3-3-1 兩級與單級架構交/直流轉換器
利用兩級架構(圖 3-4)來將交流電轉換成所需的直流輸出電壓，在功率 因數校正以及電壓調整率方面固然有著良好的表現，但是，兩級架構對於 電路成本造成負擔、體積大小造成困擾，以及經由兩級功率的轉換而有較 低的效率，所以不適用在中低功率的應用上。為了改進兩級架構的缺失，
一般的解決方法是將功因修正電路整合至直流/直流轉換器中，如圖 3-5 所 示。
圖3-4 傳統兩級交/直流轉換器架構
圖3-5 一般單級交/直流轉換器架構
關於整合型單級交/直流轉換器的設計分析，相關的研究文獻非常豐 富，依其輸入電流波形主要可分為：近正弦波（near sinusoidal）形式與非 正 弦 波 （non-sinusoidal ） 形 式 兩 種 ， 如 圖 3-6 所 示 。 前 者 的 電 路 如 BIFRED(Boost Integrated with Flyback Rectifier/Energy Storage/DC-DC
Converter) 與 BIBRED(Boost Integrated with a Buck Rectifier/Energy Storage/DC-DC Converter) 轉換器(圖 3-7(a)、(b))[38]，為 M. Madigan 等人 在1992 年所提出，分別有效地整合了 Boost-Flyback 和 Boost-Buck 轉換器，
且輸入電流修飾級(Input Current Shaping，ICS)工作於不連續導通模式
（Discontinuous Conduction Mode，DCM），DC/DC 級工作於連續導通模式
（Continuous Conduction Mode，CCM）。
此架構有一共通的問題，即在輕載時其儲能電容額定電壓甚高。為了 改善此情形，許多新的電路架構大量被提出，該類設計大多犧牲部分的PFC 效果以換取電壓應力的減少。最廣為人知的當屬多組耦合變壓器線圈
（multi-winding）或稱耦合線圈（coupled winding）的方法[39-42]。以圖 3-7(c)為例，利用額外線圈做 DC bus 電壓的回授，當儲能電容對變壓器充 磁時，ICS 同時也對變壓器充磁，儲能電容所需提供給負載的能量因而降 低，但是使用此方法，將會降低輸入電流的導通角，使其成為非正弦式波 形，降低功率因數。
經由以上對單級架構的討論，本篇論文採用的基本架構為由升壓型轉 換 器(Boost Converter) 與 反 馳 式 轉 換 器 (Flyback Converter) 整 合 而 成 的 BIFRED 轉換器。利用 Boost 轉換器 操作在 DCM 下具有良好的 Self-PFC 功能，配合一個架構簡單並具隔離效果的 Flyback 轉換器來穩定輸出電 壓。BIFRED 轉換器的輸入電流形式屬於近似正弦波形式，有著較高的功 率因數，因此，此架構應用在電子安定器為一恰當的選擇。
(a)
(b)
圖3-6 輸入電流形式的比較 (a) 近正弦波形式；(b) 非正弦波形式 [37]
(a) BIFRED 轉換器
(b) BIBRED 轉換器
(c)具有耦合線圈的單級單開關交/直流轉換器
圖3-7 輸入電流型式為：近正弦波形式電路(a)、(b)；非正弦式波形電路(c)
3-3-2 BIFRED 轉換器的電路架構推導
如圖3-8 所示，為一個 Boost 轉換器串接一個 Flyback 轉換器，首先假 設功率開關S1 與 S2 為同步開關、Boost 轉換器操作在 DCM、Flyback 轉 換器操作在CCM。可分為以下三個模式：
模式一：只有功率開關 S1 與 S2 導通，輸入線電壓經由 S1 對 Boost 電感Lb充電；儲能電容Cbulk經由 S2 對變壓器磁化電感充電；負載僅由輸 出電容提供能量。
模式二：只有二極體Db與Df 導通，Boost 電感Lb的能量以及電源Vac 經由Db對儲能電容Cbulk充電，此時，變壓器的磁通密度方向改變，磁化電
流轉移到次級側，儲存在變壓器的能量經由二極體Df，傳送至輸出電容C0 以及負載R上。
模式三：當儲存在Boost 電感上的能量完全傳遞給儲能電容時，Boost 電感電流降至零且二極體Db截止，只剩下變壓器儲存的磁化電流繼續對負 載供應能量。
Vac
圖3-8 DCM Boost 整流器串接 Flyback 轉換器
有了以上的分析，接下來開始把 Boost 與 Flyback 轉換器整合為單級 單開關的BIFRED 轉換器(圖 3-9)。首先，為了要讓 Boost 電感操作在 DCM，
因此Boost 電感Lb必須與二極體Db串聯，而開關S2 可以藉由將儲能電容
Cbulk與變壓器串聯且把開關 S1 移到二極體Db的另一端來取代之，接下來 再把變壓器次級側的極性反轉就可完成整合的動作。
圖3-9 BIFRED 轉換器