【文章內(nèi)容簡介】 頻控制時(shí)開關(guān)周期恒定，電感電流不連續(xù)。電感電流在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的平均值為 .(21) 圖 22 DCM 控制原理圖 式中 為整流后的電壓 ； 為功率開關(guān)管 S 的導(dǎo)通時(shí)間； 為二極管 VD的續(xù)流時(shí)間 ； 為開關(guān)周期。 式（ 21）中 恒定， DC/DC 變換器輸入側(cè)等效為阻性負(fù)載，整流器交流側(cè)電壓電流同相位。實(shí)際上， 在半個(gè)工頻周期內(nèi)并不恒定，導(dǎo)致輸入平均電流有一定程度的畸變。 輸出電壓與輸入電壓峰值的比值越大，輸入電流畸變程度越小。該方式下的電流 THD 可控制在 10%以內(nèi)。 L 負(fù)載 C R VD Vg Vi ~ Vo + E/A PWM S REFV 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 2． 變頻方式 式（ 21）中，若 ，則輸入平均電流只與導(dǎo)通時(shí)間有關(guān)，保持恒定，輸入電流理論上無畸變，這就是變頻控制原理。變頻控制方式下電流工作于臨界 DCM 狀態(tài)，集成控制器 UC3852 可實(shí)現(xiàn)上述功能 [11]。 當(dāng)占空比和開關(guān)頻率固定時(shí)，輸入電流的平均值正比于輸入電壓，因此不再需要電流控制環(huán)輸入電流的平均值就能自動跟蹤輸入電壓呈正弦波形。 DCM 控制方法的一個(gè)基本特點(diǎn)就是電感能量的完全傳輸，即在每一個(gè)開關(guān)周期中，轉(zhuǎn)換電感都必須把從電源中獲得的能量完全轉(zhuǎn) 移到蓄能電容 (輸出電容 )中去。 DCM 模式的輸入電流自動跟蹤電壓，功率管實(shí)現(xiàn)零電流開通，不承受二極管的反向恢復(fù)電流。但是由于變換器工作在不連續(xù)導(dǎo)電模式下，需要較大的輸入濾波器。開關(guān)不僅要導(dǎo)通較大的通態(tài)電流，而且將關(guān)斷更大的峰值電流并引起很大的關(guān)斷損耗，使開關(guān)的使用壽命降低，同時(shí)還會產(chǎn)生嚴(yán)重電磁干擾， DCM 模式可以采用恒頻控制、變頻控制、等面積控制等控制方法，這種工作模式的 APFC 一般功率小于 200W。 CCM 模式的電感電流連續(xù)，輸入電流紋波和輸出電流紋波小、 EMI 小，濾波器體積小，電流峰值比 DCM 模式要小，器件的應(yīng)力相對也更小。但是它的控制方法比較復(fù)雜，開關(guān)損耗較大，制作成本也比較高，通常需要使用乘法器，采用電流閉環(huán)控制，且開關(guān)管工作于變頻或 PWM 控制方法。這種工作模式一般適用于大功率、大電流的產(chǎn)品中。 有源功率因數(shù)校正技術(shù)的控制策略 按照測量控制輸入電流方法的不同， APFC 可以有多種控制策略，在電流連續(xù)情況下，經(jīng)典控制策略中又主要有三種基本的控制方式：峰值電流控制，滯環(huán)電流控制，和平均電流控制 [5][6]。 現(xiàn)以 Boost 型 PFC 電路為例來說明這三種控制方法的基本原理 [7][8]，假 設(shè)電路工作模式為 CCM（電感電流連續(xù)模式）。 （ 1）峰值電流控制 （ Peak Current Mode Control） 圖 23 是峰值電流控制模式 PFC 電路原理圖。其中功率管的開關(guān)周期恒定不變?yōu)?T。輸入電壓信號和輸出電壓的反饋信號相乘，形成一個(gè)與輸入電壓同頻同相的電流控制參考信號（基準(zhǔn)電流環(huán)信號）。功率管 S 導(dǎo)通，電感 L 充電時(shí)，電感電流的檢測信號和基準(zhǔn)電流環(huán)信號相比較，當(dāng)電感電流上升到基準(zhǔn)信號值時(shí)，觸發(fā)邏輯控制部分使功率管 S 關(guān)斷，電感開始放電，當(dāng)一個(gè)開關(guān)周期 T 結(jié)束時(shí)，功率管重新導(dǎo)通。圖 24 是在半個(gè)工頻周期內(nèi) ，功率開關(guān)管的控制波形和電感電流波形 的示意圖。 峰值電流控制法來實(shí)現(xiàn) Boost 型 PFC 電路時(shí)的最主要問題是 ： 被控制量是電東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 感電流的峰值，因此并不能保證電感電流即輸入電流平均值和輸入電壓完全成正比，并且在一定條件下會有相當(dāng)大的誤差，以至無法滿足 THD 很小的要求 ； 峰值電流對噪聲也很敏感 ；占空比大于 時(shí)產(chǎn)生次諧波振動；需要在比較器輸入加諧波補(bǔ)償 。因此在 PFC 電路中，這種控制方法 已經(jīng) 逐漸趨于淘汰。 峰值電流控制法來實(shí)現(xiàn) Boost 型 PFC 電路時(shí)的最主要問題是 ： 被控制量是電感電流的峰值，因此 并不能保證電感電流即輸入電流平均值和輸入電壓完全成正比，并且在一定條件下會有相當(dāng)大的誤差，以至無法滿足 THD 很小的要求 。 圖 23 峰值電流控制原理圖 負(fù)載 C R VD S Vi ~ Vo L 乘法器 邏輯 控制 電流比 較測量 諧 波 補(bǔ)償 誤 差 放 大 基準(zhǔn)電流 電感電流 基準(zhǔn) 輸入電 壓檢測 電感電 流檢測 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 圖 24 峰值法控制時(shí)電感電流波形 峰值電流控制法來實(shí)現(xiàn) Boost 型 PFC 電路時(shí)的最主要問題是 ： 被控制量是電感電流的峰值，因此并不能保證電感電流即輸入電流平均值和輸入電壓完全成正比，并且在一定條件下會有相當(dāng)大的誤差，以至無法滿足 THD 很小的要求 。 峰值電流對噪聲也很敏感 ；占空比大于 時(shí)產(chǎn)生次 諧波振動；需要在比較器輸入加諧波補(bǔ)償 。因此在 PFC 電路中，這種控制方法 已經(jīng) 逐漸趨于淘汰。 圖 25 滯環(huán)電流控制原理圖 圖 25 是滯環(huán)電流控制 方法 實(shí)現(xiàn) Boost 型 PFC 電路的原理圖和在半個(gè)工頻周下限 負(fù)載 C R VD S Vi ~ Vo L 乘法器 邏輯 控制 上、下限 比較測量 諧波 補(bǔ)償 誤差 放大 電感電流 基準(zhǔn) 輸入電 壓檢測 電感電 流檢測 上限 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 期內(nèi) ， 功率開關(guān)管 S 的控制波形和電感電流波形的示意圖。和峰值電流控制法不同的是，被控制量是電感電流的變化范圍。輸入電壓信號和輸出電壓的反饋信號相乘，形成兩個(gè)大小不同的與輸入電壓同頻同相的電流控制參考信號 ， 即 ： 上限基準(zhǔn)電流環(huán)信號和下限基準(zhǔn)電流環(huán)信號。電感電流的檢測信號需要和兩個(gè) 基準(zhǔn) 電流環(huán)信號相比較來產(chǎn)生對功率開關(guān)管的控制信號，其控制步驟為 ： 當(dāng)功率管 S 導(dǎo)通，電感 L 充電時(shí)，電感電流的檢測信號和上限基準(zhǔn)電流環(huán)信號相比較，當(dāng)電感電流上升到上限基準(zhǔn)信號值時(shí)，觸發(fā)邏輯控制部分使功率管 S 關(guān)斷，電感開始放電 ； 當(dāng)電感電流下降到下限基準(zhǔn)信號值時(shí)，觸發(fā)邏輯控制部分使功率管 S 導(dǎo)通，電感 L 重新充電。 這種控制模式下，功率管的導(dǎo)通時(shí)間是恒定的，而關(guān)斷時(shí)間是變化的，因此功率管的開關(guān)周期是變化的。圖 26 中實(shí)線為電感電流 ， 為上限電流基準(zhǔn)，為下限電流基準(zhǔn)。電流滯環(huán)的寬帶度決定了電流紋波的大小，它可以是固定值，也可以與瞬時(shí)平均電流成比例。 圖 26 滯環(huán)電流控制時(shí)電感電流波形圖 圖 26 滯環(huán)電流控制時(shí)電感電流波形圖 滯環(huán)電流控制法對 Boost 型 PFC 電路而言是一種較為簡單的控制方式，由于控制中沒有外加的調(diào)制信號，電流的反饋和調(diào)制集于一身，因而可以獲得很寬的電流頻帶寬度，電流動態(tài)響應(yīng)快，具有內(nèi)在的電流限制能力等優(yōu)點(diǎn)。它的主要缺點(diǎn)是 ： 負(fù)載對開關(guān)頻率影響很大，因此設(shè)計(jì)濾波器時(shí)，要按最低開關(guān)頻率考慮 不可能得到體積和重量最小 的設(shè)計(jì)； 滯環(huán)寬度對開關(guān)頻率和系統(tǒng)性能影響很大，需要合理選取 ； 當(dāng)輸入電源電壓近零時(shí)，兩個(gè)基準(zhǔn)信號的差值很小，由于比較器精度及延遲等因素，容易引起過零點(diǎn)電流死區(qū)問題，這一般需要對電路加以補(bǔ)償來解決。 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 （ 3）平均電流控制 平均電流控制模式 PFC 電路原理圖 27 所示，平均電流控制在功率因數(shù)校 正中應(yīng)用最為廣泛，其輸入電感電流波形如圖 28 所示。它把輸入整流電壓和輸出電壓誤差放大信號的乘積作為基準(zhǔn)電流，并且電流環(huán)調(diào)節(jié)輸入電流平均值，使其與輸入整流電壓同 相 位，并接近正弦波形。輸入電流被直接檢測，與基準(zhǔn)電流比較后，其高頻分 量的變化，通過電流誤差放大器被平均化處理。放大后的平均電流誤差與鋸齒波斜坡比較后，給開關(guān)管驅(qū)動信號，并決定了其應(yīng)有的占空比，于是電流誤差被迅速而精確地校正。 平均電流控制的特點(diǎn)是被控制量是輸入電流的平均值，因此 THD 和 EMI 都很小 ； 對噪聲不敏感 ； 電感電流的峰值與平均值之間誤差很小 ； 原則上可以檢測任意拓?fù)?、任意支路的電?； 可以工作在 CCM 或 DCM 模式 ； 并且開關(guān)頻率是固定的，適用于大功率的場合，是目前 PFC 中應(yīng)用最多的一種控制方式 。 圖 27 平均電流控制原理圖 V L 乘法器 + + Vref CA C R S Vi ~ Vo 振蕩器 R S Q 負(fù)載 信號比較器 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 圖 28 平均電流法控制時(shí)的電感電流波形 平均電流控制的特點(diǎn)是被控制量是輸入電流的平均值，因此 THD 和 EMI 都很小 ； 對噪聲不敏感 ； 電感電流的峰值與平均值之間誤差很小 ； 原則上可以檢測任意拓?fù)?、任意支路的電?； 可以工作在 CCM 或 DCM 模式 ； 并且開關(guān)頻率是固定的，適用于大功率的場合，是目前 PFC 中應(yīng)用最多的一種控制方式 。 表 21 為這三種控制方法的基本特點(diǎn)，通過對比三種控制方式的優(yōu)缺點(diǎn)來選擇合適的控制方式。 表 21 三種常用 PFC 控制方法 控制方法 檢測電流 開關(guān)頻率 工作模式 對噪聲 使用拓 撲 注 電流峰值 開關(guān)電流 恒定 CCM 敏感 Boost 需斜率補(bǔ)償 電流滯環(huán) 電感電流 變頻 CCM 敏感 Boost 需邏輯補(bǔ)償 平均電流 電感電流 恒定 任意 不敏感 任意 需電流誤放大 本章小結(jié) 本章首先分析了有源功率因數(shù)校正技術(shù)的基本原理，然后在比較 APFC 電路幾種不 同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作模式特點(diǎn)，同時(shí)對 有源功率因數(shù)校正技術(shù)的 控制策略 作了詳盡的介紹。 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 第 3 章 有源功率因數(shù)校正電路的設(shè)計(jì) 有源功率因數(shù) 電路的選擇 Boost 型 APFC 電路的輸入電流必須被強(qiáng)制或調(diào)節(jié)到同輸入電壓成正比，需要反饋信號來控制輸入電流，可采用峰值電流型控制，滯環(huán)電流型控制和平均電流型控制。峰值電流型控制有一個(gè)低增益、寬頻帶的電流環(huán)，其通常不適于高性能的 APFC，因?yàn)樵谡{(diào)節(jié)信號和電流之間存在嚴(yán)重誤差，這將產(chǎn)生畸變和低功率因數(shù)；滯環(huán)電流控制由于負(fù)載大小對開關(guān)頻率影響很大，無法得到體積和重量最小的設(shè)計(jì)；而平均電流型控制則在圍繞升壓功率級的反饋環(huán)路中用一個(gè)放大器使輸入電流以極小的誤差跟蹤調(diào)節(jié)信號，達(dá)到高功率因數(shù)，同時(shí)相對比較容易控制，而且定頻電流控制，穩(wěn)定性高 、失真小，對于中、大功率開關(guān)電源比較適合。本章首先來分析平均電流控制 Boost 型 APFC 電路的工作原理，然后在此基礎(chǔ)上對其進(jìn)行小信號建模。 相比較而言，升壓式 APFC 具有功率因數(shù)高，電流波形失真小，輸出電壓高等顯著優(yōu)點(diǎn)，因此，功率因數(shù)校正電路選擇升壓型主電路。 根據(jù)第二章中關(guān)于 APFC控制方式的介紹，結(jié)合各自的優(yōu)缺點(diǎn)，我們選擇 CCM控制模式下的平均電流控制方案，并基于集成芯片 UC3854設(shè)計(jì)起參數(shù)和建立仿真模型。 UC3854是美國 Unitrode公司開發(fā)的基于平均電流的 Boost型 APFC控制 IC，具有帶寬高，輸入電流跟蹤能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn) 。 APFC電路同時(shí)具有整流和穩(wěn)壓功能，即整流要求輸入功率因數(shù)為 1， 穩(wěn)壓要求輸出電壓穩(wěn)定。為此， PFC電路必須同時(shí)引入電壓和電流反饋構(gòu)成一個(gè)雙環(huán)控制系統(tǒng)，外環(huán)實(shí)現(xiàn)輸出電壓穩(wěn)定，內(nèi)環(huán)實(shí)現(xiàn)輸入電流整形，使之成為與輸入電壓同相位的標(biāo)準(zhǔn)正弦波。 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 現(xiàn)介紹 Boost型功率因數(shù)校正電路的基本原理 [9]。圖 31所示為一個(gè) Boost有源功率因數(shù)校正器的原理圖。主電路由單相橋式整流器和 DC/DC變換器組成，控制電路包括基準(zhǔn)電壓 refV 及電壓誤差放大器 VA、 乘法器 M、 電流誤差放大器 CA、 脈寬調(diào)制器和驅(qū)動器等組成，負(fù)載可以是一個(gè)開關(guān)電源。 Boost 型 APFC 的工作原理如下：主電路的輸出電壓與基準(zhǔn)電壓值比較后，輸入給電壓誤差放大器，電壓誤差放大器的輸出和整流后的輸入電壓共同加到乘法器中，乘法器的輸出作為電流反饋控制的基準(zhǔn)值，與檢測到的輸入電流信號進(jìn)行比較后，輸入到電流誤差放大器并加到 PWM 及驅(qū)動器，來控制開關(guān) S 的通斷，從而使輸入電流 （ 即 電感電流 ） 與整流輸入電壓波形基本同相，使電流諧波大為減少，提高了輸入端