一類改進(jìn)型反激升壓式功率因數(shù)校正AC/DC開關(guān)變流器優(yōu)化設(shè)計(jì)

張紹鈞

（東莞市萬里集團(tuán)有限公司技術(shù)部，廣東 東莞 523000）

一類改進(jìn)型反激升壓式功率因數(shù)校正AC/DC開關(guān)變流器優(yōu)化設(shè)計(jì)

張紹鈞

（東莞市萬里集團(tuán)有限公司技術(shù)部，廣東 東莞 523000）

本文系統(tǒng)及深入分析了單級(jí)與雙級(jí)功率因數(shù)校正AC/DC變流器的性能特征，并指出各自存在的優(yōu)缺點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上,結(jié)合軟開關(guān)技術(shù)的特點(diǎn),提出了一種基于集成化設(shè)計(jì)的功率因數(shù)校正AC/DC開關(guān)變流器電路，此類變流器克服了傳統(tǒng)單級(jí)及雙級(jí)變流器存在的不足，具有直接功率轉(zhuǎn)換概念的新型功率因數(shù)校正電路的特點(diǎn)，它綜合具有傳統(tǒng)反激式升壓轉(zhuǎn)換器的功率傳輸特性，具有高效、高功率因數(shù)、成本低的特點(diǎn)；文中對(duì)新拓?fù)渑c傳統(tǒng)拓?fù)湓谛?、功率因?shù)以及直流輸出電壓等方面進(jìn)行了比較，并通過一個(gè)150W/28V的電路模塊進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果，結(jié)果表明，新型PFC拓?fù)潆娐纺茱@著地提高變流器的轉(zhuǎn)換效率，比傳統(tǒng)PFC電路轉(zhuǎn)換器效率要高出5%。

反激升壓；直接功率轉(zhuǎn)換；功率因數(shù)校正；交流-直流變換；開關(guān)變流器；優(yōu)化設(shè)計(jì)

1 引言

目前，已開發(fā)成型的單級(jí)的功率因數(shù)校正AC/ DC變流器產(chǎn)品很多。圖1表示這類變流器的工作框圖。其重點(diǎn)就是要使功率因數(shù)校正電路和電壓電路共享一個(gè)功率開關(guān)。在單級(jí)電路所固有的電流整形特征下，單級(jí)變流器通常都工作在輸入電流不連續(xù)方式中[1-3]。采用一個(gè)工作在不連續(xù)方式下基本結(jié)構(gòu)的變流器（如boost或flyback型）與另一個(gè)隔離型變流器相結(jié)合，即可構(gòu)成一種單級(jí)功率因數(shù)校正方案的變流器。通常，需要一個(gè)貯能電容在兩個(gè)變流器結(jié)合之間維持直流總線電壓。與雙級(jí)方案中總線電壓是可控的不同，單級(jí)PFC變流器只有一個(gè)反饋控制回路，如圖1所示。

圖1 單級(jí)型功率因數(shù)校正AC/DC變流器工作原理框圖Fig.1 AC/DC converter with single-stage power factor correction

針對(duì)單級(jí)PFC變流器的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，人們一直在探討各種不同的改善方案[3-5]。圖2所示為實(shí)際應(yīng)用的可靠電路結(jié)構(gòu)框圖。近年來，許多單級(jí)（S2）開關(guān)變流器被提出并實(shí)施。然而，在實(shí)際用中依然存在許多問題，如效率低。由于DCM操作、高和寬的中間級(jí)直流總線電壓應(yīng)力，使其難以用于高功率變流器中。在單級(jí)PFC變流器的電路拓?fù)湎盗兄?，最流行的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可能是一個(gè)升壓PFC電路和DC / DC轉(zhuǎn)換單元的組合體，這種流行的組合體可以表示為如圖1所示的普通功能方框圖。一個(gè)普通雙級(jí)的AC-DC轉(zhuǎn)換器的功能方框圖如圖2所示。通過觀察圖1和圖2中的功率流動(dòng)，一個(gè)共同的功率轉(zhuǎn)換特點(diǎn)被發(fā)現(xiàn)，即無論是一個(gè)單級(jí)或一個(gè)雙級(jí)配置的AC-DC變流器，交流輸入功率首先被轉(zhuǎn)換成脈動(dòng)直流功率存儲(chǔ)在中間巨大的電容器中，此存儲(chǔ)過程由PFC電路完成。然后，存儲(chǔ)在大電容器中的功率再被一個(gè)DC -DC電路處理后達(dá)到最終的輸出。實(shí)際上,這一功率的流動(dòng)過程在兩級(jí)的功率轉(zhuǎn)換器中進(jìn)行，功率被雙級(jí)變流器電路順序處理，因此，整個(gè)功率被處理了二次，整體效率即為兩級(jí)工作效率的乘積：η=η1×η2，η1、η2分別是每一級(jí)變流器的工作效率。

圖2 普通雙級(jí)PFC變流器的功能框圖Fig.2 Function of PFC converter with two-stage power factor correction

從以上分析我們可以看到，由于每次功率轉(zhuǎn)換的效率的變化，兩次功率處理過程意味著低的轉(zhuǎn)換效率。到目前為止，通過改變功率級(jí)的配置或布局來改善效率的成果報(bào)道很少。因此，實(shí)現(xiàn)高效率最可能的辦法是創(chuàng)新我們的思維，探索新的功率處理（能量轉(zhuǎn)移）路線圖。

在此，本文建立了一種提高功率轉(zhuǎn)換效率的新概念，即“直接功率轉(zhuǎn)換（Direct Power Transfer，DPT）。根據(jù)DPT的概念，一種被稱為“改進(jìn)型反激升壓式功率因數(shù)校正”的全新PFC電路被提出。進(jìn)一步，衍生出能改善功率轉(zhuǎn)換效率的開關(guān)變流器的新系列。我們?cè)噲D將它用于從低到中等水平的功率開關(guān)變流器中，如個(gè)人電腦的AC -DC適配器等。本文的實(shí)驗(yàn)演示結(jié)表明這種改進(jìn)型反激升壓式功率因數(shù)校正電路和常規(guī)傳統(tǒng)的PFC電路開關(guān)變流器比較，其效率要提高5%以上。

2 直接功率轉(zhuǎn)換理論分析及電路拓?fù)?/h2>

為提高AC/DC變流器的轉(zhuǎn)換效率，本文提出了一種新的設(shè)計(jì)思路，文中稱為“直接功率轉(zhuǎn)換”（Direct Power Transfer，簡(jiǎn)稱DPT)。該思路的含義是允許大部分的輸入功率僅處理一次（直接進(jìn)行AC/DC功率變換），很少的輸入功率才處理兩次（進(jìn)行AC/DC、DC/DC兩個(gè)變換環(huán)節(jié)，其中AC/DC中含有PFC環(huán)節(jié)）。這樣，在實(shí)現(xiàn)較高的功率因數(shù)和較精確的輸出調(diào)節(jié)的同時(shí)，使輸出效率得到較大提高。基于該思路，文中提出了一種被稱為“改進(jìn)型反激升壓式功率因數(shù)校正”的新拓?fù)洌撏負(fù)浞桨柑峁┝艘环N比傳統(tǒng)思路具有更高效率和更高功率的S2轉(zhuǎn)換器的新方法。基于“直接功率變換”新概念的AC/DC變流器的功率變換的工作原理如圖3所示。

本文研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于AC/DC開關(guān)變流器拓?fù)?，為了?shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正和DC/DC電壓調(diào)節(jié)這兩個(gè)目標(biāo)，并不需要對(duì)由兩級(jí)電路構(gòu)成的整個(gè)輸入功率進(jìn)行處理。根據(jù)功率流向，輸入功率的大部分可以經(jīng)一級(jí)變流器直接變送到負(fù)載端。很明顯，這種通過減小功率處理數(shù)量的方法，可以有效地提高整個(gè)變流器的工作效率。新的PFC電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示，該拓?fù)渑c任何現(xiàn)有的PFC電路不同之處在于，它能同時(shí)實(shí)現(xiàn)兩種類型的功率轉(zhuǎn)換，即反激式功率轉(zhuǎn)換和升壓式功率轉(zhuǎn)換。在本文中，從原來的升壓電感變換得來的變壓器被稱之為“反激升壓式”變壓器，其工作原理分析如下。

新的概念允許大部分的輸入功率僅處理一次，很少的輸入功率才處理兩次。同時(shí)，依然可以實(shí)現(xiàn)較高的功率因數(shù)和較嚴(yán)格的輸出調(diào)節(jié)。這個(gè)概念提供了一種比傳統(tǒng)方法具有更大效率和更高額定功率的S2轉(zhuǎn)換器的新途徑。對(duì)于這種功率轉(zhuǎn)換方法，功率僅處理一次，在本文中被稱為直接功率轉(zhuǎn)換（（Direct Power Transfer，簡(jiǎn)稱DPT)，能夠提高效率的功率處理的直接功率轉(zhuǎn)換DPT一般概念，可以用如圖3的規(guī)范化形式表現(xiàn)。它說明了采用DPT方法的轉(zhuǎn)換器總是比相應(yīng)的沒有采用DPT方法的轉(zhuǎn)換器具有更高的效率。簡(jiǎn)單的說，是因?yàn)椴捎肈PT概念的轉(zhuǎn)換器與圖2的相比，滿足下面的不等式：kη1η2+(1-k)η2＞η1η2，這里k＜1，η1＜1，且η2＜1。

圖3 具有“直接功率轉(zhuǎn)換”(DPT)新概念的功率因數(shù)校正轉(zhuǎn)換流程圖Fig.3 DPT converter with power factor correction

現(xiàn)在的問題是如何用一個(gè)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)單的電路和簡(jiǎn)單的控制來實(shí)現(xiàn)直接功率轉(zhuǎn)換。有報(bào)告說，通過使用簡(jiǎn)單的反激式轉(zhuǎn)換器，能獲得高于85%的效率。但是，卻存在下列問題：

（1）大的低頻輸出干擾，特別是對(duì)于二倍于線性頻率的干擾，需要一個(gè)非常大尺寸的輸出濾波器，作為在其他S2轉(zhuǎn)換器中大容量存儲(chǔ)電容器的等效部分，在這里有電容器實(shí)際上是可以理解的。通常，對(duì)于處理半個(gè)周期之內(nèi)，輸入功率和輸出功率兩者之間低頻率功率不平衡的問題，大容量的電容器是必需的。

（2）功率變壓器的低利用率。原因是存在脈動(dòng)大功率轉(zhuǎn)換和大能量存儲(chǔ)的漏感；

（3）輸出電壓調(diào)節(jié)慢。因?yàn)榇嬖谳^大的輸出濾波器和低循環(huán)的交叉頻率；

（4）保持時(shí)間不能保證。由于在高電壓初級(jí)缺乏大容量的存儲(chǔ)電容。因此，需要設(shè)計(jì)一個(gè)復(fù)雜的電路來解決保持時(shí)間問題。但是，它不是一個(gè)優(yōu)化的解決方案。

眾所周知，在DCM操作之下，當(dāng)處于升壓狀態(tài)時(shí)，反激式轉(zhuǎn)換器可以自動(dòng)產(chǎn)生具有恒定占空比的統(tǒng)一的功率因數(shù)[6-8]。因此，最好還是保持具有反激或/和升壓功能的輸入電路。第二個(gè)可取的特點(diǎn)是讓輸入單元實(shí)施PDT，讓大部分輸入功率處理一次。但與此同時(shí)，為了獲得精密的輸出調(diào)節(jié)，我們必須保留傳統(tǒng)AC-DC轉(zhuǎn)換器的DC-DC電路功能。進(jìn)一步，在獲得高的功率因數(shù)和精密的輸出調(diào)節(jié)的同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的控制，最好保持輸入電路工作在DCM狀態(tài)下。第二級(jí)DC-DC電路，依據(jù)DC總線電壓和功率水平，可以工作在DCM或CCM狀態(tài)下。

事實(shí)上，為了達(dá)到功率因數(shù)校正和DC/DC電壓調(diào)節(jié)這二個(gè)目的，并不需要對(duì)由兩級(jí)電路整個(gè)輸入功率進(jìn)行處理。根據(jù)電路分析和功率流向，輸入功率的一部分可以經(jīng)一級(jí)變流器直接饋送到負(fù)載端。顯然，通過使功率處理次數(shù)量小化的方法，可以有效地改善變流器的工作效率，如圖5所示。

圖4 功率處理次數(shù)最小化的改進(jìn)型功率因數(shù)校正AC/DC變流器(a)(b)Fig.4 AC/DC converters improved with power factor correction

圖5顯示了另外一種新的PFC電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。與任何現(xiàn)有的PFC電路不同，這種PFC電路能同時(shí)實(shí)現(xiàn)兩種類型的功率轉(zhuǎn)換，即：反激式功率轉(zhuǎn)換和升壓式功率轉(zhuǎn)換。在本論文中，從原來的升壓電感修改來的變壓器被稱之為“反激升壓式”變壓器。這個(gè)合成詞能準(zhǔn)確的表示它的新功能。與目前已知的，如升壓，SEPIC，降壓-升壓，Cuk和降壓等PFC電路相類似，其工作原理討論如下。

圖5 作為一般PFC電路的開關(guān)變流器電路結(jié)構(gòu)Fig.5 Circuit diagram of switched converters as normal PFC circuit

根據(jù)“反激升壓式”變壓器T1的工作情況，本文提出的 PFC電路在一個(gè)線性周期內(nèi)以兩種不同的方式工作，如圖5所示?，F(xiàn)就這兩種工作模式討論如下：

（1）反激模式：當(dāng)vin(t) ＜VDC,bus-n1×Vo,(n1:T1的變壓比)，T1作為反激變壓器工作。當(dāng)主開關(guān)S閉合時(shí)，T1被整流線性電壓線性地充電。當(dāng)S是斷開時(shí)，T1放電，將存儲(chǔ)的磁化功率輸出。所以，T1在主開關(guān)閉合期間存儲(chǔ)的磁化功率直接轉(zhuǎn)換到輸出端。這部分功率僅被處理了處理一次。

（2）升壓模式：當(dāng)vin(t)＞=VDC,bus-n1×Vo，T1作為升壓電感工作。當(dāng)S閉合時(shí)，T1被整流的線性電壓充電。當(dāng)S斷開時(shí)，T1放電，將存儲(chǔ)的磁化功率輸出給DC總線電容器。儲(chǔ)存在直流總線電容中的功率將被DC/DC轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換輸出。這部分功率被處理兩次。

圖6 “反激升壓式”PFC電路在一個(gè)線性頻率周期內(nèi)的工作模式Fig.6 Working mode of PFC converter

根據(jù)上述討論，反激升壓式電路集成了反激式和升壓式PFC電路的功能，而且，本文提出的“反激升壓式” PFC電路在同一個(gè)周期的不同間隔，象升壓式或反激式PFC電路一樣工作。因此，高功率因數(shù)可以通過DCM反激式PFC電路和DCM升壓PFC電路實(shí)現(xiàn)，高功率因數(shù)也能期望通過反激升壓式”PFC電路實(shí)現(xiàn)。具有DC / DC轉(zhuǎn)換單元，精密輸出調(diào)節(jié)的集成反激升壓式 PFC電路見被實(shí)現(xiàn)。此外，反激升壓式 PFC電路還具有的以下獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：

（1）直接功率轉(zhuǎn)換：在反激模式下，所有輸入功率通過變壓器T1直接傳遞給負(fù)載。這部分功率僅被處理一次。這意味著在功率器件上具有更低的電流應(yīng)力和更高的功率效率。

（2）直流總線電壓自動(dòng)限制：只有當(dāng)整流輸入電壓高于（VDC,bus-n1×Vo）時(shí)，直流總線電容器才由輸入功率充電。對(duì)于DC總線電容器來說，DC總線電壓越高，DC總線電容器充電越少。而且，與[1,6]中其他S2 PFC轉(zhuǎn)換器比較，在任何負(fù)載情況下，最大的直流總線電壓將被限制在（Vin,peak+n1×Vo)以下。這意味著，在輕負(fù)載，不高的直流總線電壓情況下，采用flyboost電路的S2 PFC轉(zhuǎn)換器可以工作在DCM + DCM模式或DCM + CCM模式。因此，和其他不能工作在DCM+ CCM方式下眾所周知的S2轉(zhuǎn)換器比較，本文提出的PFC電路，尤其更加適合于具有高功率處理能力的通用電壓適配器。

3 一類改進(jìn)型反激升壓式功率因數(shù)校正轉(zhuǎn)換器拓?fù)?/h2>

在反激升壓式PFC電路和典型的DC/DC電路基礎(chǔ)上，派生出的S2轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖7所示。圖7給出了一些通過修改現(xiàn)有的S2拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)獲得的樣本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。為了簡(jiǎn)單明了，我們不描繪輸入EMI濾波器，單開關(guān)反激式和前向轉(zhuǎn)換器部分的復(fù)位和鉗位電路?；旧?，反激升壓式 PFC電路融合了傳統(tǒng)反激式和升壓式電路的特點(diǎn)。因此，相對(duì)于其它已知的S2轉(zhuǎn)換器而言，在圖7提出的轉(zhuǎn)換器具有以下潛在優(yōu)點(diǎn)：

（1）高功率因數(shù)，由于反激式和升壓轉(zhuǎn)換器的固有特性；（2）高效率，因?yàn)榇蟛糠州斎牍β手惶幚硪淮?；?）中間直流總線電壓自動(dòng)受限在輸入電壓的峰值和反激升壓式變壓器的變壓比決定的范圍內(nèi)；（4）具有輸入浪涌電流保護(hù)，因?yàn)榉醇な胶蜕龎菏睫D(zhuǎn)換器特點(diǎn)的原因；（5）簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)，由于只用了一個(gè)電源開關(guān)和一個(gè)控制器，并保留相同數(shù)量的磁性元件；（6）具有更高的功率處理能力，由于在轉(zhuǎn)換器中采用多通道的功率轉(zhuǎn)換，升壓、反激式、正激式;（7）更好地利用了磁場(chǎng)，由于采用了多了通道功率轉(zhuǎn)化模式。

如其他的PFC電路一樣，如升壓，SEPIC，降壓-升壓和Cuk電路。如圖 6所示的反激升壓式PFC電路可以用來取代現(xiàn)有的任何拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的S2 PFC電路。而且，一系列新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以從如圖1所示的一般的功能結(jié)構(gòu)派生出來。顯而易見，使用反激升壓式電路類似的推導(dǎo)可以應(yīng)用到任何現(xiàn)有的兩級(jí)拓?fù)渲?。因此，一系列兩?jí)的拓?fù)淇梢酝ㄟ^如圖2所示的一般的結(jié)構(gòu)圖實(shí)現(xiàn)。這項(xiàng)研究在這里僅僅集中在S2轉(zhuǎn)換器中。

圖7 一類改進(jìn)型反激升壓式功率因數(shù)校正變流器拓?fù)銯ig.7 Reforming of PFC converter with power factor correction

圖7在反激升壓式PFC電路和典型的DC/DC電路基礎(chǔ)上，派生出的S2轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的新系列：（a）反激升壓式 PFC +反激式DC /DC （b）反激升壓式 PFC +正激式DC / DC，（c）反激升壓式 PFC +雙開關(guān)反激式DC/DC，（d）反激升壓式PFC + 前激式DC / DC，（e）反激升壓式 PFC +半橋式DC/ DC，（f）反激升壓式PFC +串聯(lián)/并聯(lián)反激式

基本上，反激升壓式 PFC電路融合了傳統(tǒng)反激式和升壓式電路的特點(diǎn)。因此，相對(duì)于其他已知的S2轉(zhuǎn)換器而言，在圖8提出的轉(zhuǎn)換器具有以下潛在優(yōu)點(diǎn)：

（1）高功率因數(shù)，由于反激式和升壓轉(zhuǎn)換器的固有特性；

（2）高效率，因?yàn)榇蟛糠州斎牍β手惶幚硪淮危?/p>

（3）中間直流總線電壓自動(dòng)受限在輸入電壓的峰值和反激升壓式變壓器的變壓比決定的范圍內(nèi)；

（4）具有相對(duì)較低的電壓應(yīng)力功率MOSFET管和由于可控的直流總線電壓轉(zhuǎn)換器被使用的巨大容量的電容器；

（5）具有輸入浪涌電流保護(hù)，因?yàn)榉醇な胶蜕龎菏睫D(zhuǎn)換器特點(diǎn)的原因；

（6）簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)，由于只用了一個(gè)電源開關(guān)和一個(gè)控制器，并保留相同數(shù)量的磁性元件；

（7）具有更高的功率處理能力，由于在轉(zhuǎn)換器中采用多通道的功率轉(zhuǎn)換，升壓，反激式和正激式；

（8）不同于其他S2采用反激式電路結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換器，通過存儲(chǔ)在巨大容量電容器C1 /C2中的能量，本文介紹的轉(zhuǎn)換器的保持時(shí)間可以保證；

（9）更好地利用了磁場(chǎng)，由于采用了多了通道功率轉(zhuǎn)化模式。

4 功率因數(shù)校正轉(zhuǎn)換器優(yōu)化設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)

在圖7所示的樣板轉(zhuǎn)換器中，一個(gè)簡(jiǎn)單的稱為DCM + DCM操作的電壓模式控制策略被使用。根據(jù)本文提出的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，現(xiàn)對(duì)相關(guān)的設(shè)計(jì)考慮的討論如下：

(1) 控制

同其他常規(guī)的DC/DC轉(zhuǎn)換器一樣，采用一個(gè)快速穩(wěn)定的電壓控制回路，通過監(jiān)測(cè)輸出電壓和需要時(shí)予以校正來保證輸出電壓穩(wěn)定。當(dāng)然，電流模式控制（或固定頻率或可變頻率）也是適用。但是，這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將復(fù)雜化電流模式控制策略，因?yàn)閮?nèi)部電流控制環(huán)必須根據(jù)DC/DC電路中的電流流動(dòng)，而電流流動(dòng)在反激升壓式電路的次級(jí)中。事實(shí)上，電流主要是歸功于負(fù)載。我們不能接受僅僅測(cè)出與輸出沒有直接的關(guān)系的開關(guān)電流。由于脈動(dòng)的反激升壓式次級(jí)電流，平均開關(guān)電流模式（ASCM）控制能滿足這一應(yīng)用。很直觀，電流模式控制的優(yōu)點(diǎn)是減少低頻紋波輸出，提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

（2）元器件強(qiáng)度

由于最大的中間直流總線電壓鉗位在(Vin,max(ωt)+Vo/n1)，根據(jù)最大直流總線電壓Vcs,max，初級(jí)元器件的耐壓值應(yīng)該考慮具有一定的安全系數(shù)（比如1.2～1.5）。這一點(diǎn)對(duì)于低成本和高效率的設(shè)計(jì)來說是非常重要的。因?yàn)檩^低的耐壓值意味著較低的花費(fèi)、較低的配電和較低的傳導(dǎo)損失。

(3）正向電路的簡(jiǎn)化磁性設(shè)計(jì)

DC/DC正向變壓器的消磁電壓被鉗制在Vcs，這意味著磁約束要求的最大占空比必須低于0.5。

其他設(shè)計(jì)上的考慮應(yīng)遵循常規(guī)的正向變壓器的設(shè)計(jì)過程。我們必須認(rèn)識(shí)到，將納入設(shè)計(jì)考慮的負(fù)載不是轉(zhuǎn)換器供電的整個(gè)負(fù)載，它只是輸出負(fù)載的一部分，這里叫著正向負(fù)載，通過DPT方式被反激升壓式電路供電的其余部分的負(fù)載，叫著反向負(fù)載，這兩個(gè)負(fù)載的和就是整個(gè)負(fù)載RL。RL的數(shù)量主要取決于設(shè)計(jì)方案，需要多大比例的負(fù)載通過直接功率轉(zhuǎn)換DPT轉(zhuǎn)換和多大的功率處理兩次，以保證輸出精密調(diào)節(jié)。

對(duì)于上述某些負(fù)載（比如半載），取CCM工作模式。將受到下面的限制。濾波電感和最大的占空比應(yīng)分別滿足：

其中Dforward代表一定條件下的占空比如負(fù)載Rforward，直流總線電壓Vcs，等。并且Vcs,min是最小的直流總線電壓。

變壓器的初級(jí)和次級(jí)圈數(shù)由下式確定：

(4）反激升壓式電路的簡(jiǎn)化磁設(shè)計(jì)

在具體的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，最具挑戰(zhàn)性的設(shè)計(jì)是反激升壓式變壓器。事實(shí)上，這里變壓器執(zhí)行兩種類型的功率轉(zhuǎn)換，即反激式和升壓式。理想情況下，主要功率是通過具有DPT方式的反激勵(lì)模式轉(zhuǎn)換的。因此，我們可以認(rèn)為，傳統(tǒng)的反激式操作在反激升壓式電路的工作中占主導(dǎo)地位。為了簡(jiǎn)單起見，我們可以認(rèn)為一個(gè)等效flyback變壓器將全部功率從輸入端轉(zhuǎn)換，包括升壓工作模式轉(zhuǎn)換的功率。以下是簡(jiǎn)化的設(shè)計(jì)步驟：

（1）首先，對(duì)于DCM方式工作的flyback變壓器（電感器），以防止磁通量流失，磁復(fù)位問題必須考慮到，伏秒平衡必須遵循的：

這里，Vo表示輸出電壓，n1表示反激升壓式變壓器的變壓比，Dmax是設(shè)計(jì)的最高的占空比（小于0.5），這決定于DC/DC正向控制器，相應(yīng)的最低交流輸入電壓為Vin,min。

(2）考慮輸入和輸出之間的功率平衡，也要采用準(zhǔn)靜態(tài)的原則，交流輸入電壓由一個(gè)具有和交流電壓有效值相同數(shù)值的等效直流電壓代替。Flyboost變壓器初級(jí)的峰值電流可以大致由下式確定：

其中，η是從輸入到輸出轉(zhuǎn)換器的效率，Po是平均輸出功率。

（3）在初級(jí)的等效電感可以大致確定如下：

（4）電容器和電感器

初級(jí)的輸出電容器由輸出紋波要求決定，輸出電感器決定于輸出紋波，同時(shí)要考慮是否采用CCM或DCM操作方式。兩個(gè)大容量電容器的設(shè)計(jì)，以滿足保持時(shí)間的要求。

（5）高效率設(shè)計(jì)考慮

為了實(shí)現(xiàn)高效率，在滿足保持時(shí)間和嚴(yán)格調(diào)節(jié)要求的同時(shí)，允許更多的輸入功率通過具有DPT方式的反激升壓式達(dá)到輸出端。同時(shí)，占空比的設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能大。

（6）工作在寬線電壓范圍

制作成一個(gè)基于圖8所示的樣本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的原型，主要設(shè)計(jì)規(guī)范給出如下：

·輸入電壓：85～265VAC

·輸出電壓：28VDC

·輸出功率：150W

·開關(guān)頻率：100KHZ

圖8 實(shí)驗(yàn)電路模塊Fig.8 Experiment circuit of converter

用一個(gè)流行的基準(zhǔn)和控制芯片TL431實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。除了上述實(shí)驗(yàn)條件，以下實(shí)驗(yàn)條件也要應(yīng)用：

（1）主要的設(shè)計(jì)電路參數(shù)是L1=90uH,Lo=15uH,n1=0.242,n2=0.333,Cs1=Cs2=220uF

（2）當(dāng)計(jì)算效率時(shí)，所有損耗要計(jì)算在內(nèi)

（3）為便于比較，在滿負(fù)荷、150W的輸出功率情況下完成測(cè)量。

在通常輸入情況下，測(cè)量的功率因數(shù)如圖11（a）所示。與圖11（b）相比，可以看到，圖11（c）中新修改的轉(zhuǎn)換器極大地提高功率因數(shù)。在通常輸入情況下，功率因數(shù)達(dá)到0.97以上。對(duì)于如圖所示11（a）所示的俄羅斯拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[9]-[10]來說，它雖然可以獲得高功率因數(shù)，但是在通常的輸入情況下它不能工作。圖11（b）顯示了在滿載,150W輸出條件下，不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)效率比較。請(qǐng)注意，在計(jì)算效率時(shí)所有損失都被計(jì)算在內(nèi)?？梢钥闯觯哂懈倪M(jìn)型反激升壓式功率因數(shù)校正變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)效率最高，俄羅斯拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)排第二。圖11（c）顯示了在滿負(fù)載情況下，幾個(gè)類似的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)DC總線電壓比較。很明顯，圖11（b）的傳統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有最低的DC總線電壓，但其電壓變化范圍在130V左右是可以與改進(jìn)型反激升壓式功率因數(shù)校正變流器拓?fù)涞碾娐繁容^的。俄羅斯的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在總線電壓超過150伏時(shí)有過份的總線電壓。因此，它在通常的輸入應(yīng)用時(shí)不切實(shí)際。

圖9 傳統(tǒng)和工作在DCM+ DCM模式下新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)曲線比較Fig.9 Topology experiment data of DCM+DCM mode converter

5 結(jié)論

本文提出了一種新型功率因數(shù)校正（PFC）電路，系統(tǒng)深入分析了單級(jí)與雙級(jí)功率因數(shù)校正AC/ DC變流器的性能特征，指出各自存在的優(yōu)缺點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上,結(jié)合軟開關(guān)技術(shù)的特點(diǎn),提出了一種基于集成化設(shè)計(jì)的功率因數(shù)校正AC/DC開關(guān)變流器電路，此類變流器克服了傳統(tǒng)單級(jí)及雙級(jí)變流器存在的不足，具有直接功率轉(zhuǎn)換概念的新型功率因數(shù)校正電路，它綜合傳統(tǒng)反激式升壓轉(zhuǎn)換器的功率傳輸特性，具有高效、高功率因數(shù)和成本低的特點(diǎn)。文中最后給出了電路實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)換器用一個(gè)150W/28V的電路模塊進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。改進(jìn)型PFC電路能顯著地提高轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率，比傳統(tǒng)PFC電路轉(zhuǎn)換器的效率要高出5%。同時(shí)，它仍然能達(dá)到很高的高功率因數(shù)（0.97以上）和進(jìn)行精密的輸出調(diào)節(jié)。

該方案進(jìn)一步派生出了一系列改進(jìn)型反激升壓式功率因數(shù)校正變流器拓?fù)涞耐負(fù)浣Y(jié)構(gòu)。本文提出的PFC電路允許部分輸入功率直接轉(zhuǎn)換到輸出端，從而提高了效率，降低最大直流總線電壓。特別設(shè)計(jì)樣板的實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證本文提出的改進(jìn)型反激升壓式功率因數(shù)校正變流器拓?fù)潆娐饭ぷ髟怼?/p>

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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

【責(zé)任編輯：高潮】

2013-3-15

張紹鈞（1973-），男（漢），廣東東莞人，工程師，本科，主要研究方向：電子電器設(shè)計(jì)；E-mail:735641329@qq.com.