新型BOOST-BUCK电路拓扑采用恒占空比方法实现功率因数校正
ⅰ引言
目前，功率因数校正问题是许多电器设备都需要解决的问题。对此，人们提出了许多的电路拓扑和控制方案来解决它。其中运用较为广泛的是利用boost型变换器来做功率因数校正。这是因为boost变换器具有许多其他电路拓扑所不具有的优点，例如输入电流连续，控制简单等。但是boost变换器的输出电压必须要比输入电压高，这使得在许多场合中需要再增加一级直流变换器来调整其输出电压，例如buck变换器。电路如图1所示，造成了电路成本高，驱动复杂等缺点。对此本文提出了一种新型的boost-buck电路拓扑，其电路结构如图2所示。该变换器具有boost型变换器的大多数的优点，同时还具有输出电压可调范围大，输出电流连续等优点。比较图1和图2，我们可以看出boost-buck变换器是由boost变换器加buck变换器集成而成的，通过共用功率mos管ms来实现功率因数校正和输出电压的调节的。
文献指出，当利用boost变换器做功率因数校正时存在两种主要方法，利用乘法器方法和电压跟随方法。相对于前一种方法，后一种方法仅需要一个开环控制来保持恒定的占空比。当boost电路工作在恒占空比的dcm状态就可以实现很高的功率因数。输入电流连续并且近似为正弦波，而且输入电流连续可以进一步减小输入的emi滤波器。本文采用恒占空比方法来实现功率因数校正。
在稳定状态，功率mos管工作在固定的频率和固定的脉宽。相对于boost变换器，其工作于dcm状态来实现输入的高功率因数；而buck变换器则随着负载的变化或工作在ccm或dcm状态。在一个开关周期内，输入电源相当于一个直流电源，为了分析的方便，我们把图2简化一下，如图3所示。
假设该变换器已工作在稳定状态。对应与图4，该变换器的一个开关周期内的各个工作模式分析如下：
模式（a）t0-t1：在t0时刻，功率mos管导通。相对于boost变换器而言，二极管d1反向截止；电感电流il1 流经vs， l1， d3， ms返回vs.而对于buck变换器，二极管d1反向截止；电感电流il2 流经c1， l2， c2&r2， d2， ms返回c1.两电感均存储能量。
模式（b）t1-t2；在t1时刻，功率mos管关断。相对于boost变换器而言，电感电流il1通过二极管d1续流；电感电流il1 流经vs， l1， d3， d1，c1返回vs.而对于buck变换器，电感电流il2 也通过二极管d1续流，电感电流il2 流经l2， c2&r2， d2， d1返回l2.两电感均释放能量。
模式（c）t2-t3；在t2时刻，功率mos管保持关断状态。电感电流il1降为零，boost变换器暂停工作。buck变换器仍然工作在续流状态。
模式（d）t3-t4；在t3时刻，功率mos管保持关断状态。电感电流il2 也降为零。电容c2提供能量给负载。
图5（a）显示该变换器工作时的一个开关周期内的关键波形。在设计过程中，boost变换器的电感l1必须被设计工作在断续状态。如图5（b）所示，输入电流的峰值会自动跟随输入电压，从而实现功率因数校正。
当要实现功率因数校正时，本变换器采用恒频率恒占空比的控制方法来实现功率因数校正。
假设输入的交流电vin=vmsinwt，则输入电流的峰值：
（1）
（1）式中t为开关周期，d为占空比，ton为开关管的导通时间。从图5（b）可以看出，峰值电流跟随着kvin的包络线。
当功率开关管关断后，电感向boost的输出电容充电，电流下降。电流下降间
（2）
（2）式中vc1为boost的输出电容上的电压。
所以变换器的输入电流
由（6）式可以确定输入电感l1.
ⅲ 仿真及实验结果
仿真所采用的主电路如图2所示，参数设计如下：交流输入为正弦波，幅值vin=310v，频率f=50hz；boost电感l1＝2mh，buck电感l2＝2mh；boost电容c1=470u，buck电容c2＝100u；功率开关管用irf840；二极管采用mur840.输入滤波器电感为2mh，电容为50nf.
当输出vout=86v时，负载r=200 欧姆。输入电压、输入电流、输出电压的波形如图6所示。
一个实验电路被用于验证所用电路的实用性。实验参数如下：开关周期为33khz；输入交流120v；输入滤波器参数为电感2mh，电容0.33uf；boost电感l1=1.3mh，电容c1=470uf；buck电感l2=2.1mh，电容c2=1uf；功率开关管为irf840；二极管为her107.驱动采用uc3844进行控制。
当输出电压vout=85v时，测得输入电压电流波形如图8所示。
图8 输入电压、输入电流的波形
当输出电压vout=225v时，测得输入电压电流波形如图9所示
图9 输入电压、输入电流的波形
从图8、图9中可以看出该变换器的输出电压可以高于或低于输入电压，且具有较高的功率因数。
ⅳ 结论
本文提出并分析了一种新型的boost-buck变换器。该变换器具有连续的输入电流和输出电流，且其输出电压可调节范围大。该变换器可用于做直流变换器，也可以用于做功率因数校正。
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文献指出，当利用boost变换器做功率因数校正时存在两种主要方法，利用乘法器方法和电压跟随方法。相对于前一种方法，后一种方法仅需要一个开环控制来保持恒定的占空比。当boost电路工作在恒占空比的dcm状态就可以实现很高的功率因数。输入电流连续并且近似为正弦波，而且输入电流连续可以进一步减小输入的emi滤波器。本文采用恒占空比方法来实现功率因数校正。
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（1）
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