超高效单相和三相单级交流-直流变换器拓扑结构

器，它包括3个隔离式无桥PFC变换器，每相类型如图7所示。

图14

同样，这种变换器也具有效率和尺寸方面的优势。例如，由于总功率是通过3个并联线路进行传输，所以每一相只有总输出功率的1/3。每一相的总效率值与隔离式变换器一致，均为98%。每一相也具有低的总谐波畸变和高达0.999的功率因数。

最后应注意的是，每一相的瞬时输出电流都是正值，并且随时间呈正弦规律变化。然而，由于输出电流每相依次相差120º的相角，各相波动的输出电流叠加形成了恒定的总输出电流，如图15所示。剩余纹波电流大约为直流负载电流的5%，并且接近滤波频率，而且比基波频率60Hz高6倍。这显然会极大减小滤波电容尺寸，进而减小了三相整流器的尺寸和成本。

图15

5 另一种隔离式真实无桥PFC变换器拓扑结构

图7中的变换器电路不是唯一的隔离式真实无桥PFC变换器拓扑结构。图16给出了另外一种带功率因数补偿的单级AC-DC变换器电路结构，它可以作为一个单相整流器使用，也可以如图14所示作为一个三相整流器使用。

图16中的变换器具有和Boost型电路相同的升压倍数，由式（1）给出，以及仅有一个磁靴、带直流偏置、适合于低电压到中电压转换的双线圈隔离变压器。此外，为了减小高频处的纹波电流使其达到输入电流的脉动要求，要在输入端加上高频滤波器。

图16

以上详述了反向和非反向的新型升压拓扑结构在单相无桥AC-DC变换器和带有电流隔离的单相、三相高频整流器中的应用。下面将介绍该新型升压拓扑结构应用于隔离型DC-DC变换器的显著优点。

6 应用于太阳能变换系统的隔离型升压DC-DC变换器

图17所示为该新型隔离升压DC-DC变换器应用于太阳能系统的拓扑结构。这种隔离升压DC-DC变换器可以提高太阳能电池电压并接到400V直流母线上。该系统可以接受15V-100V（由太阳能电池电压在一天中的变化得到）的输入电压，并且当输出为400V时效率值可达97%。

图17

7 双向隔离式升压DC-DC变换器

在当前混合动力汽车和电动汽车中，为了将400V电池直流母线电压转变成14V辅助电池电压或将电压由14V转变成400V，需要一个1kW～2kW的辅助变换器。因此，就需要一个双向升降压变换器。将图17所示拓扑结构中输出整流二极管用MOSFET管代替，就可以实现单处理级能量的双向流动，因此很适合在此种情况中使用。与传统的8个开关变换器相比，新型变换器不仅只使用3个开关管，而且还提高了效率，减小了损耗。

8 结论

本文首次提出了一种新型混合开关方法并作了详细介绍。这种方法可以使单功率处理级高频AC-DC变换器同时具有功率因数校正和隔离两个特点。由单相整流器扩展成的三相整流器也首次实现了由三相交流输入直接输出直流电压，同时保证了效率最高、尺寸最小。

参考文献

(1) Slobodan Cuk, ”Modeling, Analysis and Design of Switching Converters”, PhD thesis,

November 1976, Califonia Institute of Technology, Pasadena, Califonia, USA.

(2) Slobodan Cuk, R.D. Middlebrook, “Advances in Switched-Mode Power Conversion, “Vol.Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ, TESLAco 1981 and 1983.

(3) Slobodan Cuk, articles in Power Electronics Technology, descibing sing-Stage,

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(4) Slobodan Cuk and Zhe Zhang, Voltage Step-up Switching DC-DC Converter, US patent

No.7,778,046, August 17, 2010.