雙環(huán)控制策略的有源功率因數校正電源研

1、引言

開(kāi)關(guān)電源已成為電網(wǎng)最主要的諧波源之一。為了減小開(kāi)關(guān)穩壓電源對供電電網(wǎng)的污染和對外部電子設備的干擾，電源中普遍采用了功率因數校正（power factor correction, PFC）技術(shù)。功率因數校正技術(shù)的作用是在電網(wǎng)與負載之間插入校正環(huán)節，使輸入電流波形逼近輸入電壓波形，以提高功率因數并限制開(kāi)關(guān)電源的諧波電流對電網(wǎng)的污染。

由于單一的電壓環(huán)控制系統的特點(diǎn)是結構簡(jiǎn)單，設計方便，但是當系統受到某種擾動(dòng)時(shí)，例如，輸入電壓波動(dòng)、元件參數變化和負載突變，系統中的各電氣變量均會(huì )發(fā)生變化。而這些變化只有等到輸出電壓發(fā)生變化以后，電壓控制環(huán)才起調節作用。因此，在瞬態(tài)過(guò)程中，單環(huán)系統的輸出電壓可能會(huì )產(chǎn)生較大幅度的波動(dòng)，甚至造成系統出現不穩定現象[1][3]。

一般說(shuō)來(lái)，開(kāi)關(guān)變換器的小信號交流等效電路為二階電路。根據最優(yōu)控制理論，實(shí)現全狀態(tài)反饋的系統是最優(yōu)控制系統，可以實(shí)現動(dòng)態(tài)響應的誤差平方積分指標最小[2]。因此，在開(kāi)關(guān)調節系統中取輸出電壓和電感電流兩種反饋信號實(shí)現雙環(huán)控制是符合最優(yōu)控制理論的[4]。

基于雙環(huán)調節系統可以提高系統的穩態(tài)和動(dòng)態(tài)性能的優(yōu)點(diǎn)，本文中，基于功率因數校正和脈寬調制穩壓變換一體的開(kāi)關(guān)電源控制芯片UCC38500，設計了一臺輸出電壓48V，輸出功率300W的功率因數校正電源樣機。文中討論了該樣機的設計與控制方法，給出了電流內環(huán)和電壓外環(huán)的設計過(guò)程。試驗結果表明，所設計的樣機控制電路簡(jiǎn)單，運行可靠,性能基本達到設計指標。

2、工作原理

圖1給出所設計的樣機的電路原理框圖。前級采用Boost拓撲結構的PFC電路，在實(shí)現功率因數校正的同時(shí)把輸入電壓提升到直流385V；后級為應用雙管正激拓撲結構的PWM電路，把385V直流母線(xiàn)電壓降低到48V，實(shí)現輸入與輸出的電氣隔離。

前級功率因數校正環(huán)節基于平均電流控制原理，采用電壓控制環(huán)和電流控制環(huán)的雙閉環(huán)控制方式，其中電壓控制環(huán)使Boost電路輸出的直流母線(xiàn)電壓更穩定；電流控制環(huán)使輸入電流接近正弦波?？刂七^(guò)程如下：經(jīng)取樣的直流母線(xiàn)電壓與基準電壓信號相比較，通過(guò)電壓誤差放大器輸出電壓誤差放大信號。該信號與取樣后的電源正弦半波信號相乘，作為電流誤差放大器的基準電流信號。被檢測的電感電流，在電壓誤差放大器中與基準電流相比較，經(jīng)電流誤差放大器后與給定的鋸齒波比較，提供某一數值的占空比信號，經(jīng)驅動(dòng)器輸出驅動(dòng)信號，驅動(dòng)開(kāi)關(guān)管，這就形成了電流環(huán)。電流誤差能被迅速而精確地校正，從而保證電流控制精度。

圖1 電路原理框圖

后級DC/DC功率級變換也采用雙閉環(huán)控制方式。電流內環(huán)采用峰值電流控制模式，對開(kāi)關(guān)電流的峰值進(jìn)行逐個(gè)脈沖采樣控制。電壓誤差放大器輸出信號，通過(guò)光耦隔離，產(chǎn)生電流參考信號。被采樣電阻檢測的開(kāi)關(guān)電流與電流參考信號比較，經(jīng)驅動(dòng)器輸出兩路隔離的驅動(dòng)信號。

3、電路設計

電路設計基于UCC38500控制芯片，其PFC與PWM的開(kāi)關(guān)頻率比為1：1。設計的主要電路參數為：輸入電壓，直流母線(xiàn)電壓，電路開(kāi)關(guān)頻率，功率因數PF=1，輸出功率P0=300W，輸出電壓V0=48V,前級PFC中電感電流采樣電阻的大小,濾波電容大小為

（1）升壓電感的設計。

由于磁粉芯材料具有磁導率小，線(xiàn)性度高、飽和磁密大，工作頻率范圍寬。所以廣泛的被用于功率因

數校正電感的設計。所以在設計中電感的型號選用性?xún)r(jià)比較高的26#鐵粉芯。

2）電流控制環(huán)補償網(wǎng)絡(luò )設計。

在平均電流模式中，如果電流補償網(wǎng)絡(luò )的增益太大，就會(huì )造成補償網(wǎng)絡(luò )的輸出電壓的最大值超過(guò)鋸齒波的峰值或者說(shuō)輸出電壓的波形不會(huì )與鋸齒波相交，則放大器就工作在飽和的工作狀態(tài)，導致系統的不穩定。所以在設計該系統時(shí)，PWM比較器中的兩個(gè)輸入信號的斜率滿(mǎn)足文獻[4]中提到的斜坡匹配標準，即：電感電流下降的斜率不能超過(guò)鋸齒波上升的斜率。

在Boost-PFC系統中，假定Vm為鋸齒波的峰峰值，本設計中Vm=4.32V，則電感電流下降的斜率K1，和鋸齒波上升的斜率K2可以分別表示為：

在最壞的情況下，即,故有，當K1=K2時(shí)即電流補償網(wǎng)絡(luò )的最大增益為：

所以中頻段的增益為：

取電流誤差放大器的穿越頻率為，由于補償網(wǎng)絡(luò )在穿越頻率處具有平坦的特性，提供了大于450的相位裕量。所以將零點(diǎn)設置在處，即，則有

由于Boost系統在穿越頻率處含有右半平面的零點(diǎn)[1]，所以高頻極點(diǎn)設置在開(kāi)關(guān)頻率處。所以前級PFC的開(kāi)環(huán)傳遞函數[1]為：

運用MATLAB仿真，仿真結果見(jiàn)圖2（b）?？梢?jiàn)，穿越頻率為8.63kHz，相位裕量為57°。所以補償網(wǎng)絡(luò )的設計是合理的。

(a) 電流誤差放大器結構圖 (b) 幅頻特性和相頻特性

圖2 電流誤差放大器

為了使補償網(wǎng)絡(luò )的中頻段有足夠的帶寬，以增加相位裕量，?。?img onload="if(this.width>620)this.width=620;" onclick="window.open(this.src)" style="cursor:pointer" src="http://editerupload.eepw.com.cn/fetch/20131009/181462_1_20.jpg" border="0" />。所以根據上面的計算公式得出：，，

3）電壓控制環(huán)補償網(wǎng)絡(luò )設計。

圖3示出電壓誤差放大器的電路結構圖。芯片內部本身提供基準，由于上的紋波是輸入電壓的二次諧波（100Hz），所以電壓外環(huán)的帶寬要求遠小于100Hz的正弦半波頻率，電壓控制環(huán)的補償網(wǎng)絡(luò )的有效設計不僅有助于系統的穩定，而且可以減小直流母線(xiàn)電壓上的紋波在總諧波畸變中的比重[5]。

文獻[6]中提到，輸出直流母線(xiàn)上的紋波電壓的峰值為：

假定電壓環(huán)對總諧波畸變的比重為0.75%，所以電壓誤差放大器的增益為：

圖3 電壓誤差放大器結構圖

所以：

3.2 后級DC/DC設計

由圖1可見(jiàn)，后級DC/DC變換的主電路采用雙管正激變換電路。采用峰值電流控制模式，其主要優(yōu)點(diǎn)是具有良好的動(dòng)態(tài)特性，同時(shí)實(shí)現降低功率損耗的目的。DC/DC變換采用后沿觸發(fā)的、同步于Boost和PWM電路中功率開(kāi)關(guān)最小重疊時(shí)間的調制器，減小輸出端濾波電容上的紋波電流[4]。

相比于平均電流模式，峰值電流模式有可能會(huì )產(chǎn)生次諧波振蕩，因此需要在電流誤差放大器的輸入端加入斜坡補償信號[1]。

在本設計中斜坡補償信號取自芯片內部的振蕩器。圖4示出本設計的斜坡補償方法。

圖4 斜坡補償方法

電流誤差放大器和電壓誤差放大器的設計與前級PFC電路的設計基本類(lèi)似。電流內環(huán)由采樣電阻得到峰值電流信號；電壓外環(huán)亦采用常規零、極點(diǎn)補償，電壓外環(huán)帶寬取為1kHz。實(shí)現較好的動(dòng)態(tài)和穩態(tài)效果。

4 試驗結果與結論

對本文設計的樣機進(jìn)行了實(shí)驗研究，其中交流輸入電壓。圖5(a)給出了PFC電路開(kāi)關(guān)管的驅動(dòng)電壓和漏源電壓波形。圖5(b)給出了滿(mǎn)載時(shí)電網(wǎng)測電壓與電網(wǎng)測電流的波形（電流的采樣通過(guò)在輸入端串聯(lián)電阻，為采樣電阻上的電壓波形）。

圖6(a)給出后級DC/DC功率級雙管正激開(kāi)關(guān)管的漏源電壓。圖6(b)給出高頻變壓器一次測電壓波形。圖6(c)給出DC/DC級輸出電壓波形。

(a) 雙管正激開(kāi)關(guān)管波形

(b) 高頻變壓器一次測電壓波形

(c) DC/DC級輸出電壓波形

圖6 雙管正激開(kāi)關(guān)管、高頻變壓器一次測電壓和DC/DC級輸出電壓波形

實(shí)驗結果表明，本文所設計的基于雙閉環(huán)控制策略的功率因數校正電源，其性能指標達到設計要求，控制電路設計明顯簡(jiǎn)化?；趶秃峡刂菩酒淖吭娇刂颇芰蜆O低的價(jià)位為提高中小功率的開(kāi)關(guān)電源的功率因數，抑制諧波污染，實(shí)現綠色用電革命，開(kāi)辟了新前景。