張 彥,李麗娟,高 華,王紀(jì)勇(.貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司電網(wǎng)規(guī)劃研究中心,貴州 550003;.天津天大求實(shí)電力新技術(shù)股份有限公司,天津 300384)
一種SEPIC饋電升降壓變換器
張彥1,李麗娟1,高華1,王紀(jì)勇2
(1.貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司電網(wǎng)規(guī)劃研究中心,貴州 550003;2.天津天大求實(shí)電力新技術(shù)股份有限公司,天津 300384)
針對光伏電池、燃料電池發(fā)電等輸出電壓范圍較寬而輸出電流紋波要求較小的特點(diǎn),提出了一種SEPIC饋電升降壓(SFBB)變換器拓?fù)?。該拓?fù)渫ㄟ^極性反轉(zhuǎn)變換器與SEPIC變換器的耦合電感集成,在繼承原有SEPIC變換器與極性反轉(zhuǎn)變換器升降壓變換特性的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)了變換器的開關(guān)同步,顯著提高了整機(jī)工作效率。結(jié)合SEPIC輸入級額外漏感的續(xù)流特性降低了SFBB變換器的電流紋波。此外,通過輔助換向網(wǎng)絡(luò),抑制了控制開關(guān)的振鈴效應(yīng);通過門電荷抽取機(jī)制實(shí)現(xiàn)了控制開關(guān)的快速關(guān)斷,進(jìn)一步降低了變換器的關(guān)斷損耗。文中詳細(xì)分析了SFBB變換器的工作原理,并搭建了一臺60 W實(shí)驗(yàn)樣機(jī),驗(yàn)證了理論分析的正確性。
升降壓變換;單端初級電感轉(zhuǎn)換器饋電;電感耦合;同步開關(guān)
DOI:10.3969/j.issn.1003-8930.2016.04.017
近年來,隨著光伏電池、燃料電池等新能源電池在并網(wǎng)型和離網(wǎng)型應(yīng)用中日漸廣泛,其低壓大電流的運(yùn)行特性使得對變換器的升降壓能力的需求也日益增強(qiáng)[1-5]。光伏電池在定電流輸出時(shí),其輸出電壓隨輻照度的降低而減小,不同輻照度時(shí)光伏電池輸出電壓的變化范圍較大;而燃料電池,其固有的V-I特性(極化曲線特性),使得其本身的輸出特性較軟,在額定功率范圍內(nèi)輸出電壓變化幅度較大,并且隨著輸出電流的增加而降低。因此,在離網(wǎng)應(yīng)用如通信電源、不間斷電源UPS等應(yīng)用中,輸出電壓和輸入電壓范圍會發(fā)生重疊,需升降壓變換器來橋接輸入和輸出,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的正常運(yùn)行[3,5-6]。
目前,在常規(guī)直流變換器應(yīng)用中較為常見的變換器是四開關(guān)Buck-Boost變換器[6-9],以共用的電感耦合Buck拓?fù)渑cBoost拓?fù)?,通過這種前級降壓+后級升壓實(shí)現(xiàn)變換器的升降壓功能,但其驅(qū)動(dòng)邏輯變得較為復(fù)雜,且在輸入輸出電壓接近時(shí)輸出紋波較大;而其他傳統(tǒng)的升降壓變換器,如單端初級電感轉(zhuǎn)換器SEPIC和極性反轉(zhuǎn)變換器[10],雖然其驅(qū)動(dòng)邏輯較為簡單,但獨(dú)立運(yùn)行時(shí)的非同步開關(guān)特性使得輸出級串聯(lián)二極管在大電流應(yīng)用中的損耗很大,降低變換器的轉(zhuǎn)換效率。對SEPIC改進(jìn)的同步反相SEPIC拓?fù)潆m然可同步開關(guān)[11-12],但它與極性反轉(zhuǎn)變換器相同的輸入斷流特性使得輸入電磁干擾EMI (electromagnetic interference)較大,并且在對電源輸入電流紋波有較高要求的場合需額外的射頻干擾RFI濾波器,增加了變換器的體積和成本等。
本文對SEPIC變換器以及極性反轉(zhuǎn)變換器拓?fù)溥M(jìn)行耦合集成,提出一種能夠同時(shí)提高工作效率和動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能的升降壓變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)——SEPIC饋電升降壓(SFBB)變換器,與SEPIC饋電Buck變換器[13]相比,用極性反轉(zhuǎn)變換器替代Buck變換器,在繼承了SEPIC變換器和極性反轉(zhuǎn)變換器的升降壓功能特性的同時(shí),可實(shí)現(xiàn)同步開關(guān),顯著提高可再生能源發(fā)電系統(tǒng)的能量利用效率,并實(shí)現(xiàn)與直流負(fù)載或級聯(lián)逆變裝置的輸入電壓指標(biāo)的匹配。并且通過配置額外漏感,能有效改善電源側(cè)的電流紋波,提供輸入續(xù)流能力,在減小變換器電磁干擾的同時(shí)簡化系統(tǒng)的電氣信號采樣濾波配置。
1.1拓?fù)渫茖?dǎo)
圖1給出SEPIC變換器與極性反轉(zhuǎn)變換器結(jié)合得到SFBB變換器的推導(dǎo)過程,圖中S表示理想開關(guān)。將極性反轉(zhuǎn)變換器集成到SEPIC變換器中,接收來自SEPIC變換部分的能量,并且SEPIC變換部分與極性反轉(zhuǎn)變換部分的輸出并聯(lián)同時(shí)向負(fù)載饋送能量。SEPIC控制開關(guān)(Q1SBB)跨接在SEPIC輸入與極性反轉(zhuǎn)變換器輸入之間,當(dāng)Q1SBB導(dǎo)通時(shí),兩個(gè)換向開關(guān)(SEPIC部分的Q2S和極性反轉(zhuǎn)部分的Q2BB)關(guān)斷,此時(shí)SEPIC部分和極性反轉(zhuǎn)部分均向耦合電感儲能,并且SEPIC通過Q1SBB向極性反轉(zhuǎn)部分饋送電能。當(dāng)Q1SBB關(guān)斷時(shí),兩個(gè)換向開關(guān)導(dǎo)通,此時(shí)SEPIC部分和極性反轉(zhuǎn)部分并聯(lián)同時(shí)向負(fù)載饋電。因此,集成的SEPIC變換器和極性反轉(zhuǎn)變換器均在控制開關(guān)導(dǎo)通時(shí)儲能,在控制開關(guān)關(guān)斷時(shí)向負(fù)載供電。集成變換器拓?fù)浣Y(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn),在輸入電流連續(xù)的同時(shí)提高了變換器的轉(zhuǎn)換效率,輸入EMI的減小使輸入電容的容量得以降低。由于變換器的集成,所有開關(guān)器件無需承受全部電流應(yīng)力。
圖1 SEPIC饋電升降壓變換器的推導(dǎo)Fig.1 Derivation of SEPIC fed buck-boost converter
圖2重繪了SFBB變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),其中的換向開關(guān)替換為金氧半場效晶體管MOSFET,以符號Q表示。在該非隔離實(shí)現(xiàn)中,SEPIC部分和極性反轉(zhuǎn)部分的磁性元件被集成為一個(gè)耦合電感,以更加有效的實(shí)現(xiàn)能量存儲和傳輸。其中,3個(gè)功率繞組分別為輸入繞組(T1A-I1)、SEPIC繞組(T1C-I3)和反極變換繞組(T1B-I6)。為了簡化驅(qū)動(dòng)Q2S,在上述耦合電感磁化結(jié)構(gòu)中添加繞組T1D,為Q2S的門極驅(qū)動(dòng)提供浮動(dòng)電壓,以同步與Q2BB的開關(guān)動(dòng)作。
圖2 SEPIC饋電升降壓變換器拓?fù)銯ig.2 Topology of SEPIC fed buck-boost converter
1.2穩(wěn)態(tài)分析
控制開關(guān)Q1SBB導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)的功率級電路如圖3所示。
圖3 控制開關(guān)Q1SBB導(dǎo)通和關(guān)斷期間的SFBB變換器Fig.3 SFBB converter during control switch ON and OFF time
為便于分析,令磁化電感LM為繞組T1A與T1B總電感。在控制開關(guān)Q1SBB導(dǎo)通期間,LM兩端電壓為
在控制開關(guān)Q1SBB關(guān)斷期間,LM兩端電壓(磁動(dòng)勢)為
根據(jù)電感的伏-秒平衡律,得到的SFBB變換器穩(wěn)態(tài)輸出電壓為
其中,M定義為
占空比D可以表示為
SFBB變換器穩(wěn)態(tài)電壓波形如圖4所示。結(jié)合穩(wěn)態(tài)電容電荷平衡,得出其穩(wěn)態(tài)電感電流為
圖4 SFBB變換器穩(wěn)態(tài)電壓波形Fig.4 SFBB converter steady-state voltage waveforms
在實(shí)際中,上述電流更直觀的表達(dá)方式(以輸出電流和電壓變比M表示)為
以輸出電流Iout為參考(降壓模式工作,M<1):
以輸入電流Iin為參考(升壓模式工作,M>1):
綜合上述分析,SFBB變換器的穩(wěn)態(tài)電流波形如圖5所示。根據(jù)穩(wěn)態(tài)分析,SFBB變換器中,輸入電流I1如同SEPIC變換器一樣是連續(xù)的;而負(fù)載電流由SEPIC部分和極性反轉(zhuǎn)部分同時(shí)提供。極性反轉(zhuǎn)部分與SEPIC變換器結(jié)合后,改善了變換器TON期間的輸出續(xù)流特性,由于如圖6所示的環(huán)流的存在,使得極性反轉(zhuǎn)部分能夠在導(dǎo)通的關(guān)斷期間均持續(xù)向負(fù)載供電,這一點(diǎn)與獨(dú)立的極性反轉(zhuǎn)變換器不同,由于輸出電流的連續(xù),減小了變換器的輸出EMI,因而可以簡化輸出電容配置。
圖5 SFBB變換器穩(wěn)態(tài)電流波形Fig.5 SFBB converter steady-state current waveforms
圖6 Q1SBB導(dǎo)通期間的SFBB變換器環(huán)流示意Fig.6 Output current circulation of SFBB converter during ON time
由式(7)和式(8)可知,對于升降壓應(yīng)用,耦合電感各繞組的電感電流均為輸入/輸出電流的一部分,這種分流方式不僅減小了以I2R形式存在的傳導(dǎo)損耗,而且增強(qiáng)了變換器的暫態(tài)響應(yīng)性能。在控制開關(guān)Q1SBB導(dǎo)通期間,磁化電感LM(T1A+T1C)上施加的電壓為Ein,而其電流卻僅為輸入/輸出電流的一部分,因而如果獨(dú)立的SEPIC或極性反轉(zhuǎn)變換器配置相同的磁化電感LM,那么SFBB變換器等效的電感電流將相對更快的變化;而在控制開關(guān)Q1SBB關(guān)斷期間,電感電流仍保持基本不變,但磁化電感LM施加電壓變?yōu)?2Eout,此時(shí)與負(fù)載電流直接相關(guān)的電感電流能夠以至少2倍于獨(dú)立SEPIC變換器或極性反轉(zhuǎn)變換器電感電流變化的速率斜坡變化。綜上所述,耦合電感的配置和分流技術(shù)的實(shí)現(xiàn),使得SFBB變換器功率級具有更快的響應(yīng)速度。
1.3換向網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)
為了進(jìn)一步提高變換器的導(dǎo)通性能,抑制控制開關(guān)節(jié)點(diǎn)的振鈴效應(yīng),采用如圖7所示的換向網(wǎng)絡(luò)。該換向網(wǎng)絡(luò)由一系列電容、二極管構(gòu)成,其中的B、C、E、F和+節(jié)點(diǎn)分別連接如圖2所示的SFBB變換器的B、C、E、F和+節(jié)點(diǎn)。
圖7 SFBB變換器的換向網(wǎng)絡(luò)Fig.7 Commutation network for SFBB converter
在控制開關(guān)Q1SBB導(dǎo)通序列開始時(shí),Q1SBB處于關(guān)斷狀態(tài),Q2BB導(dǎo)通,因而節(jié)點(diǎn)B電壓為(Ein+2Eout),節(jié)點(diǎn)C接地,因此,Q1SBB兩端電壓為(Ein+2Eout)。換向電容CCOM1和CCOM2通過二級管DCOM2分別充電至(Ein+ 2Eout)/2。當(dāng)開關(guān)Q2S和Q2BB關(guān)斷時(shí),二極管DCOM1和DCOM3快速導(dǎo)通,將節(jié)點(diǎn)B電壓鉗位于(Ein+2Eout)/2。由此,正常導(dǎo)通序列使得節(jié)點(diǎn)C的電壓從0上升至(Ein+2Eout)/2,而Q1SBB兩端電壓從(Ein+2Eout)/2降為0。此外,CCOM3和CCOM4分別通過各自關(guān)聯(lián)的二極管DCOM4和DCOM5及DCOM7和DCOM8構(gòu)成簡化的無損吸收電路,實(shí)現(xiàn)對開關(guān)導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)振鈴效應(yīng)的抑制。
1.4門電荷抽取機(jī)制
結(jié)合圖7所示的控制開關(guān)換向網(wǎng)絡(luò),與獨(dú)立的SEPIC變換器和極性反轉(zhuǎn)變換器相比,如果使用相同的MOSFET,那么由于電壓僅從(Ein+2Eout)/2開始下降,因而,開關(guān)暫態(tài)時(shí)間可縮放至原來的1/2。
此外,如圖8所示,對于控制開關(guān)Q1SBB的關(guān)斷過程,通過耦合電感作用強(qiáng)化的門電荷抽取GCE (gate charge extraction)機(jī)制將進(jìn)一步降低開關(guān)的關(guān)斷損耗。關(guān)斷過程開始時(shí),Q1SBB的柵源電壓開始下降,柵源電容開始放電。在極性反轉(zhuǎn)變換器中,其控制開關(guān)(MOSFET)封裝中的源極電感與門極電容諧振,會阻礙門極電流的變化,從而顯著減緩開關(guān)管的關(guān)斷過程,這與Buck變換器類似。而在如圖8所示的SFBB變換器中,其繼承并通過繞組T1C加強(qiáng)了SEPIC變換器的門電荷抽取功能,在控制開關(guān)Q1SBB關(guān)斷過程中,電感T1A維持其電流流向,從而產(chǎn)生由MOSFET門極流向驅(qū)動(dòng)器的電流IGCE,加快了柵源電容的放電過程和通道的關(guān)斷過程,因而IGCE也被稱為門極電荷抽取GCE電流。與此同時(shí),耦合繞組T1B和T1C中的感生電流I'GCE以如圖8所示相反的方向流動(dòng),而極性反轉(zhuǎn)部分的耦合繞組T1C增強(qiáng)了反向電流感生作用,在電流IGCE和I'GCE的雙重作用下,控制開關(guān)Q1SBB的漏極電流ID將更快地下降,從而降低Q1SBB的關(guān)斷損耗。
圖8 SFBB變換器Q1SBB關(guān)斷時(shí)門電荷抽取機(jī)理Fig.8 Schematic of gate charge extraction during control switch turn-OFF in SFBB converter
在換向網(wǎng)絡(luò)與門電荷抽取機(jī)制的雙重作用下,得到SEPIC變換器與SFBB變換器開關(guān)損耗對比示意如圖9所示。
1.5輸入電流紋波抑制
對于本文提出的SFBB變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),由于耦合電感匝比為1∶1,對該SFBB變換器的SEPIC部分進(jìn)行交流信號耦合分析,忽略耦合電感繞組等效電阻RT1A和RT1C的影響,將所述耦合電感進(jìn)行等效可知,耦合交流通路主要由耦合電容Ccouple紋波電壓ΔVAC、耦合電感繞組T1A等效漏感LLK1A和耦合電感繞組T1B等效漏感LLK1C串聯(lián)而成。如果上述等效漏感過小,那么將會在耦合電感繞組T1A和T1C上產(chǎn)生較大的振蕩紋波電流,進(jìn)而增大所述SFBB變換器的輸入電流紋波,這對于燃料電池發(fā)電系統(tǒng)等對輸出電流紋波有較為嚴(yán)格要求的應(yīng)用場合而言是需要避免的。為了避免使用成本和體積均較大的EMI輸入濾波器,可以通過增加耦合電感繞組漏感抑制上述交流耦合通路的電流環(huán)流,這種抑制作用最終反映到耦合電感的漏感配置中,可以實(shí)現(xiàn)將SFBB變換器的輸入電流紋波控制在期望范圍以內(nèi)。因此,通過增加耦合電感繞組T1A的額外漏感LLK實(shí)現(xiàn)對輸入電流紋波的調(diào)整,以滿足實(shí)際應(yīng)用對SFBB變換器輸入電流紋波大小的需求。該額外漏感LLK的近似估算表達(dá)式為
圖9 SEPIC變換器與SFBB變換器開關(guān)損耗對比Fig.9 Comparasion of switching losses between SEPIC converter and SFBB converter
根據(jù)式(9)配置相等的耦合繞組各側(cè)漏感,對于SFBB變換器的SEPIC部分而言,有ΔiLK-T1A?ΔiL-MAG?ΔiLK-T1C,即SEPIC部分耦合電感原次邊電流紋波近似相等。這種情況是兼顧T1A和T1C電流紋波大小進(jìn)行折中處理;除此之外,針對SFBB變換器而言,T1C電流紋波的大小對變換器指標(biāo)影響較小,故也可以僅在T1A添加額外漏感,實(shí)現(xiàn)T1A側(cè)紋波電流向T1A側(cè)的“轉(zhuǎn)移”。通過上述兩種方式,實(shí)現(xiàn)對SFBB變換器的電流紋波環(huán)流問題的有效的改善。
針對圖2所示SEPIC饋電升降壓(SFBB)變換器拓?fù)洌O(shè)計(jì)的SFBB變換器實(shí)驗(yàn)平臺關(guān)鍵元件和控制器選型如表1所示。
表1 SFBB變換器設(shè)計(jì)指標(biāo)與元件選型Tab.1 Design indexes and components selection of SFBB converter
其中,輸入電壓為3段階躍信號,分別對應(yīng)2.5V、3.2V、5V、8.5V,輸出保持在2.85V,以驗(yàn)證SFBB變換單元的升降壓工作能力。
2.1仿真驗(yàn)證
在LTSPICE中的仿真結(jié)果如圖10所示。
通過圖10可看出,所提出的SEPIC饋電升降壓變換器在輸入電壓階躍過程中能夠有效的工作,完成輸出電壓對輸入電壓的升降壓功能。
圖10 SFBB變換器電壓階躍仿真結(jié)果Fig.10 Voltage step simulation result of SFBB converter
2.2試驗(yàn)驗(yàn)證
圖11為設(shè)計(jì)平臺實(shí)驗(yàn)得到的控制開關(guān)Q1SBB的漏源電壓和電流波形及其局部細(xì)節(jié)圖。從圖11可知,雖然平臺電壓不明顯,但在圖7所示換向網(wǎng)絡(luò)作用下,漏源電壓和電流能夠快速響應(yīng),以圖示較小幅值的快速漏源電壓下降和漏極電流上升迅速完成開關(guān)動(dòng)作,降低變換器的功率損耗,對MOS?FET開關(guān)的振鈴效應(yīng)也有一定的抑制作用。
根據(jù)交流耦合通路原理,在四繞組耦合電感的T1A側(cè)串聯(lián)額外的獨(dú)立電感作為T1A側(cè)的“漏感”,以減小SFBB變換器輸入紋波電流,串聯(lián)額外電感(0.3 μH)前后的輸入電流紋波抑制效果仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分別如圖12所示。
由圖12實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,通過添加額外的漏感能夠?qū)⑤斎肜@組T1A的電流紋波通過電感耦合轉(zhuǎn)移至其他繞組,從而實(shí)現(xiàn)輸入電流續(xù)流能力的增強(qiáng)。
圖11 Q1SBB導(dǎo)通時(shí)漏源電壓和電流波形及其放大圖Fig.11 Control switch voltage and current waveforms during turn-on and their enlarged drawings
圖12 T1A和T1C局部電流波形Fig.12 Partial current waveforms of T1Aand T1Cwindings
SEPIC饋電升降壓(SFBB)拓?fù)淠軌驈母旧咸岣吖β始夒娐返霓D(zhuǎn)換效率和暫態(tài)響應(yīng)性能,并可以采用與其他基本變換器拓?fù)湎嗤尿?qū)動(dòng)控制邏輯,而不必增加驅(qū)動(dòng)復(fù)雜度和變換器成本。變換器拓?fù)鋵EPIC變換器和極性反轉(zhuǎn)變換器的輸出二極管替換為功率開關(guān)管,顯著提升了變換器的轉(zhuǎn)換效率,同時(shí),通過耦合電感構(gòu)成的多個(gè)電流通路對負(fù)載電流進(jìn)行分割,有效改善了變換器的Iout2R損耗;并且,耦合電感引入的固有的門電荷抽取機(jī)制實(shí)現(xiàn)了快速的控制開關(guān)關(guān)斷功能,顯著降低了變換器的關(guān)斷損耗。此外,通過上述電感耦合結(jié)構(gòu)以及變換器拓?fù)涔逃械碾姼袕?fù)位電壓抬升,也改善了功率級的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。
對于SFBB變換器,其占空比固有地比SEPIC變換器更大,意味著更長的導(dǎo)通時(shí)間。這對于高頻、低輸出電壓的應(yīng)用場合更加有利,而常規(guī)SEPIC變換器應(yīng)用中此時(shí)的MOSFET導(dǎo)通時(shí)間可能接近最小開關(guān)延遲。盡管如此,但這是以犧牲升壓應(yīng)用中的最大升壓比為代價(jià),因而,SFBB變換器更加適用于對升壓比要求不高的應(yīng)用場合。
為降低開關(guān)損耗,可將所用凌特公司的LTC4442高速同步驅(qū)動(dòng)器替換為TI的UCC27221/ 27222預(yù)測控制驅(qū)動(dòng)器,實(shí)現(xiàn)對開關(guān)器件漏源電壓的預(yù)測判斷,從而自適應(yīng)地提前發(fā)出脈沖調(diào)制信號,實(shí)現(xiàn)漏源電壓和漏極電流的近似同步變化。
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A SEPIC Fed Buck-Boost Converter
ZHANG Yan1,LI Lijuan1,GAO Hua1,WANG Jiyong2
(1.Power Grid Planning and Research Center of Guizhou Power Grid Co.,Ltd.,Guiyang 550003,China;2.Tianjin Tianda Qiushi Electric Power High Technology Co.,Ltd.,Tianjin 300384,China)
A SEPIC Fed Buck-Boost(SFBB)converter is proposed for photovoltaic and fuel cell power system,where the converter is desired to interface the power source with low current ripple under wide input voltage range.The SFBB topology realizes synchronous switching and achieves significant efficiency promotion with the inductor coupling of the inverting and SEPIC converters,which still inherits the voltage step-up/-down characteristics.The low current ripple is achieved with the added leakage inductor in the input stage of the SEPIC portion.Besides,the ringing effect of the con?trol switch is restrained with the auxiliary commutation network;and the inherent gate-charge-extraction mechanism fa?cilitates extremely fast turn-off of the control switch,essentially eliminating the turn-off loss of the SFBB converter.The operational principle of the SFBB converter is analyzed in detail and a 40W prototype is built with experimental results to verify the analysis.
step-up/down;singendedprimaryinductorconverter(SEPIC)fed;inductorcoupling;synchronousswitching
TM464
A
1003-8930(2016)04-0096-07
2015-07-20;
2015-10-19
張彥(1981—),男,碩士,工程師,主要從事電網(wǎng)規(guī)劃與節(jié)能、分布式能源并網(wǎng)研究等相關(guān)工作。Email:zhy?an168168@126.com
李麗娟(1981—),女,碩士,高級工程師,主要從事配電網(wǎng)規(guī)劃及相關(guān)研究工作。Email:49242934@qq.com
高華(1978—),男,碩士,高級工程師,主要從事電網(wǎng)規(guī)劃、電力系統(tǒng)分析等方面工作。Email:13885093161@139.com