的單級(jí)式功率因數(shù)校正

1、基于UC3854的單級(jí)式功率因數(shù)校正的研究*引言近年來(lái)，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，各種辦公自動(dòng)化設(shè)備，家用電器，計(jì)算機(jī)被大量 使用，然而，在這些設(shè)備的內(nèi)部都離不開一個(gè)共同的“心臟”一一開關(guān)電源，即將市電轉(zhuǎn)化為直流電源，以供給系統(tǒng)的需求。在這個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程中，由于一些非線性元件 的存在，導(dǎo)致輸入的交流電壓雖然是正弦的，但輸入的交流電流卻嚴(yán)重畸變，功率因 數(shù)PF=0.67。如圖1所示。圖1.輸入電壓電流波形脈沖狀的輸入電流，含有大量的諧波，而諧波的存在，不但對(duì)公共電力系統(tǒng)產(chǎn)生 污染，易造成電路故障，而且嚴(yán)重降低了系統(tǒng)的功率因數(shù)。本課題基于此問(wèn)題進(jìn)行有 源功率因數(shù)校正技術(shù)的模擬控制策略研究，設(shè)計(jì)了基于UC38

2、54為核心的功率因數(shù)校正系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了電源裝置網(wǎng)側(cè)電流正弦化，功率因數(shù)接近1，極大地減少了電流諧波，消除了對(duì)公共電力系統(tǒng)的污染。1.主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主電路采用單級(jí)功率因數(shù)校正器，主要是將PFC級(jí)和DC/DC變換級(jí)集成在一起，兩級(jí)共用一只功率器件， 它與傳統(tǒng)的兩級(jí)電路相比省掉了一只功率器件，增加了一個(gè)二極管。系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D 2所示。另外，其控制采用常規(guī)的PWM方式，相對(duì)簡(jiǎn)單。圖2.單級(jí)有源功率因數(shù)校正2.有源功率因數(shù)校正電路原理ui+EMI濾波器ud 士 C1-U°UC有源功率因數(shù)校正電路丿原理PWM采樣Ud整流器輸出電壓ud、升壓變換器輸出電容電壓乘法器s形UC電與給定濾電壓U*c的差值都

3、同時(shí)作為乘法器的輸入,構(gòu)成電壓外環(huán)乘法器的輸出就是電流 環(huán)的給定電流I*s。升壓變換器輸出電容電壓uC與給定電壓U*c作比較的目的是判斷輸 出電壓是否與給定電壓相同，如果不相同，可以通過(guò)調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)使之與給 定電壓相同，調(diào)節(jié)器（圖中的運(yùn)算放大器）的輸出是一個(gè)直流值，這就是 電壓環(huán)的作用。而整流器輸出電壓ud顯然是正弦半波電壓波形，它與調(diào)節(jié) 器結(jié)果相乘后波形不變，所以很明顯也是正弦半波的波形且與 ud同相。將乘法器的輸出作為電流環(huán)的給定信號(hào)l*s ,才能保證被控制的電感電流iL與電壓波形ud 致。l*s的幅值與輸出電壓uC同給定電壓dU*c的 差值有關(guān)，也與ud的幅值有關(guān)。L1中的電流檢測(cè)信號(hào)iF

4、與l*s構(gòu)成電流 環(huán)，產(chǎn)生PWM信號(hào)，即開關(guān)V的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。V導(dǎo)通，電感電流iL增加。 當(dāng)iL增加到等于電流l*s時(shí)，V截止，這時(shí)使二極管導(dǎo)通，電源和L1釋放能量，同時(shí)給電容C充電和向負(fù)載供電，這就是電流環(huán)的作用。由升壓直流轉(zhuǎn)換器的工作原理可知，升壓電感L1中的電流有連續(xù)和 斷續(xù)兩種工作模式，因此可以得到電流環(huán)中的PWM信號(hào)即開關(guān)V的驅(qū)動(dòng)信號(hào)有兩種產(chǎn)生方式：一種是電感電流臨界連續(xù)的控制方式，另一種是電感電流連續(xù)的控制方式。這兩種控制方式下的電壓、電流波形如圖所示。吞PFC控制的iUo0u.iiiUouiu(a)峰值電流控制方式；平均電流控制方式由圖的波形可知,開關(guān)目iL剛好降到零；開關(guān)'

5、截止時(shí),導(dǎo)通時(shí)，iL從零逐漸開始上升；iL的峰值剛好等于電流給定值l*s。即開關(guān)(a)(b)a)V導(dǎo)通時(shí)，電感電流從零上升；開關(guān)截止時(shí)，電感電流從峰值降到零。電感電流iL的峰值包絡(luò)線就是l*s。因此，這種電流臨界連續(xù)的控制方式又 叫峰值電流控制方式。從圖(b)的波形可知，這種方式可以控制電感電流iL在給定電流l*s曲線上，由高頻折線來(lái)逼近正弦曲線，這就是電流滯環(huán)控制，l*s反映的是電流的平均值，因此這種電流連續(xù)的控制方式又叫平均值控制方式。電感 電流iL經(jīng)過(guò)C1和射頻濾波后，得到與輸入電壓同頻率的基波電流ii。在相同的輸出功率下，峰值電流控制的開關(guān)管電流容量要大一倍。平均電流控制時(shí)，在正弦半波

6、內(nèi)，電感電流不到零，每次DC/DC開關(guān)導(dǎo)通之前，電感L1和二極管VD中都有電流，因此開關(guān)開通的瞬間，L1中的 電流、二極管VD中的反向恢復(fù)電流對(duì)直流轉(zhuǎn)換電路中的開關(guān)器件V和二極管形成了 “壽命殺手,在選擇元件時(shí)要特別重視。而峰值電流控制沒(méi)有這一缺點(diǎn)，只要檢測(cè)電感電流下降時(shí)的變化率，當(dāng)電流過(guò)零時(shí)就允許開關(guān)開 通，而電流的峰值用一個(gè)限流電阻檢測(cè)就能達(dá)到目的，這樣既便宜又可靠,在小功率范圍內(nèi)推廣應(yīng)用是很適合的GatingSignalInductor Peak Current B I II li L d tl I F I I I 21 El I : > * i i I ;i ii r >i

7、 vi *!1 q 1Inductor CurrentInductor Average Currentjmwuuuuum在非連續(xù)性模式，升壓轉(zhuǎn)換之 MOSFET在電感電流降為零時(shí)開始導(dǎo)通，而在電感電流達(dá)到所需之輸入?yún)⒖茧妷褐禃r(shí)，MOSFET則關(guān)斷。利用此方式使輸入波形跟隨輸入電壓波形，得到接近于1的功率因數(shù)。3有源功率因數(shù)校正的控制有源功率因數(shù)校正技術(shù)的思路是，控制已整流后的電流，使之在對(duì)濾波大電容充電之前能與整流后的電壓波形相同，從而避免形成電流脈沖，達(dá)到改善功率因數(shù)的目的。有源功率因數(shù)校正電路原理如圖所示，主電路 是一個(gè)全波整流器，實(shí)現(xiàn)AC/DC的變換，電壓波形不會(huì)失真；在濾波電容 C之前

8、是一個(gè)Boost變換器，實(shí)現(xiàn)升壓式DC/DC變換。從控制回路來(lái)看， 它由一個(gè)電壓外環(huán)和一個(gè)電流內(nèi)環(huán)構(gòu)成。 在工作過(guò)程中，升壓電感L1中的 電流受到連續(xù)的監(jiān)控和調(diào)節(jié)，使之能跟隨整流后正弦半波電壓波形有源功率因數(shù)校正電路是一個(gè)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。內(nèi)環(huán)是一個(gè)電流控制 環(huán)，它是一個(gè)I型控制系統(tǒng)（一階無(wú)差系統(tǒng)）。按照控制理論，1型系統(tǒng)可以 無(wú)差的跟蹤斜坡信號(hào)，由于正弦波信號(hào)變化率比斜坡信號(hào)慢，所以I型系統(tǒng) 也可以無(wú)差的跟蹤正弦波信號(hào)。電流環(huán)的作用是使輸入電流無(wú)差的跟蹤輸 入電壓的波形 ， 于是輸入電流就是與輸入電壓同相的正弦波波形 ， 達(dá)到了 功率因數(shù)校正的目的。外環(huán)是一個(gè)電壓控制環(huán) ， 它是一個(gè) II 型

9、控制系統(tǒng)（二階無(wú)差系統(tǒng)） ， 按 照控制理論 ， II 型系統(tǒng)可以無(wú)差的跟蹤階躍信號(hào)。 只要輸入一個(gè)不變的參考 電壓， 就可以得到一個(gè)穩(wěn)定不變的輸出電壓。電壓環(huán)的作用是使輸出保持 一個(gè)高于輸入電壓最高峰值的穩(wěn)定電壓 ， 這是所必需的。雙閉環(huán)控制的效果是使輸入電流與輸入電壓呈同相的正弦波 ， 輸出是 一個(gè)高于輸入電壓最大峰值的穩(wěn)定直流電壓。這個(gè)穩(wěn)定的直流為后級(jí)變換 電路提供直流能量。通過(guò)RL取出正比于Ua的電流波形Isin (isin=Ua/RL )是一個(gè)正弦全波整流波形。isin與誤差放大器輸出電壓 UEAOUT在乘法器中相乘，產(chǎn)生電流 IMO,通過(guò)電阻RC產(chǎn)生電壓IMORC ，它具有與Ua相

10、同的波形。另外,輸入電流通過(guò)電阻 RS產(chǎn)生一個(gè)電壓 Us=iLRS 。 Us與電壓 IMORC相減后加在電流誤差放大器的同相輸入端，由于電流環(huán)是無(wú)差跟蹤的,它必將迫使Us= IMORC,從而實(shí)現(xiàn)了主回路的電流波形對(duì)輸入電壓波形的無(wú)差跟蹤電流控制環(huán)PFC的電流控制環(huán)由三個(gè)部分組版IIAjhCGr (5) /i (5)/©OW(5)是功率變換電路的傳遞函鋭Ut<S)K氐 Don®是脈沖占空比Gpwm($) = Dqn(5)/UcaoGpwm是PWM調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。其中 UCAO是電流調(diào)節(jié)器的輸 出電壓。由于占空比 DON(s)正比于電流調(diào)節(jié)器的輸出，因此 Gpwm(s)

11、是 個(gè)常數(shù)：GpWM(£)= KpwM(2)G1(s)是電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。由電流放大器CA及補(bǔ)償電路ZCF組成的調(diào)節(jié)器有如圖所示的形式，可推出傳遞函數(shù)為：IIGII屁-甘J1(4)oo Ueaqlti 1+心尺G3 " ImdKc-U - Rz 'G(dl>由(4)式可知，這是一個(gè)U型控制系統(tǒng)，U s(s)可以無(wú)差的跟蹤IMoRC ,即輸入電流可以無(wú)差的跟蹤輸入電壓的波形電壓控制環(huán)PFC系統(tǒng)的外環(huán)是一個(gè)電壓控制環(huán)，它含電流環(huán)、乘法器、電壓調(diào)節(jié)器及放大環(huán)節(jié)乘法塁輸出K/ Ueaoitt Rc = IlR.兩邊取有復(fù)偃，則：. Urms r _ Pw3=陽(yáng)&q

12、uot;一甌為前向通道傳遞函數(shù)，推導(dǎo)如下由舌電流環(huán)是無(wú)走的，故* & = 口 =綜合式(1).(2).(3),可得電流環(huán)的開環(huán)傳邊函數(shù)為 處3 = &(4處353=Kpwm如尺 +1)Gvoi.占)炸FT不爭(zhēng)慮損:貝QPin Pout = Uotrr lourK V15 * Rc * Veaout = U(xrr(7VH_(3)% 3 Ueaqut(訂屜R.Rilajr屯壓調(diào)節(jié)器由誤差放大器和補(bǔ)償網(wǎng)綜組鹵UeaqutLjRFF可得電壓環(huán)開環(huán)傳遞圏數(shù)(f) * (Am。、 K|= 心 KLg呉 sR .GjR.jRl /(JUTGvG)這是F個(gè).型益制系統(tǒng)，它可以無(wú)差地顯確 階躍

13、凰數(shù)“故對(duì)于給屯的咕尸電壓環(huán)輸出 是穩(wěn)定的直流電壓*4.有源功率因數(shù)校正的控制方法(1)平均電流型乘法器的一端輸入是Vdc/K，其中Vdc為正弦電壓Vi的全波整流值，另一端輸入是PFC輸出電壓V。分壓后與參考電平Vref,經(jīng)過(guò)電壓誤差放 大器VA的誤差放大值。乘法器的乘積作為電流基準(zhǔn)，使輸入電流平均值與輸入整流電壓同相位，并接近正弦波形。檢測(cè)到的電感電流iL與該電流基準(zhǔn)的差由電流誤差放大器 CA放大。放大后的平均電流誤差與鋸齒波斜 坡比較后，給開關(guān)S驅(qū)動(dòng)信號(hào)。由于電流環(huán)的高增益一帶寬特性，使跟蹤 誤差畸小于1%，容易實(shí)現(xiàn)接近于1的功率因數(shù)。平均電流控制將電感電流信號(hào)與鋸齒波信號(hào)相加，當(dāng)兩信號(hào)之

14、和超過(guò) 基準(zhǔn)電流時(shí)，開關(guān)管關(guān)斷，當(dāng)兩信號(hào)之和小于基準(zhǔn)電流時(shí)，開關(guān)管導(dǎo)通， 平均電流控制的開關(guān)頻率恒定，適用于大功率應(yīng)用場(chǎng)合。基于平均電流數(shù) 字正弦給定的PFC算法分為電壓外環(huán)、給定算法、電流內(nèi)環(huán)三部分。電壓 外環(huán)實(shí)現(xiàn)輸出直流電壓跟隨電壓給定基準(zhǔn)的功能 ；電流給定算法產(chǎn)生與輸 人電壓同頻同相的正弦波形，屬于軟件鎖相部分；電流內(nèi)環(huán)實(shí)現(xiàn)輸入交流電 流跟隨輸人交流電壓波形，完成 PFC功能敵字if弦BA蟻宙廠PFCff法結(jié)構(gòu)(2)電流峰值控制平均電流控制和峰值電流控制的最大區(qū)別之一就是電流峰值控制設(shè)有一個(gè)電流誤差放大器。誤差電壓信號(hào)與輸入電壓相乘后提供的電流參考信號(hào)不是與振蕩電路產(chǎn)生的固定三角狀電壓斜

15、坡比較，而是與有 Rs檢測(cè)到 的代表電感電流峰值的三角狀波形信號(hào)比較，比較器的輸出作為開關(guān) S的 門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)。峰值電感電流的大小畢竟不能完全與平均電感電流的大小 對(duì)應(yīng)，誤差如果很大就無(wú)法滿足 THD很小的要求。如果使電流紋波很小,又會(huì)對(duì)噪聲相當(dāng)敏感5)電論昨們拎獅(3)電流滯環(huán)控制電流滯環(huán)控制與峰值法控制的差別是前者檢測(cè)的電流是電感電流，并且控 制電路中多了一個(gè)滯環(huán)邏輯控制器，他有一個(gè)電流滯環(huán)帶。同時(shí)，平均電 流控制和峰值電流控制都是固定頻率的控制方法，而電流滯環(huán)控制則采用 的是變化的頻率。乘法器的輸出形成兩個(gè)基準(zhǔn)電流的上限與下限ILmax和ILmin，其軌跡跟蹤正弦的線電壓波形。電感電流將

16、會(huì)被限定在這個(gè)上、下 限范圍內(nèi)。電流滯環(huán)寬度決定了電流紋波的大小，他可以是固定值，也可 以與瞬時(shí)平均電流成正比。非連續(xù)電流模式 PFC芯片 IFX（英飛凌）TDA4862、TDA4863STL6561、L6562Fairchield（快捷半導(dǎo)體）FAN7527TIUC3852、UCC38050SCSG6561ONMC33262、MC34262、MC33261連續(xù)電流模式PFC芯片 IFXTDAl6888 （PFC+PWM）、1PCS01(PFC)STL498IFairchieldFA4800(PFC+PWM)TlUC3854、UCC3817、UCC38185.主電路設(shè)計(jì)(1)主電路參數(shù)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)

17、指標(biāo)如下：P=250W , Vin = 220V,1 )升壓電感L的計(jì)算Uo = 400V , fs=50KHZ100KHZ , PF>0.99 以上，THD<8%。Vin ( Peak ) D555uH其中Vin (peak)是輸入電壓的最小峰值電壓, Fs是開關(guān)頻率，是最大輸入電流紋波。是輸入電流峰值最大時(shí)的占空比,2)輸出電容的選擇2 Poutt_Vo2 -VO(min)2700uF，此處選 1000uF。3) 輸入單相整流橋單相整流橋承受的最大峰值電壓為2Vin(max-/2 22CV -310V ,最大輸入電流有效值為：lin(max)二Pout=9.57A，考慮到安全裕

18、量，本系統(tǒng)選用的單相整流Vin (min)橋型號(hào)為KBPC3510。4) 開關(guān)管 MOSFET的選擇MOSFET導(dǎo)通時(shí)流過(guò)的電流為電感電流，電感電流的最大峰值為：丄也1I pk(max) =lpk "2，考慮到輸出二極管的反向恢復(fù)電流，則通過(guò)功率開關(guān)管的峰值電流為l Q P二I p(kmax) I。勻6. 58A 開關(guān)管承受的最大直流電壓為U D V V 4 0 02 %4 0 0= 4VL0所以選用 MOSFET 的規(guī)格為Vdss=500V , I dm =26A 的 APT5020。5) 輸出二極管由于電路的開關(guān)頻率較高，所以輸出二極管須采用快恢復(fù)二極管。它們的特點(diǎn)是開關(guān)特性好，反向恢復(fù)時(shí)間短，耐壓高，正向電流大，體積小，安裝簡(jiǎn)便。本設(shè)計(jì)中， 輸出二極管承受的最大直流電壓為480V，輸出電流I。= P°uT u 邛°°°200 = 5A，（當(dāng)輸出電壓為200V時(shí)，輸出電流最大）?？紤]到安全裕量選取定額為8A/1200V的RHRP8120型快恢復(fù)二極管。（2）控制電路設(shè)計(jì)本文設(shè)計(jì)了基于UC3854為核心的有源功率因