超高效单相和三相单级交流-直流变换器拓扑结构

的真实交流-直流转换器，所以，不需要在电路前端加全桥整流管。因此得到结论：一个单极无桥PFC交流-直流变换器可以从交流电源端直接进行控制，并不需要前端桥式整流管，这点与传统的PFC升压整流器一致。就像控制开关管S必须根据交流电压源的极性来改变自己的现有方向和电压阻塞能力一样，它也可以通过一个两管相连的MOSFET作为开关来实现，如图6所示。

图6

3 带隔离的非桥型PFC变换器

传统的升压型变换器不能很好的加入隔离环节。最常用的是全桥隔离升压变换器，这种变换器的一次侧包含4个完全可控的MOSFET开关管，二次侧包含4个二极管相连的整流桥。从图7中可以看到，真实无桥变换器中引入了这种隔离变压器，并且保留了原来3个开关管的配置，同时也具有了原来非隔离配置的优点，比如所有开关上的低电压应力。

通过控制输入交流线电流（50Hz或60Hz）使它与输入交流线电压同相位且成比例，可以得到完整功率因数和低的总谐波畸变。同时应注意，PFC集成电路控制器也必须是一个真实PFC控制器，因为无论是全波交流线电压还是全波交流线电流，控制器都能够接受其作为输入信号进行处理。通常PFC集成电路控制器用的是整流后的交流线电压和交流线电流。只有当控制器附加的信号处理电路将全波交流电压源的全波交流电流转换为半波整流交流时，这些传统的PFC集成电路控制器才可以使用。

隔离变压器是丘克变换器的单端变压器类型里最好的一种，图8所示是变压器磁心的BH曲线，由于变压器工作时没有直流偏置，所以它具有双向能流和方形环BH曲线的特点。因此，变压器设计时不用降低性能和增大磁心尺寸，就可以提高到很高的功率。实际上，隔离变压器的交流通量比输入通量至少低4倍，例如正激变换器和桥式隔离变换器。这直接转化是为了尺寸的成比例减小以及效率的提高。

图7 图8

通过把输入电感整合到隔离变压器1,2,3的共用磁心上，可以进一步改善变压器性能。磁靴气隙以及隔离变压器线圈的放置，能够将输入电感的高频纹波转化为隔离变压器产生的无纹波输入电流，波形如图7所示。并且还改变了磁性材料的尺寸，变为只有一个磁心并进一步提高了变换器效率。

PFC的性能参数，是以一个400W，AC-DC无桥PFC变换器为原型进行测量确定的。图9所示，测量结果是在变换器达到300W功率水平时获得的，它显示了变换器具有比较低的总谐波畸变（1.7%）和0.999的功率因数。图10所示，在240V交流高压情况下，变换器效率值达到了将近98%。最重要的是在120V交流线电压（美国输电干线）情况下，效率值依旧非常高（97.2%），而通常低压情况下效率值会降低2%到3%，但这种变换器效率值变化不大，原因就在于消除了前端桥式整流器的二极管压降。

图9

图10

4 三相桥式整流器

1989年出生在塞尔维亚的美国科学家尼古拉·特斯拉（图11）发明了多相（三相）输电系统，这项发明连同他的其他两项发明，即三相交流电动机（同步电机、感应电机）和交流发电机一起实现了高效率、世界范围内的电力传送与应用，到现在依旧具有重大意义。

图11 图12

为了纪念他，国际单位制下磁通密度的单位命名为特斯拉，符号为T（图12）。

特斯拉三相电系统的关键内容之一是它包含了相位依次相差120º的三相交流电压。当每一相传递的电流同相并且与各自的交流线电压成比例时（每一相上的整体功率因数作用），各相瞬时功率都为正值且随时间变化。然而，如图13所示，三相总的功率和是恒定的。由于在三相交流发电端和三相交流负载端这个结论都成立，因此，在三相长距离输电系统中不需要储存电能。此外，三相交流变压器两边交流电压的应用，可以提高原边电压、降低副边电压。

图13

然而，在许多实际应用中要求使用直流电压，比如通信设备和计算机应用的48V直流电压。遗憾的是，所有现行的AC-DC转换器都是基于两个功率处理级的级联系统。第一级是通过使用6个或更多的可控开关来将三相输入电压转换为400V的总线直流电压。第二级隔离式DC-DC变换级可以实现隔离工作和进一步降低电压值，例如48V或12V。但是，所有现行的隔离式DC-DC变换器，都必须以输出滤波电感传输直流负载电流的形式存储直流输出电能。

变换器的问题在于，将交流电压转换为400V中等直流电压时整流方式的不成熟。传递到直流负载的瞬态功率是恒定的。因此，没有概念性的理论来说明为什么恒定的瞬时三相输入功率无法直接转换成恒定的直流输出功率。这样的AC-DC转换方式，显而易见的优势就在于它可以完全忽略对于储能的需求。此外，能量转换将会基于一个单功率处理级进行，如图14所示的新型三相整流