雙環(huán)控制策略的有源功率因數(shù)校正電源研

1、引言

開關(guān)電源已成為電網(wǎng)最主要的諧波源之一。為了減小開關(guān)穩(wěn)壓電源對供電電網(wǎng)的污染和對外部電子設(shè)備的干擾，電源中普遍采用了功率因數(shù)校正（power factor correction, PFC）技術(shù)。功率因數(shù)校正技術(shù)的作用是在電網(wǎng)與負(fù)載之間插入校正環(huán)節(jié)，使輸入電流波形逼近輸入電壓波形，以提高功率因數(shù)并限制開關(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(tǒng)的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計(jì)方便，但是當(dāng)系統(tǒng)受到某種擾動(dòng)時(shí)，例如，輸入電壓波動(dòng)、元件參數(shù)變化和負(fù)載突變，系統(tǒng)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(diào)節(jié)作用。因此，在瞬態(tài)過程中，單環(huán)系統(tǒng)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(tǒng)出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象[1][3]。

一般說來，開關(guān)變換器的小信號交流等效電路為二階電路。根據(jù)最優(yōu)控制理論，實(shí)現(xiàn)全狀態(tài)反饋的系統(tǒng)是最優(yōu)控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的誤差平方積分指標(biāo)最小[2]。因此，在開關(guān)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中取輸出電壓和電感電流兩種反饋信號實(shí)現(xiàn)雙環(huán)控制是符合最優(yōu)控制理論的[4]。

基于雙環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能的優(yōu)點(diǎn)，本文中，基于功率因數(shù)校正和脈寬調(diào)制穩(wěn)壓變換一體的開關(guān)電源控制芯片UCC38500，設(shè)計(jì)了一臺輸出電壓48V，輸出功率300W的功率因數(shù)校正電源樣機(jī)。文中討論了該樣機(jī)的設(shè)計(jì)與控制方法，給出了電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)的設(shè)計(jì)過程。試驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的樣機(jī)控制電路簡單，運(yùn)行可靠,性能基本達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。

2、工作原理

圖1給出所設(shè)計(jì)的樣機(jī)的電路原理框圖。前級采用Boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的PFC電路，在實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正的同時(shí)把輸入電壓提升到直流385V；后級為應(yīng)用雙管正激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的PWM電路，把385V直流母線電壓降低到48V，實(shí)現(xiàn)輸入與輸出的電氣隔離。

前級功率因數(shù)校正環(huán)節(jié)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電壓更穩(wěn)定；電流控制環(huán)使輸入電流接近正弦波。控制過程如下：經(jīng)取樣的直流母線電壓與基準(zhǔn)電壓信號相比較，通過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(zhǔn)電流信號。被檢測的電感電流，在電壓誤差放大器中與基準(zhǔn)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(shù)值的占空比信號，經(jīng)驅(qū)動(dòng)器輸出驅(qū)動(dòng)信號，驅(qū)動(dòng)開關(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(nèi)環(huán)采用峰值電流控制模式，對開關(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，通過光耦隔離，產(chǎn)生電流參考信號。被采樣電阻檢測的開關(guān)電流與電流參考信號比較，經(jīng)驅(qū)動(dòng)器輸出兩路隔離的驅(qū)動(dòng)信號。

3、電路設(shè)計(jì)

電路設(shè)計(jì)基于UCC38500控制芯片，其PFC與PWM的開關(guān)頻率比為1：1。設(shè)計(jì)的主要電路參數(shù)為：輸入電壓，直流母線電壓，電路開關(guān)頻率，功率因數(shù)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(shè)計(jì)。

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

數(shù)校正電感的設(shè)計(jì)。所以在設(shè)計(jì)中電感的型號選用性價(jià)比較高的26#鐵粉芯。

2）電流控制環(huán)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。

在平均電流模式中，如果電流補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的增益太大，就會(huì)造成補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的輸出電壓的最大值超過鋸齒波的峰值或者說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(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定。所以在設(shè)計(jì)該系統(tǒng)時(shí)，PWM比較器中的兩個(gè)輸入信號的斜率滿足文獻(xiàn)[4]中提到的斜坡匹配標(biāo)準(zhǔn)，即：電感電流下降的斜率不能超過鋸齒波上升的斜率。

在Boost-PFC系統(tǒng)中，假定Vm為鋸齒波的峰峰值，本設(shè)計(jì)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(dāng)K1=K2時(shí)即電流補(bǔ)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(bǔ)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(shè)置在處，即，則有

由于Boost系統(tǒng)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(shè)置在開關(guān)頻率處。所以前級PFC的開環(huán)傳遞函數(shù)[1]為：

運(yùn)用MATLAB仿真，仿真結(jié)果見圖2（b）?？梢?，穿越頻率為8.63kHz，相位裕量為57°。所以補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)是合理的。

(a) 電流誤差放大器結(jié)構(gòu)圖 (b) 幅頻特性和相頻特性

圖2 電流誤差放大器

為了使補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的中頻段有足夠的帶寬，以增加相位裕量，取：。所以根據(jù)上面的計(jì)算公式得出：，，

3）電壓控制環(huán)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。

圖3示出電壓誤差放大器的電路結(jié)構(gòu)圖。芯片內(nèi)部本身提供基準(zhǔn)，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(yuǎn)小于100Hz的正弦半波頻率，電壓控制環(huán)的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的有效設(shè)計(jì)不僅有助于系統(tǒng)的穩(wěn)定，而且可以減小直流母線電壓上的紋波在總諧波畸變中的比重[5]。

文獻(xiàn)[6]中提到，輸出直流母線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(jié)構(gòu)圖

所以：

3.2 后級DC/DC設(shè)計(jì)

由圖1可見，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(xiàn)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電路中功率開關(guān)最小重疊時(shí)間的調(diào)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(bǔ)償信號[1]。

在本設(shè)計(jì)中斜坡補(bǔ)償信號取自芯片內(nèi)部的振蕩器。圖4示出本設(shè)計(jì)的斜坡補(bǔ)償方法。

圖4 斜坡補(bǔ)償方法

電流誤差放大器和電壓誤差放大器的設(shè)計(jì)與前級PFC電路的設(shè)計(jì)基本類似。電流內(nèi)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(guī)零、極點(diǎn)補(bǔ)償，電壓外環(huán)帶寬取為1kHz。實(shí)現(xiàn)較好的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)效果。

4 試驗(yàn)結(jié)果與結(jié)論

對本文設(shè)計(jì)的樣機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，其中交流輸入電壓。圖5(a)給出了PFC電路開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)電壓和漏源電壓波形。圖5(b)給出了滿載時(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(yàn)結(jié)果表明，本文所設(shè)計(jì)的基于雙閉環(huán)控制策略的功率因數(shù)校正電源，其性能指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，控制電路設(shè)計(jì)明顯簡化?；趶?fù)合控制芯片的卓越控制能力和極低的價(jià)位為提高中小功率的開關(guān)電源的功率因數(shù)，抑制諧波污染，實(shí)現(xiàn)綠色用電革命，開辟了新前景。