具有电压跟随特性的交错式电流馈电PFC反激变换器：实现高效率单级AC-DC功率因数校正的新方案

《IEEE Open Journal of Power Electronics》：An Interleaved Current-Fed PFC Flyback Converter with Voltage Follower Characteristic

本刊推荐一项关于单级AC-DC功率变换器的创新研究。针对传统两级PFC(功率因数校正)系统复杂度高、效率低的问题，研究人员提出了一种基于脉冲频率调制(PFM)的交错式电流馈电反激变换器(IFC-PFM PFC)。该拓扑集成了开关单元(SC)和耦合电感，实现了宽频率范围内的软开关、低输入电流纹波和零电压过渡(ZVT)。实验结果表明，在127V RMS输入、400V/350W输出条件下，峰值效率达95.1%，功率因数(PF)接近1，总谐波失真(THD)低至5.4%。该方案仅需单电压反馈控制，简化了系统设计，为中等功率隔离型PFC应用提供了高效解决方案。

　　

随着电气化进程的加速和直流负载的日益普及，AC-DC变换器已成为连接交流电网与直流供电设备的关键接口，广泛应用于适配器、充电器以及数据中心、通信系统、电机驱动、电动汽车等工业领域。然而，大量电力电子设备接入电网带来了严峻挑战：电压畸变、功率损耗、低功率因数、电磁干扰等问题不仅影响电网质量，还会导致发电设备、变压器等基础设施的性能退化。国际电工委员会IEC61000-3-2标准明确规定，75W以上的转换器必须限制谐波失真，这促使研究人员不断探索更高效的功率因数校正技术。

传统解决方案主要分为两级式和单级式PFC转换器。两级结构虽然性能优异，但存在元件数量多、成本高、效率低的缺点；而单级结构虽然简化了设计，却常常面临开关损耗大、电压应力高、输出纹波大等挑战。其中，反激变换器因其结构简单、具备电气隔离能力而备受青睐，但其固有的硬开关特性限制了在高效应用中的推广。

为解决这些难题，巴西联邦技术大学-巴拉那分校的研究团队在《IEEE Open Journal of Power Electronics》上发表了一项创新研究，提出了一种具有电压跟随特性的交错式电流馈电PFC反激变换器。该拓扑通过巧妙的电路设计，实现了软开关操作、低输入电流纹波和简化的控制策略，为中等功率AC-DC变换提供了一种新颖而高效的解决方案。

研究人员采用了几项关键技术方法：首先，基于开关单元(SC)的拓扑结构确保开关在固定占空比0.5、180°相位差下工作；其次，脉冲频率调制(PFM)策略通过调节开关频率来控制输出功率；第三，采用耦合电感设计实现电气隔离和电压增益调节；第四，使用RCD缓冲电路限制开关电压尖峰；最后，通过数字信号处理器(DSP)实现仅需单个电压传感器的简化控制方案。

II. proposed topology

提出的拓扑结构创新性地将开关单元与交错式反激架构相结合。如图1所示，该转换器包含整流桥、输入电感L、两个开关S₁和S₂、缓冲电路以及具有四个绕组的耦合变压器T₁。次级侧采用两个输出二极管D_o1和D_o2及相应的滤波电容，支持串联或并联输出配置。拓扑的独特之处在于利用磁化电感L_MAG实现软开关和电压跟随特性，同时仅需两个开关管即可控制多个交错反激单元。

III. principle of operation

工作原理分析揭示了转换器的四个拓扑状态（图3）。在开关周期内，S₁和S₂以180°相位差交替导通，磁化电感在能量存储和释放阶段之间切换。关键发现是二极管实现零电流开关(ZCS)自然关断，避免了反向恢复损耗，而开关管在零电压条件下完成转换。稳态分析得出输出电压与输入电压的关系式V_o1=V_o2=n·v_G/(1-δ)，其中δ为有效占空比。更重要的是，输入电流分析表明I_L=v_G/(L_MAG·f_s)，证实了转换器具有电阻性输入行为和电压跟随特性。

IV. control strategy

控制策略的简化是该设计的突出优势。如图6所示，系统仅需单个输出电压反馈环，通过PI控制器动态调整开关周期，维持固定的0.5占空比和180°相位差。小信号模型分析得出传递函数G_v(s)，为控制器设计提供理论基础。这种简化控制不仅降低了数字信号处理器的计算负担，还减少了硬件复杂性和成本。

VI. experimental results

实验验证采用350W原型机，输入127V RMS/60Hz，输出400V，开关频率69kHz。图8显示输入电流与电压保持良好同相，功率因数达0.998。图9展示零交叉失真情况，在满负载时失真角约7°，轻负载时增至13°，与理论分析一致。图10的谐波分析表明，该转换器完全满足IEC61000-3-2标准要求。

开关和二极管波形测量（图11）证实了软开关特性：S₁在零电压条件下导通，电压应力为输出电压加上约30%的尖峰（由RCD缓冲器限制）；二极管D_o1实现自然关断，反向阻断电压在V_o和V_o/2间交替。输出纹波电压仅15V（3.75%），证明滤波效果良好。图12显示在160kHz开关频率下（对应120W输出），转换器仍保持优异的软开关性能。

动态性能测试（图13）显示，负载在250W与350W间阶跃变化时，控制系统能在数个电网周期内稳定输出电压，过冲和欠冲约14V。效率评估（图15）表明，额定功率下峰值效率达95.1%，功率因数0.998，THD为5.4%。随着功率降低，THD增加而PF下降，但转换器仍保持良好性能。损耗分析（表2、图14）显示半导体器件占总损耗57.1%，RCD缓冲器贡献12.1%，磁件损耗约26.4%。

与现有拓扑的对比分析（表3）突显了本设计的优势：仅需2个开关、1个电感和1个变压器即可实现隔离、高电压增益和优异性能，元件数量显著少于传统方案；仅需单个电压传感器，简化了控制；输入电流纹波频率为2f_s，高于常规设计的f_s；在69kHz中等开关频率下实现了与更高频率方案相当的效率表现。

这项研究通过创新的拓扑设计和控制策略，成功解决了单级PFC转换器在效率、复杂度和成本间的平衡难题。该转换器具备电压跟随特性、软开关操作、低谐波失真和简化控制等优势，为中等功率隔离型AC-DC应用提供了一种极具竞争力的解决方案。虽然频率调制策略在某些应用中可能被视为限制，但在该设计中，其在高频低电流应力条件下的良好表现证明了实用价值。未来工作可进一步优化缓冲电路以减少损耗，探索更高功率等级的应用，以及研究在宽输入电压范围内的适应性。