基于改進單周期控制無橋功率因數校正電路的分析

林慧聰，林維明

（福州大學 電氣工程與自動化學院，福建 福州 350108）

0 概述

為滿足電磁兼容標準要求和抑制低頻諧波污染，采用開關變換器實現有源功率因數校正技術（APFC）[1-3]已廣泛應用于各類電力電子裝置中，成為電力電子技術領域的研究熱點．

升壓型Boost電路因其高效、高PF和控制方便等優點而廣泛地應用在傳統APFC電路中，如圖1所示．

在圖1中，APFC控制電路采用典型的乘法器控制策略，整流橋后的輸入電壓和輸出電壓低頻反饋采樣進入乘法器，將乘法器的輸出作為電流環的參考信號，它們的幅值與輸出電壓有關，從而保證被控制的電感電流與輸入電壓波形一致．電感中的電流檢測信號與參考電流經PWM調制單元，產生PWM信號，作為開關Q的驅動信號．Q導通，電感電流增加．當電感電流增加到等于參考電流時，Q截止．這時使二極管導通，電感釋放能量，與電源同時給電容C充電和向負載供電．在工作過程中，升壓電感中的電流實時采樣和調節控制，使其能跟隨整流后正弦半波電壓的波形，實現輸入電流矯形．這種控制策略廣泛地應用于工程實際中，具有代表性的商用芯片有德州儀器TI公司UC3854、微線性公司ML的ML4812和歐洲ST公司的L6561系列等．

圖1 以Boost為主電路的APFC的控制電路Fig.1 Thecontrol schemeof the Boost-type power factor correction circuit

1 無整流橋APFC電路與控制分析

圖1所示帶整流橋的升壓型APFC電路，無論在開關導通還是關斷狀態，電流總是流經至少三個半導體功率器件，在低壓輸入和較大功率場合，具有較大導通損耗．為了進一步提高變換器系統轉換效率，近年來提出了無整流橋升壓型PFC電路[3-5]．電路在交流正負半周的工作過程如圖2所示，是一個雙升壓型變換器．而任何工作階段，電流總是僅流經兩個半導體功率器件，從而有效減少導通損耗．

圖2 典型無整流橋PFC電路Fig.2 Thetypical bridgeless PFCcircuit

從圖2可知，由于無橋電路的輸入與輸出沒有直接連接，不能直接采用傳統APFC電路控制方法的電壓信號的檢測和電流信號的檢測方法，需要對無整流橋PFC電路控制進行重新設計分析．

由于圖2所提電路沒有整流橋，無法采用整流橋后電阻分壓采樣的方法（如圖1所示）．一個簡便的辦法可以采取工頻變壓器來進行輸入電壓的采樣（如圖3a）所示），但是由于工頻變壓器的體積和成本因素，一般不采用該方法．應用光耦進行輸入電壓采樣也是一個選項（如圖3b）所示），它可以容易實現隔離．因為輸入電壓變化較大，為了減少輸入電壓采樣失真，需要采用高線性度和寬工作范圍的光耦器件，使得這種方法復雜化和不實用．利用交流側等效電阻分壓進行輸入電壓采樣（如圖3c）所示），基于電源頻率比開關頻率小得多，電感類似短路，而功率開關管總有一個導通接地，而等效為圖3c）和圖3b）等效電路．這種電路過零區，輸入電壓采樣畸變大，而且適用電路有局限．如何實現簡便可靠實用的輸入電壓檢測控制方法，是無橋APFC電路實現有效控制面臨解決的問題．

圖3 無整流橋PFC電路輸入電壓采樣方法Fig.3 Someinput voltagesampling schemesfor bridgeless PFC

傳統的平均電流控制PFC電路的電感電流是通過在主電路串接一個小電阻實現檢測的，這種方法不需要隔離，簡單方便．對于無橋PFC電路，電感電流的回路與輸出不共地，必須采取隔離檢測的辦法（如圖4所示）．同時電感電流是雙向的，不同于傳統的PFC電路的電感電流單方向性．如同輸入電壓檢測方法，一個最直接的辦法就是采用工頻電流互感器．而通常工頻電流互感器會帶來主電路電流的相移而降低功率因數．另一個隔離采樣的辦法是采用差分運算放大器（如圖4b）所示）．由于PFC電路高頻工作和高的輸出電壓，大的共模電壓信號將引起附加的電流信號噪聲，也將降低功率因數．同時這種方法的成本也較高．另一種方法是由開關管電流和二極管電流采樣來構建電感電流（如圖4a）所示），由于導通的路徑不同，采用的電流互感器較多．因此，針對無整流橋PFC電路的特點，采取合理的控制方案，實現方便可靠的控制，是實現有效控制需要解決的問題．

圖4 無整流橋PFC電路電感電流采樣方法Fig.4 Theinductor current sampling schemesfor bridgeless PFC

2 改進單周期控制（OCC）

2.1 PFC-OCC工作原理

上世紀九十年代由美國學者Keyue M Smedley提出的單周期控制技術（One Cycle Control，簡稱OCC），因其優良的控制性能而得到廣泛應用[6-8]．

基于單周期控制的Boost型PFC電路的工作原理可以分析如下：假定V in為整流后的電壓；V o為輸出電壓；為開關周期；D為開關占空比；為開關導通時間．為了簡化分析，假設：1）輸出電容C足夠大，輸出電壓在一個開關周期內為常數；2）開關頻率遠大于電網電壓頻率和非線性負載電流頻率；3）功率器件MOSFET和二極管關斷和閉合瞬時完成；4）忽略功率開關器件的損耗，認為是理想的開關器件．

根據APFC的控制目標，要實現功率因數校正須滿足

在電感電流連續導通模式CCM下，變換器輸入和輸出的電壓變比可表示為

合并式 (1)、(3)得

其控制目標模型如下，其中電流是輸入平均電流值

2.2 基于改進單周期控制無橋PFC電路

由上面分析可知，OCC控制技術能在一個開關周期內有效地抑制輸入電源側的擾動；既沒有靜態誤差，也沒有動態誤差，動態響應速度快；同時控制電路無需復雜的乘法器、無需檢測輸入電壓，非常適合無整流橋的PFC電路控制，同時簡化了控制系統．世界著名的功率半導體器件公司-國際整流公司（IR）2005年研發推出的AC/DC PFC電路控制芯片-IR1150系列產品[9-11]，就是基于單周期控制策略應用的商用芯片．但是IR1150電流采樣是峰值電流，當電路電感較小或電路工作于臨界或斷續模式時，這種控制將帶來較大的諧波失真．為了減少峰值電流采樣引起的諧波失真，本文在 IR1150芯片的基礎上，設計了一種改進型單周期控制方法．對于電感電流連續工作模式，峰值電流與平均值電流存在如下關系

首先將式 (5)改寫為

即采取諧波補償措施后，采用IR1150峰值電流采樣的單周期控制可以取得高功率因數PF和低的諧波失真系數THD．

為了減少共模噪聲影響，本文選用兩個獨立升壓型無橋PFC電路，采用小電阻電流采樣，根據上述峰值電流控制的分析，針對無整流橋PFC電路拓撲的特點，結合峰值電流控制改進單周期控制芯片IR1150，對新型PFC系統控制電路的設計如圖5所示．圖5電路中，輸入電流，即電感電流峰值與輸出電壓通過低通濾波器反饋的控制量差值，跟蹤該控制量的積分值，從而確定開關變換器的占空比，實現輸入電流矯形．由于原來的峰值電流采樣，通過一個諧波補償環節，從而進一步提高PF和降低THD．

3 實驗結果

為了驗證本文理論分析，本文基于 IR1150控制芯片，設計一臺改進單周期控制的無橋功率因數校正開關變換器實驗樣機，該PFC電路的主要參數為：

1）采用改進單周期控制策略的控制芯片IR1150；2）開關電源輸出功率1 000 W；3）輸入單相交流額定電壓85 V265 V；4）輸入功率因數0.99；5）效率95%；6）輸出電壓400 V；7）開關頻率50 kHz；

圖6為樣機在輸入電壓為220伏時，改進單周期控制下無橋PFC電路輸入電壓和輸入電流實驗波形．PF為0.99，THD小于5%．

圖5 應用IR1150實現的無橋PFC改進單周期控制電路Fig.5 Theimproved one-cycle-control circuit by using IR1150

圖6 在輸入電壓為220 V時，無橋PFC電路輸入電壓和輸入電流實驗波形Fig.6 Theexperiment input voltageand current waveformswhen input voltageis220 V

4 結論

本文分析了傳統功率因數校正電路工作原理與控制策略．為了進一步減少導通損耗提高變換器轉換效率，無整流橋新型PFC電路近年來得到研究和應用．對于無橋PFC電路，存在輸入電壓檢測、電流檢測和共模噪聲等一系列問題．本文分析無整流橋控制的特點，提出了基于峰值電流改進單周期控制無橋PFC控制方法，即峰值電流補償的改進控制方法．論文基于一種低共模噪聲的無整流橋 PFC電路，應用商用控制芯片IR1150實現樣機，取得較高PF和較低THD．

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