基于雙環(huán)控制策略的功率因數校正電源的研制

0 引言

開(kāi)關(guān)電源已成為電網(wǎng)最主要的諧波源之一[1]。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[2]。

在目前廣泛應用的通信電源中，功率級電路拓撲一般分為兩級，前級是功率因數校正電路，后級是DC/DC變換電路[3]。這種對功率分別進(jìn)行兩級變換的控制會(huì )造成控制電路設計復雜。

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，采用電壓和電流的雙閉環(huán)控制方式設計了一臺輸出電壓48 V，輸出功率300 W 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，給出了試驗結果。

1 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385 V;后級為應用雙管正激拓撲結構的PWM 電路，把385 V直流母線(xiàn)電壓降低到48 V，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。

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。

2 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uin=100~265 V;直流母線(xiàn)電壓VBoost=385 V;

電路的開(kāi)關(guān)頻率為fS=50 kHz;功率因數PF≈1;輸出功率PO=300 W;輸出電壓VO=48 V。

2.1 前級PFC設計

2.1.1 升壓電感的設計

升壓電感的大小由PO、紋波電流駐I、占空比D、fS及Vin(min)確定。有如下關(guān)系式

駐I=1.2 A，Dmax=0.63，LBoost=1.48 mH。

2.1.2 電壓控制環(huán)的設計

要求電壓外環(huán)的帶寬遠小于100 Hz的正弦半波頻率fR，實(shí)際設計的電壓外環(huán)帶寬為fVI=8.7 Hz。電壓控制環(huán)的有效補償可以使得系統更加穩定，而且可以減小系統的總諧波畸變[6]。電壓誤差放大器的增益GVA=0.014。圖2是電壓誤差放大器的電路結構圖。

電壓誤差放大器中各元件參數由式(4)、式(5)和式(6)確定

2.1.3 電流控制環(huán)設計

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