原创 无功率因数校正AC—DC集成电源模块1

一、无功率因数校正AC—DC集成电源模块原理<?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />

    (一)非隔离低频AC—DC模块工作原理

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交流输入电压经EMI滤波和全波整流后，经过开关管VT1输出，而开关管VT1栅极由后级DC—DC功率变换模块的Gate Out引脚电平控制，当Gate Out引脚为高电平时，开关管导通，当Gate Out引脚为低电平时，开关管截止。若过电压或过电流保护电路动作后，开关管VT1被关断，同时控制cate In引脚电压将后级DC—DC功率变换模块关断。Gate In信号是漏极开路方式输出，若栅极所加控制信号使场效应晶体管VT2导通，漏极变为低电平，使与其相连的后级DC—DC功率变换模块的Gate In信号也变为低电平，则该模块被关断，起到保护负载的作用。

(二)高频隔离AC—DC模块工作原理

图6—2是高频隔离AC～DC模块的框图，它由电网滤波、整流滤波、DC—DC变换、输出整流滤波、控制电路、检测、保护动作电路及辅助电源等环节组成，其中DC—DC变换器及控制是关键性环节。DC—DC变换器已在第五章论述，此处不再赘述。

下面介绍控制电路的控制原理：

在开关电源三种调制方式中，脉冲宽度调制(PWM)方式应用最普遍，因此，本节主要论述三种。PWM控制模式及特点。

1．电压型PWM控制

    (I)电压型PWM控制基本原理。电压型PWM控制是20世纪60年代后期开关稳压电源刚刚开始发展时所采用的第一种控制方法。该方法与一些必要的过电流保护电路相结合，至今仍然在工业界广泛应用。

电压型控制只有一个电压反馈闭环，采用脉冲宽度调制法，即将电压误差放大器采样放大的慢变化的直流信号Ve与恒定频率的三角波Vs上斜坡相比较，通过脉冲宽度调制原理，得到当时的脉冲宽度ton，该信号经过驱动电路功率放大得到开关管控制信号Vg，如图6—3中所示波形。逐个脉冲的限流保护电路必须另外附加。当输入电压突然变小或负载阻抗突然变小时，因为主电路有较大的输出电容C及电感L相移延时作用，输出电压的变小也延时滞后。输出电压变小的信息还要经过电压误差放大器的补偿电路延时滞后，才能传至PWM比较器将脉宽展宽。这两个延时滞后作用是暂态响应慢的主要原因。

(2)电压型控制的优缺点。

1)电压型控制的优点：单一反馈电压闭环设计、调试比较容易；对输出负载的变化有较好的响应调节；PWM三角波幅值较大，脉冲宽度调节时具有较好的抗噪声裕量；对于多路输出电源，它们之间的交互调节效应较好；

2)电压型控制的缺点：对输入电压的变化动态响应较慢；补偿网络设计本来就较为复杂，闭环增益随输入电压而变化，使其更为复杂；输出LC滤波器给控制环增加了双极点，在补偿设计误差放大器时，需要将主极点低频衰减，或者增加一个零点进行补偿。

2．峰值电流型PWM控制

    (1)峰值电流型控制基本原理  峰值电流型控制简称电流型控制，控制原理如图6—4所示，误差电压信号Ve送至PWM比较器后，与合成波形VΣ比较，而合成波形信号VΣ要由斜坡补偿信号与实际电感电流信号两部分合成构成。所以电流型控制并不是像电压型那样与振荡电路产生的固定三角波状电压斜坡比较，而是与一个变化的、其峰值代表输出电感电流峰值的三角波形或梯形尖角状合成波形信号VΣ相比较，然后得到PWM脉冲关断时刻。因此，电流型控制是一种固定时钟开启、峰值电流关断的控制方法，先直接控制峰值输出侧的电感电流大小，然后间接地控制PWM脉冲宽度。

峰值电流型PWM控制是双闭环控制系统，电压外环控制电流内环。电流内环是瞬时快速按照逐个脉冲工作的。功率级是由电流内环控制的电流源，而电压外环控制此功率级电流源。在该双环控制中，电流内环只负责输出电感的动态变化，因而电压外环仅需控制输出电容，不必控制LC储能电路。因此，峰值电流型PWM控制具有比电压型控制大得多的带宽。

(2)峰值电流型PWM控制的优缺点。

无功率因数校正AC—DC集成电源模块2

1)峰值电流型PWM控制的优点：暂态闭环响应较快，对输入电压的变化和输出负载的变化的瞬态响应也较快；控制环易于设计；输入电压的调整技术可与电压型控制的输人电压前馈技术相媲美；具有瞬时峰值电流限流功能，即内在固有的逐个脉冲限流功能；具有自动均流并联功能。

2)峰值电流型PWM控制的缺点：峰值电流与平均电流的误差难以校正；抗噪声性差，容易发生次谐波振荡，电流信号上的较小的噪声就很容易使得开关器件改变关断时刻，使系统进入次谐波振荡；对多路输出电源的交互调节性能不好；只能用于个别电路拓扑。

3．滞环电流型PWM控制

(1)滞环电流型PWM控制基本原理  滞环电流型PWM控制为变频调制，也可以为定频调制。图6—5所示为变频调制的滞环电流型PWM控制。将电感电流信号Vc与两个电压值比较，第一个较高的控制电压值Vo为输出电压，它控制开关器件的关断时刻；第二个较低的控制电压值Vch由电压Vovt减去一个固定电压值Vh而得到，Vh为滞环带。Vch控制开关器件的开启时刻。滞环电流型控制由输出电压值Vo、控制电压值Ve及Uch三个电压值确定一个稳定状态，比电流型控制多一个控制电压值Vch，去除了发生次谐波振荡的可能性。

(2)滞环电流型控制的优缺点。

1)滞环电流型控制的优点：不需要斜坡补偿；稳定性好，不容易因噪声而发生不稳定振荡。

2)滞环电流型控制的缺点：需要对电感电流进行全周期的检测和控制；变频控制容易产生变频噪声。

二、无功率因数校正AC—DC集成电源模块典型产品

(1)单相输入无功率因数校正AC—DC集成电源模块典型产品见表6—1。

(2)三相输入无功率因数校正AC—DC集成电源模块典型产品见表6—2。

(3)汉之源AC—DC集成电源模块典型产品见表6—3。

AC—DC功率因数校正模块

AC—DC功率因数校正的控制思路是：通过对功率级电路的电流或电压的控制，使其电网侧的输入电流跟踪其输入电压，则电路将从电网上吸收无畸变的正弦电流，且输入端等效为一个纯电阻，功率因数等于1。这个受控的功率级电路，在AC—DC功率因数校正模块中，一般采用非隔离的升压型DC—DC变换器。本节以升压型功率因数控制(PFC)电路为例，介绍其控制技术及典型产品。

    一、功率因数校正原理

在升压型PFC电路中，根据电感电流是否连续，PFC电路的工作模式分为不连续导电模式(DCM)和连续导电模式(CCM)。DCM模式具有控制简单、输人电流自动跟踪输入电压、电感量小等优点。与DCM相配套的控制技术有恒频控制、恒定导通时间(On—Time)控制技术和等面积控制技术等。CCM工作模式的PFC电路具有许多优点，根据控制量不同，其控制技术有电流型控制和电压型控制两种方式。电流型控制的优点是电流瞬态特性优良、易于实现过电流保护等，但控制电路复杂；电压型控制的优点是结构简单、原理清晰。本节只对电流型控制进行介绍。

(一)功率因数定义及低功率因数存在问题

    1．功率因数的基本定义 功率因数PF(Power Factor)的基本定义是指交流输入有功功率P与视在功率S的比值，即

在线性电路中，阻抗Z=R+jX。其中，R为电阻，X为电抗。无论是感抗或容抗，均会使正弦电压和电流波形产生相位差，但电压、电流均为正弦波。所以在线性电路中，功率因数描述了负载的电抗特性，其定义为

在非线性电路中，当电源电压为正弦波时，输入电流波形发生正弦畸变，导致功率因数很低，相移功率因数不能正确反映这种关系，因为非线性负载的功率因数与电流波形的失真情况紧密相关。为此，功率因数的定义为

2．低功率因数电源存在问题  在无功率因数校正的开关电源中，交流输人电压经整流后，直接加到滤波电容器和蓄电池的两端。只有交流输入电压高于滤波电容两端电压时，滤波电容才开始充电，因此输入电流波形为宽度很窄的脉冲，如图6—6所示。这种电流不仅严重滞后电源电压而且谐波分量很大，输入总谐波失真可高达100％一130％，功率因数通常只有0．6—0．7。

功率因数较低的开关电源存在许多问题，主要有：

1)使电网波形畸变，线路损耗加大；

2)降低供电系统的功率因数、增大系统供电容量；

3)降低用电设备的使用寿命；

4)干扰仪器、仪表；

5)使计算机无法工作。

(二)不连续工作模式的校正原理

在低功率等级(输出功率小于200W)的PFC电路中，多采用DCM工作模式。当PFC电路工作在DCM模式时，常用的控制技术包括有恒频控制技术和恒导通时间控制技术。

    1．恒频控制技术DCM工作模式——Boost型PFC电路的控制原理图如图6—7所示。其中，E／A是电压误差放大器，其频带宽度取10～20Hz。电压反馈环对输出电压的二次谐波有足够的衰减，确保稳态时控制脉冲的占空比在半个工频周期内保持不变。因此恒频控制技术是：PFC电路的开关频率保持不变，而且PWM控制输出的控制脉冲的占空比在半个工频周期内保持不变。

当VT导通时，电感电流的峰值ip为

2．恒导通时间控制技术在式(6—5)中，若令T=Ton+Tdon，则平均输入电流只与Ton时间有关；若在半个工频周期内保持Ton恒定，则从理论上可以保证输入电压与平均输入电流为同相同频。这就是用恒导通时间控制技术实现PF=1的理论依据。具体控制方法是：当功率开关VT导通时，电感电流上升，导通时间Ton由E／A电压误差放大器确定；当功率开关VT关断时，电感电流下降。当电感电流为零时，开关VT再次导通，电路工作在DCM与CCM的临界点。UC3852集成控制芯片可实现上述功能。Dawande等人还提出了另外一种实现电流无畸变跟踪电压方法，称为等面积控制技术。

DCM工作模式的特点：

1)输入电流自动跟踪电压且保持较小的电流畸变率；

2)功率管实现零电流(ZCS)开通，不承受二极管的反向恢复电流；

3)输人、输出电流纹波较大，对滤波电路要求高；

4)峰值电流高于平均电流，器件承受较大的应力，限制了其功率应用范围。单相PFC电路的功率一般小于200W。

 (三)连续工作模式的校正原理

电流型控制是目前应用相当广泛的控制方式，它来源于DC—DC变换器的电流控制模式。图6—8给出了电流型PFC电路的控制原理图，输入电压取样信号与输出电压误差信号相乘后作为电流控制器的给定信号，电流控制器的任务是控制输入电流按给定信号变化。根据电流控制器控制方式的不同，目前有峰值电流控制、平均电流控制和滞环电流控制等方式，如图6—9所示。

1．峰值电流控制PFC中的峰值电流控制和DC—DC变换器中的峰值电流控制原理相同，只是电流环的给定信号不再是直流而是按正弦规律变化。开关管开通时，电感电流上升，当到达给定电流值时，开关管关断，电流下降，下一个时钟周期到来时，开关管再次开通，这样，电感电流峰值按给定的正弦规律变化，电感电流波形如图6—<?xml:namespace prefix = st1 ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:smarttags" />9a所示。

峰值电流控制的特点：

1)峰值电流控制下电流峰值和平均值之间存在误差，无法满足THD(总谐波畸变)很小的要求；

2)电流峰值对噪声敏感；

3)占空比大于0．5时系统产生次谐波振荡；

4)需要在比较器输入端加斜坡补偿函数。

2．平均电流控制平均电流控制是在峰值电流控制的基础上发展起来的，它在乘法器输出与比较器之间增加了一个电流调节器，电流调节器控制输入电流平均值，使其与电流给定信号波形相同。由于电流环有较高的增益带宽，跟踪误差小、瞬态特性较好。图6—9b示出电感电流波形。平均电流控制的特点是：THD和EMI(电磁干扰)小、对噪声不敏感、适用于大功率应用场合，是目前PFC中应用最多的一种控制方式。以平均电流控制原理设计的UC3854功率因数集成控制器，在单相Boost型PFC电路中得到了普遍的应用。

3．滞环电流控制滞环电流控制最初用于电压型逆变器中控制输出交流电流，后来也应用到整流器中控制输入，对Boost型PFC电路而言它是最简单的电流控制方式。滞环电流控制的原理是：电流给定信号和滞环宽度决定电感电流的上限imax与下限imin，当电感电流上升到imax时，功率管断开，电感电流下降到imin时，功率管导通，如此反复，电感电流在滞环宽度内变化，电流波形如图6—9c所示。滞环控制中没有外加的调制信号，电流反馈控制和调制集于一体，可以获得很宽的电流频带宽度。

滞环电流控制的特点：

1)控制简单、电流动态响应快、内在的电流限流能力强；

2)开关频率随占空比变化，在一个工频周期中不恒定，引起EMI问题和电流过零点的死区；

3)负载对开关频率影响很大，滤波器设计只能按最低频率设计；

4)滞环宽度对开关频率和系统性能影响较大，需合理选取。

综上所述，CCM相对DCM的优点是：

1)输入电流纹波和输出电流纹波小、THD和EMI小、EMI滤波器的体积小；

2)有效值电流小、器件导通损耗小；

3)适用于功率较大的应用场合。

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侯向荣
 
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