【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 3 PFC變換器及其控制方法 3 PFC變換器及其控制方法 PFC控制方法隨著PFC技術(shù)應(yīng)用的普及，PFC電路拓?fù)淙諠u成熟。對(duì)于PFC控制系統(tǒng)與控制策略的研究目前仍然十分活躍，這從側(cè)面反映出該領(lǐng)域仍有許多問題尚待解決。PFC技術(shù)的每一種控制策略都有其優(yōu)缺點(diǎn)，下面將總結(jié)PFC技術(shù)的控制策略，對(duì)比分析幾種典型控制策略的優(yōu)缺點(diǎn)，并指出PFC控制技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。PFC的控制策略按照輸入電感電流是否連續(xù)，可分為電流斷續(xù)模式（Discontinuous Control Mode，DCM）和電流連續(xù)模式（Continuous Control Mode，CCM），以及介于兩者之間的臨界DCM模式（Boundary Conduction Mode，BCM）。有的電路還根據(jù)負(fù)載功率的大小，使得變換器在DCM和CCM模式之間轉(zhuǎn)換，稱為混連模式（Mixed Conduction Mode，MCM）。實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正（PFC）通常采用無源和有源兩種控制方式。無源控制方式由電感和電容構(gòu)成，特點(diǎn)是簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)，但很難實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)，所以應(yīng)用在系統(tǒng)功率較小或?qū)β室驍?shù)要求不太嚴(yán)格的場(chǎng)合；而有源控制方式很容易實(shí)現(xiàn)接近1的功率因數(shù)，所以應(yīng)用在系統(tǒng)功率較大和對(duì)功率因數(shù)要求很高的場(chǎng)合。有源功率因數(shù)校正與其它轉(zhuǎn)換式電源一樣，是通過脈寬調(diào)制來實(shí)現(xiàn)的。單相APFC電路可以采用多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，如升壓、降壓等。升壓電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制器容易實(shí)現(xiàn)；且輸入電流連續(xù)，傳導(dǎo)噪聲較小。因此通常采用升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)建單相APFC。其結(jié)構(gòu)通常是在橋式整流之后增加一個(gè)升壓電路。通過功率開關(guān)元件的開關(guān)作用，使輸入的電流變成與電網(wǎng)電壓幾乎完全同相的正弦波，電流畸變率降到5％以下。有源功率因數(shù)校正中， 按輸入電流的工作模式又可分為CCM模式和DCM模式；按拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可分為兩級(jí)模式和單級(jí)模式。在CCM模式下常用的控制方法有峰值電控制、滯環(huán)電流型控制和平均電流型控制三種。平均電流型控制以整流器輸出電壓和電壓環(huán)的誤差放大電分量在電流誤差放大環(huán)節(jié)被平均化處理。放大的平均電流誤差與一定振幅的鋸齒波比較后，決定了功率開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比。于是，電流環(huán)調(diào)整輸入電流的平均值，使與整流器輸入電壓同相位，并且為正弦波。電壓環(huán)的控制使升壓電路的輸出電壓恒定，對(duì)后級(jí)起到預(yù)穩(wěn)壓的作用。在平均電流型控制模式下，工頻輸入電流的瞬時(shí)值是高頻電流的平均值。由于電流誤差放大器的存在，電感電流峰值和平均值的誤差很小，這個(gè)平均值和輸入電壓的關(guān)系是線性的，因此容易獲得良好的諧波抑制效果。而且，由于誤差電壓是和一個(gè)較大振幅的鋸齒波相比較，提高了系統(tǒng)的噪聲容限。即使在極低的負(fù)載時(shí)，電路工作在DCM模式，電流誤差放大器較高的增益也能使占空比在大范圍內(nèi)變化，保持電感平均電流和輸入電源電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系。為了限制電流波形畸變和諧波，使電磁環(huán)境更加干凈， 國(guó)內(nèi)外都制定了限制電流諧波的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)， 如IEC555－2，IEEC519等。采用現(xiàn)代高頻功率變換技術(shù)的功率因數(shù)校正(PFC)技術(shù)是解決諧波污染最有效的手段。為了減少諧波對(duì)交流電網(wǎng)的污染，必須對(duì)電源產(chǎn)品、高頻開關(guān)整流電源等的輸入電路進(jìn)行功率因數(shù)校正，以最大限度減少諧波電流，使電源的輸入電流跟蹤輸入電壓，功率因數(shù)接近為1。按輸入電流檢測(cè)和控制方式分類根據(jù)電感電流是否連續(xù)，APFC有兩種工作模式：不連續(xù)導(dǎo)通模式DCM和連續(xù)導(dǎo)通模式CCM 。一般認(rèn)為，采用電流連續(xù)導(dǎo)通方式可利于實(shí)現(xiàn)輸入EMI濾波電路小型化，并可使電流應(yīng)力減小，實(shí)現(xiàn)高效率。 按輸入電流檢測(cè)和控制方式分類①DCM控制模式：DCM控制模式又稱為電壓跟蹤方法，它是PFC中簡(jiǎn)單而實(shí)用的一種控制方式,應(yīng)用較為廣泛?？刹捎煤泐l、變頻、等面積等多種方式，適用于單相或三相單開關(guān)電路。 DCM 控制模式優(yōu)點(diǎn)：電路簡(jiǎn)單，不需要乘法器；功率管實(shí)現(xiàn)零電流開通(ZCS)且不承受二極管的反向恢復(fù)電流；輸入電流自動(dòng)跟蹤電壓且保持較小的電流畸變率。但是DCM方式存輸入電流自動(dòng)跟蹤電壓且保持較小的電流畸變率；DCM 控制模式缺點(diǎn)：由于電感電流不連續(xù)，輸入、輸出電流紋波較大，對(duì)濾波電路要求高；開關(guān)管電流應(yīng)力高， 在同等容量情況下，DCM中開關(guān)器件通過的峰值電流是CCM的兩倍，峰值電流遠(yuǎn)高于平均電流，器件承受較大的應(yīng)力；適用于小功率場(chǎng)合，單相PFC功率一般小于500W，三相PFC功率一般小于10KW。1）恒頻控制：,電壓調(diào)節(jié)器E/A的頻帶寬度取10～20Hz ,確保穩(wěn)態(tài)時(shí)輸出占空比在半個(gè)工頻周期保持不變。恒頻控制時(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)周期中的平均值為： 式（）式中　—整流后的電壓—功率開關(guān)管VS 的導(dǎo)通時(shí)間—二極管VD 的續(xù)流時(shí)間 —開關(guān)周期式() 中若恒定,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)工頻周期中并不恒定,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。該控制方式下的電流THD可控制在10%以內(nèi)。 DCM控制圖2）變頻控制：式()中,若,則輸入平均電流只與導(dǎo)通時(shí)間有關(guān),保持Ton恒定,輸入電流理論上無畸變,這就是變頻控制的原理。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。提出一種等面積控制方法減小電流THD,它通過控制實(shí)際電流在一個(gè)開關(guān)周期的時(shí)間積分面積與電流參考信號(hào)的時(shí)間積分面積相等,從而實(shí)現(xiàn)輸入平均電流與參考電流的零誤差。此外,占空比調(diào)制、諧波注入PWM等方式也可以減小輸入電流諧波含量。對(duì)三相單開關(guān)電路提出一種優(yōu)化的占空比調(diào)制方法,實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)對(duì)輸出電壓的快速調(diào)節(jié),減小了輸入電流中與電網(wǎng)頻率相關(guān)的紋波。在PWM調(diào)制中注入二次諧波, 以降低輸入電流中的三次諧波含量, 使THD從10%降低到5%。②CCM控制模式：CCM控制模式在CCM模式控制中，根據(jù)是否選取瞬態(tài)電感電流作為反饋量和被控制量，又可分為間接電流控制和直接電流控制兩大類。直接電流控制的優(yōu)點(diǎn)是電流瞬態(tài)特性好，自身具有過流保護(hù)能力，但需要檢測(cè)瞬態(tài)電流，控制電路復(fù)雜。間接電流控制的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，開關(guān)機(jī)理清晰。CCM相對(duì)DCM其優(yōu)點(diǎn)為：輸入和輸出電流紋波小、THD和EMI小、濾波容易；RMS（Root Mean Square）電流小、器件導(dǎo)通損耗?。贿m用于大功率應(yīng)用場(chǎng)合。CCM模式根據(jù)是否直接選取瞬態(tài)電感電流作為反饋量，可分為直接電流控制和間接電流控制。直接電流控制的優(yōu)點(diǎn)是電流瞬態(tài)特性好，自身具有過流保護(hù)能力，但需要檢測(cè)瞬態(tài)電流，控制電路復(fù)雜。間接電流控制的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、開關(guān)機(jī)理清晰。1）直接電流控制：直接電流控制是目前應(yīng)用最多的控制方式,它來源于DC/ DC變換器的電流控制模式。將輸入電壓信號(hào)與輸出電壓誤差信號(hào)相乘后作為電流控制器的電流給定信號(hào),電流控制器控制輸入電流按給定信號(hào)變化。直接電流控制優(yōu)點(diǎn)：直接電流控制從整流器的輸入電流作為反饋和被控量，具有系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、限流容易、電流控制精度高等優(yōu)點(diǎn)。直接電流控制缺點(diǎn)：缺點(diǎn)是輸入電流的檢測(cè)需要寬頻帶的電流傳感器，成本較高。直接電流控制還可分為：峰值電流控制、滯環(huán)電流控制、平均電流控制、預(yù)測(cè)電流控制、無差拍控制、單周期控制、狀態(tài)反饋控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、模糊控制等方式。(PCMC)：PFC中的峰值電流控制和DC/ DC變換器中的峰值電流控制原理相同，只是電流環(huán)的程控信號(hào)不再是直流而是按正弦規(guī)律變化。峰值電流控制實(shí)現(xiàn)較為容易，相關(guān)的控制IC有ML4812 、ML4819 、TK84812 、TK84819 等。峰值電流控制的缺點(diǎn)： 電流峰值和平均值之間存在誤差，無法滿足THD很小的要求；電流峰值對(duì)噪聲敏感；占空比大于0. 5時(shí)系統(tǒng)產(chǎn)生次諧波振蕩；需要在比較器輸入端加斜坡補(bǔ)償。在PFC中，這種控制方法趨于被淘汰。 PFC的電路原理及輸入電流波形圖。其工作特點(diǎn)是：每個(gè)開關(guān)周期里，開關(guān)管受時(shí)鐘脈沖觸發(fā)導(dǎo)通，當(dāng)輸入電流采樣超過基準(zhǔn)電流則開關(guān)管關(guān)斷，電流取樣可以是電感電流或者開關(guān)電流?；鶞?zhǔn)電流信號(hào)由乘法器給出，包含了輸入電壓和輸出電壓波形的基本信息，為雙半波正弦電壓，令電感（輸入）電流的峰值包絡(luò)線跟蹤輸入電壓的波形，使輸入電流和輸入電壓同相位，并接近正弦，在完成功率因數(shù)校正的同時(shí)，也能保持輸出電壓的穩(wěn)定。 電流峰值法控制原理及輸入電流波形圖(ACMC)：平均電流控制，又稱三角載波控制,在峰值電流控制的基礎(chǔ)上，在乘法器輸出與比較器之間增加了PI電流控制器，控制器控制輸入電流平均值，使其與電流程控信號(hào)波形相同。由于電流環(huán)有較高的增益帶寬、跟蹤誤差小、瞬態(tài)特性較好。平均電流控制的特點(diǎn)是：THD和EMI小、對(duì)噪聲不敏感、開關(guān)頻率固定，適用于大功率應(yīng)用場(chǎng)合，是目前PFC中應(yīng)用最多的一種控制方式。以平均電流控制原理設(shè)計(jì)的PFC集成控制器UC3854，在單相Boost型電路中得到了普遍應(yīng)用, 其它平均電流型控制IC有TK8385ML4821等。平均電流控制法反饋的是電感電流，開關(guān)管的工作頻率是固定的。反饋的電感電流信號(hào)在誤差放大器中與基準(zhǔn)電流信號(hào)相比較，其高頻(開關(guān)頻率)分量的變化在電流誤差放大器CA中被平均化處理。平均電流誤差在CA中被放大后，與給定的鋸齒波信號(hào)在PWM 中比較，提供某一占空比的PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)開關(guān)管。這種方法中要求一個(gè)周期內(nèi)的占空比由整個(gè)周期內(nèi)的電流平均值決定，這在一般系統(tǒng)中是不可能實(shí)現(xiàn)的。但輸入電壓的變化和開關(guān)周期相比顯得很緩慢,故可以利用前一個(gè)周期內(nèi)輸入電流的平均值來確定下一個(gè)周期的占空比。由于對(duì)電流平均化處理,故對(duì)噪聲不敏感，而且THD值很小。這種方法在要求較高的場(chǎng)合獲得了廣泛的應(yīng)用。預(yù)測(cè)瞬態(tài)電流控制( PICC)是針對(duì)數(shù)字控制提出的一種控制策略，它通過推導(dǎo)一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)電感平均電壓和電流表達(dá)式,根據(jù)期望的電流值預(yù)測(cè)下一個(gè)開關(guān)周期的平均電感電壓(開關(guān)占空比)。將其連續(xù)化處理后，可以發(fā)現(xiàn)它和平均電流控制有相似的結(jié)構(gòu)。（b）所示。平均電流控制，取樣電流來自實(shí)際輸入電流而不是開關(guān)電流，它將電感電流信號(hào)與鋸齒波信號(hào)相加，當(dāng)兩信號(hào)之和超過基準(zhǔn)電流時(shí)，開關(guān)管關(guān)斷，當(dāng)其和小于基準(zhǔn)電流時(shí)，開關(guān)管導(dǎo)通。由于電流環(huán)有較高的增益帶寬、跟蹤誤差小、瞬態(tài)特性較好。THD（5%）和EMI小、對(duì)噪聲不敏感、開關(guān)頻率固定、適用于大功率應(yīng)用場(chǎng)合，是目前PFC中應(yīng)用最多的一種控制方式。其缺點(diǎn)是參考電流與實(shí)際電流的誤差隨著占空比的變化而變化，能夠引起低次電流諧波。 輸入電流波形：（a）峰值電流控制；（b）滯緩電流控制；（c）平均電流控制2)間接電流控制：間接電流控制是一種基于工頻穩(wěn)態(tài)的控制方式。間接電流的控制也可以通過控制整流橋輸入端電壓的方式間接實(shí)現(xiàn)，稱為間接電流控制或電壓控制，其是一種基于工頻穩(wěn)態(tài)的控制方法，通過控制整流器輸入端電壓，使其與電源電壓保持一定的相位、幅值關(guān)系，從而控制交流輸入電流呈正弦波形，且與電源電壓保持同相位，使裝置運(yùn)行在單位功率因數(shù)狀態(tài)。，整流橋?yàn)閱蜗嗫赡娼Y(jié)構(gòu),圖中電感電流Is由電源電壓Us和整流橋輸入電壓的基波分量決定，當(dāng)電源電壓和電感值一定時(shí)，通過控制電壓的幅值和相位,即可控制輸入電流,這就是間接電流控制的基本原理,。從相量圖可以看出，當(dāng)Uan1的相位超前電源電壓時(shí)，電感電流反向，整流橋進(jìn)入逆變狀態(tài)。通過控制電壓Uan1，整流橋可實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行。間接控制的缺點(diǎn)：自身無限流功能，需另加過流保護(hù)電路；系統(tǒng)從一個(gè)穩(wěn)態(tài)向另一穩(wěn)態(tài)過渡時(shí)電流中會(huì)出現(xiàn)直流分量；系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢。利用狀態(tài)反饋克服直流偏移問題，但引入反饋量過多，控制系統(tǒng)變得很復(fù)雜,直流偏移問題，但其本質(zhì)上卻是直接電流控制。間接電流控制的上述缺點(diǎn)影響了它在PFC中的應(yīng)用。 間接電流控制原理圖及電路處于功率因數(shù)為1的整流狀態(tài)時(shí)的相量比較和分析CCM和DCM兩種工作模式可以看出：CCM的優(yōu)點(diǎn)是輸入和輸出電流波動(dòng)小，故濾波容易；開關(guān)的有效電流小，器件導(dǎo)通損耗小；適用于大功率場(chǎng)合。對(duì)于小于幾百瓦的功率級(jí)，選擇DCM比較合適，DCM的最大好處是二極管