單相PFC變換器中電流型控制的發(fā)展

關(guān)鍵詞：?jiǎn)蜗喙β室驍敌Ｕ儞Q器；電流型控制；雙環(huán)控制

1引言

電流型控制與傳統的電壓型控制相比有很多優(yōu)點(diǎn)，即：響應速度更快、有效的過(guò)載和短路保護、可并聯(lián)性以及具有輸入電壓擾動(dòng)前饋補償。但是,電流控制型開(kāi)關(guān)變換器也有缺點(diǎn)：因需要雙環(huán)控制，這就增加了電路設計和分析的難度；因電流上升率不夠大，在無(wú)斜波補償且占空比大于50％時(shí)，控制環(huán)變得不穩定，抗干擾性能差；因控制信號來(lái)自輸出電流，功率級電路的諧振會(huì )給控制環(huán)帶來(lái)噪聲。因而人們不斷地尋求解決這些問(wèn)題的辦法，并由此推動(dòng)了電流型控制的發(fā)展。

很多電路拓撲適用于單相AC/DC變換器的功率因數校正（PFC），包括工作在連續電流模式（CCM）下的Buck、Boost、Flyback、Cuk、及Sepic變換器以及工作在不連續電流模式（DCM）下的Boost和Flyback變換器。在DCM中，峰值電感電流的包絡(luò )線(xiàn)自動(dòng)跟隨整流進(jìn)線(xiàn)電壓波形，因此不需控制輸入電流也能達到單位功率因數及低電流諧波。然而高的電流應力限制了這種工作模型只適合低功率應用。對于中高功率，用帶電流控制環(huán)的恒頻CCM輸入電流整形更為廣泛。為了減少控制環(huán)的復雜性，又出現了單周期控制及其無(wú)電流傳感器控制等。

2峰值電流型控制

2.1雙基準開(kāi)關(guān)控制技術(shù)

雙基準開(kāi)關(guān)控制技術(shù)也稱(chēng)變頻峰值電流控制技術(shù)，其原理圖如圖1所示。工作原理為:輸出電壓與電壓基準比較后,作為電流基準再與電流采樣信號比較,然后控制開(kāi)關(guān)管的通斷,達到提高功率因數的目的。

該技術(shù)的缺點(diǎn)是：開(kāi)關(guān)頻率受負載影響較大，輸

圖1雙基準開(kāi)關(guān)控制的Boost電路原理圖

圖2定頻峰值電流控制的Boost電路原理圖

出濾波器優(yōu)化設計困難。

2.2定頻峰值電流控制技術(shù)

定頻峰值電流控制原理圖如圖2所示。工作過(guò)程為：當電感電流達到電流基準以前，開(kāi)關(guān)一直處于導通狀態(tài)。電流基準為全波整流電壓的取樣值與參考電壓的誤差經(jīng)放大器放大后的輸出。一旦電感電流達到電流基準，比較器輸出關(guān)斷信號，使開(kāi)關(guān)截止。以后定頻時(shí)鐘再次接通開(kāi)關(guān)，重復上述過(guò)程。當交流電網(wǎng)電壓從零變至最小值時(shí)，占空比也由最大值（通常為0.95）變至最小值（峰值電壓附近），因此可能產(chǎn)生諧波振蕩現象。為克服這一缺點(diǎn)，在比較器的輸入端應加入斜波補償函數。定頻峰值電流模式（PCM）技術(shù)克服了變頻峰值電流控制技術(shù)的缺點(diǎn)，但在電網(wǎng)電壓零點(diǎn)附近輸入電流波形失真較大。

3平均電流型控制

平均電流控制原理圖如圖3所示。由整流橋輸出電壓Udc的檢測信號和電壓誤差放大器輸出信號的乘積產(chǎn)生基準電流信號，此基準電流信號與電感電流采樣信號經(jīng)電流誤差放大器比較放大后輸出，然后與鋸齒波比較后，給開(kāi)關(guān)管輸出PWM信號。

峰值和平均電流型控制[1]是單相PFC中應用最頻繁的兩種電流控制方法。這兩種方法的實(shí)現都需要一個(gè)乘法器為電流控制環(huán)產(chǎn)生半波正弦參考信號[3]。兩個(gè)相乘的信號是整流半波線(xiàn)電壓和串級輸出電壓補償器的輸出。兩種方法中，因為平均電流控制以其不需斜波補償就有較好的噪聲免疫力，較低的電流THD以及穩定工作而更具吸引力。但當這兩種方法需要控制開(kāi)關(guān)電流而不是電感電流的Buck型拓撲中就有很多缺陷了。

4非線(xiàn)性載波控制

非線(xiàn)性載波控制(NLC)不需取樣線(xiàn)電壓而用內部電路作乘法器，即負載發(fā)生器為電流控制環(huán)產(chǎn)生時(shí)變參考信號。非線(xiàn)性載波控制通過(guò)控制二極管電流iD或者電感電流iL或開(kāi)關(guān)電流is以產(chǎn)生電流的積分電壓信號與周期載波比較。這種控制方法要求工作于連續電流模式，可用于所有工作在CCM下的二階變換器如Flyback、Cuk、Sepic等。其調制方法通常用脈沖后沿調制或脈沖前沿調制。

4.1脈沖后沿調制

脈沖后沿調制原理圖如圖4所示。傳統的脈沖后沿調制方法中，開(kāi)關(guān)通過(guò)時(shí)鐘信號在固定的時(shí)刻瞬間導通，導通時(shí)間可控。因為二極管電流的平均值直到一個(gè)開(kāi)關(guān)周期結束后才能求得，所以不能用來(lái)控制開(kāi)關(guān)的關(guān)斷。

4.2脈沖前沿調制

脈沖前沿調制原理圖如圖5所示。針對后沿調制

圖4脈沖后沿調制NLC的Boost電路原理圖

圖3平均電流型控制的Boost電路原理圖

單相PFC變換器中電流型控制的發(fā)展

圖5脈沖前沿調制NLC的Boost電路原理圖

圖6輸入電流整形技術(shù)的Boost電路原理

圖7電荷控制框圖圖8電荷控制的Buck電路原理圖

圖9準電荷控制框圖圖10準電荷控制的Flyback

電路原理圖

的不足，文獻[4]中提出了一種可行的解決方法即脈沖前沿調制。其通過(guò)保持平均值并用它來(lái)決定下一周期的導通時(shí)間。然而這將引進(jìn)一個(gè)開(kāi)關(guān)周期的延遲給控制環(huán)并增加了控制電路的復雜性。 5輸入電流整形技術(shù)

輸入電流整形原理圖如圖6所示。輸入電流整形是以前沿調制為基礎，通過(guò)取樣輸出電壓和二極管電流而實(shí)現PFC。與前幾種方法的主要區別是：這種方法不需要產(chǎn)生載波。傳統的平均電流控制中，電流環(huán)產(chǎn)生整流正弦波形作為控制信號，此控制信號與周期斜波信號相比較以產(chǎn)生期望的占空比。然而，輸入電流整形技術(shù)是先假定變換器為電阻性負載，因此輸入線(xiàn)電流跟隨輸入電壓波形。知道電流信號為整流正弦波形，則增益為電流A倍的電壓信號與斜波(反饋信號與參考信號差值的積分)相比較。因此，這種控制方法類(lèi)似于傳統平均電流控制的逆過(guò)程。

6電荷控制

電荷控制框圖如圖7所示。在第一開(kāi)關(guān)周期的開(kāi)始處,用定頻時(shí)鐘開(kāi)通功率級的有源開(kāi)關(guān),對開(kāi)關(guān)電流取樣和積分,當積分電容上的電壓達到控制電壓時(shí),關(guān)閉功率開(kāi)關(guān),同時(shí)開(kāi)通另一輔助開(kāi)關(guān),使積分電容迅速放電,這一狀態(tài)一直維持到出現下一個(gè)時(shí)鐘脈沖為止。由于控制信號實(shí)際上為開(kāi)關(guān)電流在下一個(gè)周期內的總電荷,因此稱(chēng)為電荷控制。圖8為電荷控制的Buck電路原理圖。

7準電荷控制

準電荷控制與電荷控制不同的是利用了附加電阻RT與積分電容CT并聯(lián)如圖9所示。由于RT的存在，準電荷控制中的開(kāi)關(guān)電流的紋波成分會(huì )影響電容端的電壓，但提高了控制精確度。圖10為準電荷控制的Flyback電路原理圖。

圖11單周期控制的Buck電路原理圖

圖12無(wú)傳感器的電流控制的Boost電路原理圖

8單周期控制單周期控制原理圖如圖11所示。單周期控制是一種大信號非線(xiàn)性控制技術(shù)。通過(guò)控制開(kāi)關(guān)的占空比以使在每周中開(kāi)關(guān)變換器的開(kāi)關(guān)變量的平均值在靜態(tài)或瞬態(tài)時(shí)等于參考信號或與控制參考成比例。電路基本原理是：在忽略電感內阻的情況下，系統穩定是使輸出電壓滿(mǎn)足u0=uddt，電路采用積分器完成，積分器輸出電壓與參考電壓uref比較，控制開(kāi)關(guān)S1使uref=uddt在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期內成立，輸出與輸入電壓的變化無(wú)關(guān)。單周期控制是一種實(shí)用的非線(xiàn)性控制，它可以抑制輸入電壓的擾動(dòng)，使系統具有良好的跟隨特性和較強的抗擾動(dòng)性。但它不能應用于Boost類(lèi)變換器中。

9無(wú)傳感器的電流控制無(wú)需傳感器的電流型控制（SCM）是一種觀(guān)測方法。這種方法不需取樣電流而是通過(guò)對電感電壓積分直接重構電感電流，其原理圖如圖12所示。Us代表有源開(kāi)關(guān)導通時(shí)的正向壓降?？紤]到實(shí)際變換器中電容電壓UC不是真正作為靜態(tài)變量，它應與特定的參考值匹配。在直流情況下，參考值Uref可用于代替UC。因此考慮電感電壓UL時(shí)，電感電壓積分（Uin－S1Us－S2Uref）dt表示流量誤差必須為零?；陔娏骺刂频那‘數目刂坡墒窃陂_(kāi)關(guān)周期開(kāi)始時(shí)設置鎖存器使開(kāi)關(guān)導通，然后積分開(kāi)始計算。當其值增加到一個(gè)值（由外部穩定斜波Uref給出或為零電平），鎖存器重置，開(kāi)關(guān)關(guān)斷。SCM比傳統的峰值和平均電流型控制技術(shù)在噪聲敏感和動(dòng)態(tài)范圍上有顯著(zhù)的優(yōu)勢。這種方法支持線(xiàn)性調整和負載寬范圍調整并減少了控制的復雜性。其主要優(yōu)點(diǎn)是：

1）電感電壓屬于大信號波形，橫越變換器的輸入輸出電壓的全范圍。與1％的單位電阻傳感器相比，信號大概高達40dB。

2）因為取樣是基于電壓而不是電流，所以信號的幅值與直流電流的幅值和負載無(wú)關(guān)。 3）積分過(guò)程本身抗噪聲能力強。因此SCM方法固有抗噪聲能力而無(wú)時(shí)間延遲。

SCM的缺點(diǎn)是電流信號實(shí)際上不是交流信號。這一缺點(diǎn)影響了對過(guò)流情況反映的能力以及電流分流能力。

10結語(yǔ)

各種控制方法都有其優(yōu)缺點(diǎn)，針對不同的拓撲以及不同的設計要求而選用最佳的控制方法。尋求更加簡(jiǎn)化的控制策略、降低PFC成本、減少THD和EMI、降低開(kāi)關(guān)應力、提高整機效率是今后PFC控制策略的發(fā)展趨勢。

參考文獻

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