流均可以跟踪输入电压的变化，实现了PFC功能。

图6 CRM SIDO Buck PFC变换器输入电压、电流实验波形Fig.6 Experimental waveform of uinand iinof CRM SIDO Buck PFC converter

图7 给出了CRM SIDO Buck PFC变换器的功率因数（PF）值与输入电压的关系曲线。由图7可知，在100～240 V AC的宽输入电压范围内，变换器的功率因数均在0.95以上。

图7 CRM SIDO Buck PFC变换器PF曲线Fig.7 PF curve of CRM SIDO Buck PFC converter

图8 给出了110 V AC与220 V AC电压输入时iin的谐波实验结果，图中M表示谐波电流与输入电流之比。由图8可知，输入电流的各次谐波均小于IEC61000-3-2 class C规定的谐波最大值限定标准，且总谐波畸变率（THD）分别为24.4%和14.3%。

图8 输入电流iin的谐波分析图Fig.8 Harmonic analysis of input current iin

图9 CRM SIDO Buck PFC变换器电感电流波形Fig.9 Waveform of iLof CRM SIDO Buck PFC converter

图9 （a）与（b）分别为 110 V AC 与 220 V AC 电压输入时，CRM SIDO Buck PFC变换器在输入电压峰值点处的电感电流iL与TMS的实验波形。由图9（a）可知，在110 V AC电压输入时，输出支路A和输出支路B分别以12 μs和10 μs的变化复用时间交替工作。当TMS=1，电感为支路A传输能量；当 TMS=0，电感为支路B传输能量。由图9（b）可知，在220 V AC电压输入时，输出支路A和输出支路B分别以7.5 μs和6.5 μs的变化复用时间交替工作。

图10 （a）与（b）分别给出了 110 V AC 与 220 V AC电压输入时，CRM SIDO Buck PFC变换器的2个输出支路电流的实验波形。从图中可以看出，在不同输入电压时，变换器的2路输出均可以实现稳定的输出。在110 V AC输入时，支路A与支路B的平均输出电流分别为309mA与252mA；在220V AC输入时，支路A与支路B的平均输出电流分别为309 mA与258 mA。

图10 CRM SIDO Buck PFC变换器输出电流实验波形Fig.10 Waveform of ioaand iobof CRM SIDO Buck PFC converter

表1 给出了100～240 V AC电压输入时变换器的2路输出电流，可以看出，在宽输入电压范围条件下，CRM SIDO Buck PFC变换器均可实现高精度恒流输出。

表1 CRM SIDO Buck PFC输出电流Table 1 Output current of CRM SIDO Buck PFC converter

图11 给出了CRM SIDO Buck PFC变换器的效率曲线。由图11可知，CRM SIDO Buck PFC变换器的效率最高值达到了93.01%，且在整个输入电压范围内均高于92%。由于CRM SIDO Buck PFC变换器实现了输出功率单级变换，因此具有高效率特性。

图11 CRM SIDO Buck PFC变换器效率曲线Fig.11 Efficiency of CRM SIDO Buck PFC converter

4 结论

本文研究了一种单级结构CRM SIDO Buck PFC变换器及其控制策略，并分析了其工作特性。通过最小关断时间限制的方式解决了CRM情况下电感在输入电流在过零点附近难以分时复用的问题，并降低了开关频率。实验结果表明，此变换器具有高效率、高功率因数与双路高输出精度的特性，适用于需要PFC的多路恒流或恒压输出应用，且为其提供了一种高性能、低成本的解决方案。