一类改进型反激升压式功率因数校正AC/DC开关变流器优化设计

张绍钧

（东莞市万里集团有限公司技术部，广东 东莞 523000）

一类改进型反激升压式功率因数校正AC/DC开关变流器优化设计

张绍钧

（东莞市万里集团有限公司技术部，广东 东莞 523000）

本文系统及深入分析了单级与双级功率因数校正AC/DC变流器的性能特征，并指出各自存在的优缺点。在此基础上,结合软开关技术的特点,提出了一种基于集成化设计的功率因数校正AC/DC开关变流器电路，此类变流器克服了传统单级及双级变流器存在的不足，具有直接功率转换概念的新型功率因数校正电路的特点，它综合具有传统反激式升压转换器的功率传输特性，具有高效、高功率因数、成本低的特点；文中对新拓扑与传统拓扑在效率、功率因数以及直流输出电压等方面进行了比较，并通过一个150W/28V的电路模块进行了实验验证，并给出了实验结果，结果表明，新型PFC拓扑电路能显著地提高变流器的转换效率，比传统PFC电路转换器效率要高出5%。

反激升压；直接功率转换；功率因数校正；交流-直流变换；开关变流器；优化设计

1 引言

目前，已开发成型的单级的功率因数校正AC/ DC变流器产品很多。图1表示这类变流器的工作框图。其重点就是要使功率因数校正电路和电压电路共享一个功率开关。在单级电路所固有的电流整形特征下，单级变流器通常都工作在输入电流不连续方式中[1-3]。采用一个工作在不连续方式下基本结构的变流器（如boost或flyback型）与另一个隔离型变流器相结合，即可构成一种单级功率因数校正方案的变流器。通常，需要一个贮能电容在两个变流器结合之间维持直流总线电压。与双级方案中总线电压是可控的不同，单级PFC变流器只有一个反馈控制回路，如图1所示。

图1 单级型功率因数校正AC/DC变流器工作原理框图Fig.1 AC/DC converter with single-stage power factor correction

针对单级PFC变流器的优化设计中，人们一直在探讨各种不同的改善方案[3-5]。图2所示为实际应用的可靠电路结构框图。近年来，许多单级（S2）开关变流器被提出并实施。然而，在实际用中依然存在许多问题，如效率低。由于DCM操作、高和宽的中间级直流总线电压应力，使其难以用于高功率变流器中。在单级PFC变流器的电路拓扑系列中，最流行的拓扑结构可能是一个升压PFC电路和DC / DC转换单元的组合体，这种流行的组合体可以表示为如图1所示的普通功能方框图。一个普通双级的AC-DC转换器的功能方框图如图2所示。通过观察图1和图2中的功率流动，一个共同的功率转换特点被发现，即无论是一个单级或一个双级配置的AC-DC变流器，交流输入功率首先被转换成脉动直流功率存储在中间巨大的电容器中，此存储过程由PFC电路完成。然后，存储在大电容器中的功率再被一个DC -DC电路处理后达到最终的输出。实际上,这一功率的流动过程在两级的功率转换器中进行，功率被双级变流器电路顺序处理，因此，整个功率被处理了二次，整体效率即为两级工作效率的乘积：η=η1×η2，η1、η2分别是每一级变流器的工作效率。

图2 普通双级PFC变流器的功能框图Fig.2 Function of PFC converter with two-stage power factor correction

从以上分析我们可以看到，由于每次功率转换的效率的变化，两次功率处理过程意味着低的转换效率。到目前为止，通过改变功率级的配置或布局来改善效率的成果报道很少。因此，实现高效率最可能的办法是创新我们的思维，探索新的功率处理（能量转移）路线图。

在此，本文建立了一种提高功率转换效率的新概念，即“直接功率转换（Direct Power Transfer，DPT）。根据DPT的概念，一种被称为“改进型反激升压式功率因数校正”的全新PFC电路被提出。进一步，衍生出能改善功率转换效率的开关变流器的新系列。我们试图将它用于从低到中等水平的功率开关变流器中，如个人电脑的AC -DC适配器等。本文的实验演示结表明这种改进型反激升压式功率因数校正电路和常规传统的PFC电路开关变流器比较，其效率要提高5%以上。

2 直接功率转换理论分析及电路拓扑

为提高AC/DC变流器的转换效率，本文提出了一种新的设计思路，文中称为“直接功率转换”（Direct Power Transfer，简称DPT)。该思路的含义是允许大部分的输入功率仅处理一次（直接进行AC/DC功率变换），很少的输入功率才处理两次（进行AC/DC、DC/DC两个变换环节，其中AC/DC中含有PFC环节）。这样，在实现较高的功率因数和较精确的输出调节的同时，使输出效率得到较大提高。基于该思路，文中提出了一种被称为“改进型反激升压式功率因数校正”的新拓扑，该拓扑方案提供了一种比传统思路具有更高效率和更高功率的S2转换器的新方法。基于“直接功率变换”新概念的AC/DC变流器的功率变换的工作原理如图3所示。

本文研究发现，对于AC/DC开关变流器拓扑，为了实现功率因数校正和DC/DC电压调节这两个目标，并不需要对由两级电路构成的整个输入功率进行处理。根据功率流向，输入功率的大部分可以经一级变流器直接变送到负载端。很明显，这种通过减小功率处理数量的方法，可以有效地提高整个变流器的工作效率。新的PFC电路拓扑结构如图4所示，该拓扑与任何现有的PFC电路不同之处在于，它能同时实现两种类型的功率转换，即反激式功率转换和升压式功率转换。在本文中，从原来的升压电感变换得来的变压器被称之为“反激升压式”变压器，其工作原理分析如下。

新的概念允许大部分的输入功率仅处理一次，很少的输入功率才处理两次。同时，依然可以实现较高的功率因数和较严格的输出调节。这个概念提供了一种比传统方法具有更大效率和更高额定功率的S2转换器的新途径。对于这种功率转换方法，功率仅处理一次，在本文中被称为直接功率转换（（Direct Power Transfer，简称DPT)，能够提高效率的功率处理的直接功率转换DPT一般概念，可以用如图3的规范化形式表现。它说明了采用DPT方法的转换器总是比相应的没有采用DPT方法的转换器具有更高的效率。简单的说，是因为采用DPT概念的转换器与图2的相比，满足下面的不等式：kη1η2+(1-k)η2＞η1η2，这里k＜1，η1＜1，且η2＜1。

图3 具有“直接功率转换”(DPT)新概念的功率因数校正转换流程图Fig.3 DPT converter with power factor correction

现在的问题是如何用一个简单的结构，简单的电路和简单的控制来实现直接功率转换。有报告说，通过使用简单的反激式转换器，能获得高于85%的效率。但是，却存在下列问题：

（1）大的低频输出干扰，特别是对于二倍于线性频率的干扰，需要一个非常大尺寸的输出滤波器，作为在其他S2转换器中大容量存储电容器的等效部分，在这里有电容器实际上是可以理解的。通常，对于处理半个周期之内，输入功率和输出功率两者之间低频率功率不平衡的问题，大容量的电容器是必需的。

（2）功率变压器的低利用率。原因是存在脉动大功率转换和大能量存储的漏感；

（3）输出电压调节慢。因为存在较大的输出滤波器和低循环的交叉频率；

（4）保持时间不能保证。由于在高电压初级缺乏大容量的存储电容。因此，需要设计一个复杂的电路来解决保持时间问题。但是，它不是一个优化的解决方案。

众所周知，在DCM操作之下，当处于升压状态时，反激式转换器可以自动产生具有恒定占空比的统一的功率因数[6-8]。因此，最好还是保持具有反激或/和升压功能的输入电路。第二个可取的特点是让输入单元实施PDT，让大部分输入功率处理一次。但与此同时，为了获得精密的输出调节，我们必须保留传统AC-DC转换器的DC-DC电路功能。进一步，在获得高的功率因数和精密的输出调节的同时，为了实现简单的控制，最好保持输入电路工作在DCM状态下。第二级DC-DC电路，依据DC总线电压和功率水平，可以工作在DCM或CCM状态下。

事实上，为了达到功率因数校正和DC/DC电压调节这二个目的，并不需要对由两级电路整个输入功率进行处理。根据电路分析和功率流向，输入功率的一部分可以经一级变流器直接馈送到负载端。显然，通过使功率处理次数量小化的方法，可以有效地改善变流器的工作效率，如图5所示。

图4 功率处理次数最小化的改进型功率因数校正AC/DC变流器(a)(b)Fig.4 AC/DC converters improved with power factor correction

图5显示了另外一种新的PFC电路拓扑结构。与任何现有的PFC电路不同，这种PFC电路能同时实现两种类型的功率转换，即：反激式功率转换和升压式功率转换。在本论文中，从原来的升压电感修改来的变压器被称之为“反激升压式”变压器。这个合成词能准确的表示它的新功能。与目前已知的，如升压，SEPIC，降压-升压，Cuk和降压等PFC电路相类似，其工作原理讨论如下。

图5 作为一般PFC电路的开关变流器电路结构Fig.5 Circuit diagram of switched converters as normal PFC circuit

根据“反激升压式”变压器T1的工作情况，本文提出的 PFC电路在一个线性周期内以两种不同的方式工作，如图5所示。现就这两种工作模式讨论如下：

（1）反激模式：当vin(t) ＜VDC,bus-n1×Vo,(n1:T1的变压比)，T1作为反激变压器工作。当主开关S闭合时，T1被整流线性电压线性地充电。当S是断开时，T1放电，将存储的磁化功率输出。所以，T1在主开关闭合期间存储的磁化功率直接转换到输出端。这部分功率仅被处理了处理一次。

（2）升压模式：当vin(t)＞=VDC,bus-n1×Vo，T1作为升压电感工作。当S闭合时，T1被整流的线性电压充电。当S断开时，T1放电，将存储的磁化功率输出给DC总线电容器。储存在直流总线电容中的功率将被DC/DC转换电路转换输出。这部分功率被处理两次。

图6 “反激升压式”PFC电路在一个线性频率周期内的工作模式Fig.6 Working mode of PFC converter

根据上述讨论，反激升压式电路集成了反激式和升压式PFC电路的功能，而且，本文提出的“反激升压式” PFC电路在同一个周期的不同间隔，象升压式或反激式PFC电路一样工作。因此，高功率因数可以通过DCM反激式PFC电路和DCM升压PFC电路实现，高功率因数也能期望通过反激升压式”PFC电路实现。具有DC / DC转换单元，精密输出调节的集成反激升压式 PFC电路见被实现。此外，反激升压式 PFC电路还具有的以下独特的优势：

（1）直接功率转换：在反激模式下，所有输入功率通过变压器T1直接传递给负载。这部分功率仅被处理一次。这意味着在功率器件上具有更低的电流应力和更高的功率效率。

（2）直流总线电压自动限制：只有当整流输入电压高于（VDC,bus-n1×Vo）时，直流总线电容器才由输入功率充电。对于DC总线电容器来说，DC总线电压越高，DC总线电容器充电越少。而且，与[1,6]中其他S2 PFC转换器比较，在任何负载情况下，最大的直流总线电压将被限制在（Vin,peak+n1×Vo)以下。这意味着，在轻负载，不高的直流总线电压情况下，采用flyboost电路的S2 PFC转换器可以工作在DCM + DCM模式或DCM + CCM模式。因此，和其他不能工作在DCM+ CCM方式下众所周知的S2转换器比较，本文提出的PFC电路，尤其更加适合于具有高功率处理能力的通用电压适配器。

3 一类改进型反激升压式功率因数校正转换器拓扑

在反激升压式PFC电路和典型的DC/DC电路基础上，派生出的S2转换器拓扑结构如图7所示。图7给出了一些通过修改现有的S2拓扑结构获得的样本拓扑结构。为了简单明了，我们不描绘输入EMI滤波器，单开关反激式和前向转换器部分的复位和钳位电路。基本上，反激升压式 PFC电路融合了传统反激式和升压式电路的特点。因此，相对于其它已知的S2转换器而言，在图7提出的转换器具有以下潜在优点：

（1）高功率因数，由于反激式和升压转换器的固有特性；（2）高效率，因为大部分输入功率只处理一次；（3）中间直流总线电压自动受限在输入电压的峰值和反激升压式变压器的变压比决定的范围内；（4）具有输入浪涌电流保护，因为反激式和升压式转换器特点的原因；（5）简化了电路结构，由于只用了一个电源开关和一个控制器，并保留相同数量的磁性元件；（6）具有更高的功率处理能力，由于在转换器中采用多通道的功率转换，升压、反激式、正激式;（7）更好地利用了磁场，由于采用了多了通道功率转化模式。

如其他的PFC电路一样，如升压，SEPIC，降压-升压和Cuk电路。如图 6所示的反激升压式PFC电路可以用来取代现有的任何拓扑结构的S2 PFC电路。而且，一系列新的拓扑结构可以从如图1所示的一般的功能结构派生出来。显而易见，使用反激升压式电路类似的推导可以应用到任何现有的两级拓扑中。因此，一系列两级的拓扑可以通过如图2所示的一般的结构图实现。这项研究在这里仅仅集中在S2转换器中。

图7 一类改进型反激升压式功率因数校正变流器拓扑Fig.7 Reforming of PFC converter with power factor correction

图7在反激升压式PFC电路和典型的DC/DC电路基础上，派生出的S2转换器拓扑结构的新系列：（a）反激升压式 PFC +反激式DC /DC （b）反激升压式 PFC +正激式DC / DC，（c）反激升压式 PFC +双开关反激式DC/DC，（d）反激升压式PFC + 前激式DC / DC，（e）反激升压式 PFC +半桥式DC/ DC，（f）反激升压式PFC +串联/并联反激式

基本上，反激升压式 PFC电路融合了传统反激式和升压式电路的特点。因此，相对于其他已知的S2转换器而言，在图8提出的转换器具有以下潜在优点：

（1）高功率因数，由于反激式和升压转换器的固有特性；

（2）高效率，因为大部分输入功率只处理一次；

（3）中间直流总线电压自动受限在输入电压的峰值和反激升压式变压器的变压比决定的范围内；

（4）具有相对较低的电压应力功率MOSFET管和由于可控的直流总线电压转换器被使用的巨大容量的电容器；

（5）具有输入浪涌电流保护，因为反激式和升压式转换器特点的原因；

（6）简化了电路结构，由于只用了一个电源开关和一个控制器，并保留相同数量的磁性元件；

（7）具有更高的功率处理能力，由于在转换器中采用多通道的功率转换，升压，反激式和正激式；

（8）不同于其他S2采用反激式电路结构的转换器，通过存储在巨大容量电容器C1 /C2中的能量，本文介绍的转换器的保持时间可以保证；

（9）更好地利用了磁场，由于采用了多了通道功率转化模式。

4 功率因数校正转换器优化设计和实验

在图7所示的样板转换器中，一个简单的称为DCM + DCM操作的电压模式控制策略被使用。根据本文提出的拓扑结构的特点，现对相关的设计考虑的讨论如下：

(1) 控制

同其他常规的DC/DC转换器一样，采用一个快速稳定的电压控制回路，通过监测输出电压和需要时予以校正来保证输出电压稳定。当然，电流模式控制（或固定频率或可变频率）也是适用。但是，这些拓扑结构将复杂化电流模式控制策略，因为内部电流控制环必须根据DC/DC电路中的电流流动，而电流流动在反激升压式电路的次级中。事实上，电流主要是归功于负载。我们不能接受仅仅测出与输出没有直接的关系的开关电流。由于脉动的反激升压式次级电流，平均开关电流模式（ASCM）控制能满足这一应用。很直观，电流模式控制的优点是减少低频纹波输出，提高动态响应。

（2）元器件强度

由于最大的中间直流总线电压钳位在(Vin,max(ωt)+Vo/n1)，根据最大直流总线电压Vcs,max，初级元器件的耐压值应该考虑具有一定的安全系数（比如1.2～1.5）。这一点对于低成本和高效率的设计来说是非常重要的。因为较低的耐压值意味着较低的花费、较低的配电和较低的传导损失。

(3）正向电路的简化磁性设计

DC/DC正向变压器的消磁电压被钳制在Vcs，这意味着磁约束要求的最大占空比必须低于0.5。

其他设计上的考虑应遵循常规的正向变压器的设计过程。我们必须认识到，将纳入设计考虑的负载不是转换器供电的整个负载，它只是输出负载的一部分，这里叫着正向负载，通过DPT方式被反激升压式电路供电的其余部分的负载，叫着反向负载，这两个负载的和就是整个负载RL。RL的数量主要取决于设计方案，需要多大比例的负载通过直接功率转换DPT转换和多大的功率处理两次，以保证输出精密调节。

对于上述某些负载（比如半载），取CCM工作模式。将受到下面的限制。滤波电感和最大的占空比应分别满足：

其中Dforward代表一定条件下的占空比如负载Rforward，直流总线电压Vcs，等。并且Vcs,min是最小的直流总线电压。

变压器的初级和次级圈数由下式确定：

(4）反激升压式电路的简化磁设计

在具体的拓扑结构中，最具挑战性的设计是反激升压式变压器。事实上，这里变压器执行两种类型的功率转换，即反激式和升压式。理想情况下，主要功率是通过具有DPT方式的反激励模式转换的。因此，我们可以认为，传统的反激式操作在反激升压式电路的工作中占主导地位。为了简单起见，我们可以认为一个等效flyback变压器将全部功率从输入端转换，包括升压工作模式转换的功率。以下是简化的设计步骤：

（1）首先，对于DCM方式工作的flyback变压器（电感器），以防止磁通量流失，磁复位问题必须考虑到，伏秒平衡必须遵循的：

这里，Vo表示输出电压，n1表示反激升压式变压器的变压比，Dmax是设计的最高的占空比（小于0.5），这决定于DC/DC正向控制器，相应的最低交流输入电压为Vin,min。

(2）考虑输入和输出之间的功率平衡，也要采用准静态的原则，交流输入电压由一个具有和交流电压有效值相同数值的等效直流电压代替。Flyboost变压器初级的峰值电流可以大致由下式确定：

其中，η是从输入到输出转换器的效率，Po是平均输出功率。

（3）在初级的等效电感可以大致确定如下：

（4）电容器和电感器

初级的输出电容器由输出纹波要求决定，输出电感器决定于输出纹波，同时要考虑是否采用CCM或DCM操作方式。两个大容量电容器的设计，以满足保持时间的要求。

（5）高效率设计考虑

为了实现高效率，在满足保持时间和严格调节要求的同时，允许更多的输入功率通过具有DPT方式的反激升压式达到输出端。同时，占空比的设计应尽可能大。

（6）工作在宽线电压范围

制作成一个基于图8所示的样本拓扑结构的原型，主要设计规范给出如下：

·输入电压：85～265VAC

·输出电压：28VDC

·输出功率：150W

·开关频率：100KHZ

图8 实验电路模块Fig.8 Experiment circuit of converter

用一个流行的基准和控制芯片TL431实现闭环控制。除了上述实验条件，以下实验条件也要应用：

（1）主要的设计电路参数是L1=90uH,Lo=15uH,n1=0.242,n2=0.333,Cs1=Cs2=220uF

（2）当计算效率时，所有损耗要计算在内

（3）为便于比较，在满负荷、150W的输出功率情况下完成测量。

在通常输入情况下，测量的功率因数如图11（a）所示。与图11（b）相比，可以看到，图11（c）中新修改的转换器极大地提高功率因数。在通常输入情况下，功率因数达到0.97以上。对于如图所示11（a）所示的俄罗斯拓扑结构[9]-[10]来说，它虽然可以获得高功率因数，但是在通常的输入情况下它不能工作。图11（b）显示了在满载,150W输出条件下，不同的拓扑结构的实验效率比较。请注意，在计算效率时所有损失都被计算在内。可以看出，具有改进型反激升压式功率因数校正变流器拓扑结构效率最高，俄罗斯拓扑结构排第二。图11（c）显示了在满负载情况下，几个类似的拓扑结构的实验DC总线电压比较。很明显，图11（b）的传统拓扑结构具有最低的DC总线电压，但其电压变化范围在130V左右是可以与改进型反激升压式功率因数校正变流器拓扑的电路比较的。俄罗斯的拓扑结构在总线电压超过150伏时有过份的总线电压。因此，它在通常的输入应用时不切实际。

图9 传统和工作在DCM+ DCM模式下新的拓扑结构的实验曲线比较Fig.9 Topology experiment data of DCM+DCM mode converter

5 结论

本文提出了一种新型功率因数校正（PFC）电路，系统深入分析了单级与双级功率因数校正AC/ DC变流器的性能特征，指出各自存在的优缺点。在此基础上,结合软开关技术的特点,提出了一种基于集成化设计的功率因数校正AC/DC开关变流器电路，此类变流器克服了传统单级及双级变流器存在的不足，具有直接功率转换概念的新型功率因数校正电路，它综合传统反激式升压转换器的功率传输特性，具有高效、高功率因数和成本低的特点。文中最后给出了电路实验结果，其实验转换器用一个150W/28V的电路模块进行了实验验证。改进型PFC电路能显著地提高转换器的转换效率，比传统PFC电路转换器的效率要高出5%。同时，它仍然能达到很高的高功率因数（0.97以上）和进行精密的输出调节。

该方案进一步派生出了一系列改进型反激升压式功率因数校正变流器拓扑的拓扑结构。本文提出的PFC电路允许部分输入功率直接转换到输出端，从而提高了效率，降低最大直流总线电压。特别设计样板的实验结果验证本文提出的改进型反激升压式功率因数校正变流器拓扑电路工作原理。

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High performance AC/DC switching converters with flyboost power factor correction cell and its application converters

ZHANG Zhaojun
(Department of Technology,Dongguan Wanli Group Co.Ltd.,Dongguan,511700,P.R.China)

This paper analyzes and discusses topology of two-stage PFC converters,and the objective of the research in this paper is to study the development of new converter topology that AC/DC two-stage PFC schemes to produce new class of AC-DC converter with high performance and higher efficiency and increased reliability.This is achieved by analysis,design and circuit experiments,as well as combining the advantages of existing single-stage and twostage AC/DC converters.A novel power factor correction (PFC) cell with direct-power-transfer (DPT) concept,called flyboost,is presented.The PFC cell combines power transfer characteristics of conventional flyback and boost converters.A new family of converters is derived and an example converter is experimentally verified with a 150W/28V prototype.While still achieving high power factor (above 0.97) and tight output regulation,the flyboost cell significantly helps improve the converter's efficiency above 5% over conventional converter without flyboost PFC cell.

direct power transfer (DPT);power factor correction；two-stage converter；integrated type；flyboost ;performance

TM46

：A

1672-6332（2014）01-0023-07

【责任编辑：高潮】

2013-3-15

张绍钧（1973-），男（汉），广东东莞人，工程师，本科，主要研究方向：电子电器设计；E-mail:735641329@qq.com.