一種有源功率因數(shù)校正電路及控制方法的設(shè)計

　有源功率因數(shù)校正技術(shù)的研究主要集中在電路拓?fù)?、控制策略和建模分析等方面。其中電路拓?fù)涞难芯砍穗娏﹄娮蛹夹g(shù)中的基本變換器結(jié)構(gòu)外，還針對一些特殊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。利用這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)本身特性構(gòu)成所需要的PFC變換器，以實現(xiàn)提高電路性能，降低成本的目的。控制策略的研究則主要是針對特定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過不同的數(shù)學(xué)和建模分析，尋找最優(yōu)或最合適的控制方法，以提高整體電路的性能，簡化控制電路，降低成本。此外，改進(jìn)開關(guān)器件的性能，也可以從整體上提高電路的性能。
　在實際應(yīng)用中，針對不同的應(yīng)用場合，對有源功率因數(shù)校正電路的要求也是多種多樣的。Boost型電路以其控制簡單，電流紋波較小等優(yōu)點得到了廣泛應(yīng)用。從實現(xiàn)PFC的控制策略上來看，又以DCM模式下的變頻控制法和CCM模式下的平均電流控制法應(yīng)用最為廣泛，并且在市面上己經(jīng)有了商用的PFC控制芯片出售。本文的目的是從開關(guān)變換器基本的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)出發(fā)，尋找簡單和方便的控制方式。
　根據(jù)正向輸出的Buck-Boost變換器工作的基本原理，提出了一種新的功率因數(shù)校正電路結(jié)構(gòu)，并給出了相應(yīng)的控制方式。該電路能夠利用電壓跟隨的方式實現(xiàn)PFC。由于該電路能夠?qū)崿F(xiàn)降壓輸出，因而降低了對所有功率開關(guān)管的耐壓要求，有利于提高變換器的轉(zhuǎn)換效率和降低成本。
1 Boost PFC變換器電路設(shè)計要求
　本文內(nèi)容來源于對一項軍用車載電源的研究設(shè)計，該設(shè)計的主要設(shè)計指標(biāo)如下。
?。?）輸入特性。市電：154~264 V，50±3 Hz；4.5 kW汽油發(fā)電機(jī)：154~264 V，50±3 Hz；外28 V： DC 28 V 3.5 kW，蓄電池組：DC 24 V/200 Ah。（2）輸出特性。輸出兩路DC 24 V。（3）交流輸入正常時的輸出特性。輸出電壓為25.5±0.5 V，輸出功率為3 000 W；輸出電壓紋波不大于10 mV；電源效應(yīng)小于或等于2%；負(fù)載效應(yīng)小于或等于3%。（4）蓄電池24 V或外28 V輸入時的輸出特性。輸出電壓為25.5±0.5 V；輸出功率為3 000 W；輸出電壓紋波不大于10 mV；輸出特性：輸出兩路DC 24 V。（5）配電優(yōu)先順序：市電、油機(jī)、外28 V、電池。（6）保護(hù)。交流輸入過壓保護(hù)：264 V；交流輸入欠壓保護(hù)：154 V；外28 V輸入保護(hù)；過壓保護(hù)：32±0.5 V；欠壓保護(hù)：20±0.5 V；反接保護(hù)。（7）蓄電池保護(hù)。過放保護(hù)和反接保護(hù)。（8）輸出保護(hù)。過壓保護(hù)：27 V±0.5 V。（9）過流與短路保護(hù)。效率大于或等于80%；功率因數(shù)大于0.9。（10）充電特性。正常充電特性：最高充電電壓28.8±0.2 V；最大充電電流40±5 A；充電時間為6.5 h；充電效果為恒流——均壓減流——浮充；電池嚴(yán)重虧電時的充電特性為涓流（1A）——恒流——均壓減流——浮充。
　為了滿足以上要求，本論文選擇了有實際研究價值的基于UC3854控制的Boost PFC變換電路來研究。
比較而言，F(xiàn)lyback型PFC雖然易于實現(xiàn)輸入、輸出的隔離，但由于其隔離變壓器磁芯單向磁化，使得其磁通復(fù)位控制困難，變壓器利用率低，電路設(shè)計不但困難、復(fù)雜，而且可靠性降低，又增加了電源的體積、重量、鐵耗、銅耗及成本。這均限制了它的實際應(yīng)用。Boost型PFC輸入電流連續(xù)、易于控制，功率因數(shù)PF高，電流畸變系數(shù)THD小，輸出電壓高，允許電容儲存更多的電能，能提供更長時間的掉電保護(hù)，這些優(yōu)點促使世界上一些電力電子器件生產(chǎn)廠商（如美國德州儀器、微線）開發(fā)出諸多性能非常穩(wěn)定可靠的集成控制芯片，如UC3852、UC3854、UC3855、UC3857、UC3858、UC38500、ML4803等，使Boost變換器獲得了廣泛的應(yīng)用。
2 UC3854簡介
　UC3854是一種有源功率因數(shù)校正專用控制芯片。它可以完成升壓變換器校正功率因數(shù)所需的全部控制功能，使功率因數(shù)達(dá)到0.99以上，輸入電流波形失真小于5%。該控制器采用平均電流型控制，控制精度很高，開關(guān)噪聲較低。采用UC3854組成的功率因數(shù)校正電路后，當(dāng)輸入電壓在85~260 V之間變化時，輸出電壓還可保持穩(wěn)定，因此也可作為AC/DC穩(wěn)壓電源。UC3854采用推拉輸出級，輸出電流可達(dá)1 A以上，因此，輸出的固定頻率PWM脈沖可驅(qū)動大功率MOSFET。UC3854內(nèi)部框圖如圖1所示。

3 Boost PFC變換器電路主要參數(shù)的設(shè)計與計算
3.1 Boost功率電路的設(shè)計與計算
　Boost電路的設(shè)計主要就是功率器件的選取和電感的設(shè)計。變換器的輸入電壓范圍是AC 80～275 V，輸出為DC 400 V，標(biāo)稱功率為300 W，開關(guān)頻率為50 kHz，變換器工作在DCM下。下面來給出具體的參數(shù)設(shè)計。
　由于功率恒定，輸入電流的最大峰值是在輸入電壓為最低時：
I
　此外，功率管選取IR公司生產(chǎn)的RFP460LC，耐壓為600 V，最大正向通態(tài)電流20 A（25℃時）。續(xù)流二極管選用Onsemi公司生產(chǎn)MUR860超快恢復(fù)二極管，耐壓600 V，正向額定電流8 A，反向恢復(fù)時間為35 ns。
3.2 控制電路的設(shè)計
　分塊來設(shè)計以UC3854為核心的有源功率因數(shù)校正器電路，如圖2所示。

4 基于Simulink的仿真模型及仿真波形
4.1 仿真模型
　控制電路采用平均電流控制型，用UC3854實現(xiàn)控制功能，所以模型也是基于UC3854的結(jié)構(gòu)建立的，其仿真模型如圖3所示。UC3854包含了平均電流控制型功率因數(shù)校正控制電路的全部所需功能的單片集成電路，主要由電壓放大器、模擬乘法器、電流放大器和定預(yù)脈寬調(diào)制器組成。此外還包括與功率MOSFET兼容的柵極驅(qū)動器，7.5 V的電壓基準(zhǔn)、總線預(yù)測器、加載智能比較器、欠壓檢測和過流比較器。UC3854乘除法器的輸出電流端為基準(zhǔn)電流，它與檢測電流決定占空比的大小。

　IMO=IAC（VAO-1.5 V）/KVmo2
　其中，VAO為電壓誤差放大器輸出信號，Vmo約為1.5 V~4.7 V，K=－1為比例系數(shù)，IAC是乘法器的輸入電流。平方器和除法器起了電壓前饋作用，使輸入電壓變化。
?。?）軟啟動是為了使電路的啟動有一個過程。13端工作時外接一個電容，芯片開始工作時先由一個直流電源對其充電，使得占空比緩慢增加。
　（2）振蕩電路用于產(chǎn)生三角波。由一個電壓控制開關(guān)、電流控制的電流源及一個脈沖電流源構(gòu)成。電容的充電電壓控制開關(guān)的導(dǎo)通和截止，而開關(guān)上的電壓反過來控制B5電流源的大小。開關(guān)的兩個狀態(tài)是由電容的電壓來判斷的，開始B5=0，B6為一個恒流對外接電容正向充電，當(dāng)V（16）>6.3 V時，開關(guān)合上，此時以1倍的電壓下降直至小于2.5 V，B5的電流變?yōu)?0 mA，反向迅速充電；當(dāng)V（16）1.1 V時，開關(guān)打開，V（18）電壓回升，直至V（18）>2.5 V，B5電流再次為0，開始下一周期的充放電。產(chǎn)生所需的振蕩三角波。B4等于V6支路的電流，B5的電流是通過數(shù)字模型來模擬的。
?。?）電壓誤差放大器。其輸入端為27，輸出端為22，由差分放大器和放大器電路構(gòu)成。輸出VAOUT是由差分放大器2個集電極的電流差控制的。假設(shè)VSENS等于參考電壓，則受控電流源B6=0，因為V7=1.5 V，所以Q3、Q4都處于微導(dǎo)通，流過Q3、Q4射極的電流很小，2個集電極均分VCC，VAOUT為7.5 V。若VSSENIS小于參考電壓時，B60，對電容正向充電，V（20）的電位抬高，使Q4趨于截止。VAOUT電壓上升。同理，若VSENS大于參考電壓，造成V（20）的電位下降，Q4的導(dǎo)通加深，VAODF的電壓下降。模型的工作原理與實際相符。模型中仍借助了數(shù)字模型，B6=Iq5c－Iq6c。
?。?）電流誤差放大器。電流誤差放大器與電壓誤差放大器的結(jié)構(gòu)和工作原理基本一樣，不再作詳細(xì)分析。不同的是它有2個受控源。B7是電流控制電流源，它的數(shù)字模型與B6相似。B10是表示乘法除法器的輸出電流。在模型中通過數(shù)字模型實現(xiàn)了乘法除法器的功能。
4.2 仿真結(jié)果及分析
　本文仿真了輸入電壓范圍是交流154 V~264 V，輸出為28 V直流，標(biāo)稱功率為3 000 W，開關(guān)頻率為50 kHz的Boost型變換器，模型中所用到的參數(shù)是根據(jù)UC3854的使用手冊設(shè)計的。其仿真結(jié)果如圖4~圖10所示。圖4為電路輸入脈沖波形；圖5為二極管電流波形；圖6為主功率管電流波形；圖7為電容電壓波形；圖8為電源電壓、電流波形；圖9為校正前電壓、電流波形；圖10顯示了加功率因數(shù)校正后