單相PFC變換器中電流型控制的發(fā)展

關(guān)鍵詞：單相功率因數(shù)校正變換器；電流型控制；雙環(huán)控制

1引言

電流型控制與傳統(tǒng)的電壓型控制相比有很多優(yōu)點(diǎn)，即：響應(yīng)速度更快、有效的過載和短路保護(hù)、可并聯(lián)性以及具有輸入電壓擾動(dòng)前饋補(bǔ)償。但是,電流控制型開關(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(shè)計(jì)和分析的難度；因電流上升率不夠大，在無斜波補(bǔ)償且占空比大于50％時(shí)，控制環(huán)變得不穩(wěn)定，抗干擾性能差；因控制信號來自輸出電流，功率級電路的諧振會(huì)給控制環(huán)帶來噪聲。因而人們不斷地尋求解決這些問題的辦法，并由此推動(dòng)了電流型控制的發(fā)展。

很多電路拓?fù)溥m用于單相AC/DC變換器的功率因數(shù)校正（PFC），包括工作在連續(xù)電流模式（CCM）下的Buck、Boost、Flyback、Cuk、及Sepic變換器以及工作在不連續(xù)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)線自動(dòng)跟隨整流進(jìn)線電壓波形，因此不需控制輸入電流也能達(dá)到單位功率因數(shù)及低電流諧波。然而高的電流應(yīng)力限制了這種工作模型只適合低功率應(yīng)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(fù)雜性，又出現(xiàn)了單周期控制及其無電流傳感器控制等。

2峰值電流型控制

2.1雙基準(zhǔn)開關(guān)控制技術(shù)

雙基準(zhǔn)開關(guān)控制技術(shù)也稱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(zhǔn)比較后,作為電流基準(zhǔn)再與電流采樣信號比較,然后控制開關(guān)管的通斷,達(dá)到提高功率因數(shù)的目的。

該技術(shù)的缺點(diǎn)是：開關(guān)頻率受負(fù)載影響較大，輸

圖1雙基準(zhǔn)開關(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(shè)計(jì)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。工作過程為：當(dāng)電感電流達(dá)到電流基準(zhǔn)以前，開關(guān)一直處于導(dǎo)通狀態(tài)。電流基準(zhǔn)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(dá)到電流基準(zhǔn)，比較器輸出關(guān)斷信號，使開關(guān)截止。以后定頻時(shí)鐘再次接通開關(guān)，重復(fù)上述過程。當(dāng)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(xiàn)象。為克服這一缺點(diǎn)，在比較器的輸入端應(yīng)加入斜波補(bǔ)償函數(shù)。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(zhǔn)電流信號，此基準(zhǔn)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(yīng)用最頻繁的兩種電流控制方法。這兩種方法的實(shí)現(xiàn)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電壓和串級輸出電壓補(bǔ)償器的輸出。兩種方法中，因?yàn)槠骄娏骺刂埔云洳恍栊辈ㄑa(bǔ)償就有較好的噪聲免疫力，較低的電流THD以及穩(wěn)定工作而更具吸引力。但當(dāng)這兩種方法需要控制開關(guān)電流而不是電感電流的Buck型拓?fù)渲芯陀泻芏嗳毕萘恕?/P>

4非線性載波控制

非線性載波控制(NLC)不需取樣線電壓而用內(nèi)部電路作乘法器，即負(fù)載發(fā)生器為電流控制環(huán)產(chǎn)生時(shí)變參考信號。非線性載波控制通過控制二極管電流iD或者電感電流iL或開關(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(xù)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(diào)制方法通常用脈沖后沿調(diào)制或脈沖前沿調(diào)制。

4.1脈沖后沿調(diào)制

脈沖后沿調(diào)制原理圖如圖4所示。傳統(tǒng)的脈沖后沿調(diào)制方法中，開關(guān)通過時(shí)鐘信號在固定的時(shí)刻瞬間導(dǎo)通，導(dǎo)通時(shí)間可控。因?yàn)槎O管電流的平均值直到一個(gè)開關(guān)周期結(jié)束后才能求得，所以不能用來控制開關(guān)的關(guān)斷。

4.2脈沖前沿調(diào)制

脈沖前沿調(diào)制原理圖如圖5所示。針對后沿調(diào)制

圖4脈沖后沿調(diào)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(diào)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(zhǔn)電荷控制框圖圖10準(zhǔn)電荷控制的Flyback

電路原理圖

的不足，文獻(xiàn)[4]中提出了一種可行的解決方法即脈沖前沿調(diào)制。其通過保持平均值并用它來決定下一周期的導(dǎo)通時(shí)間。然而這將引進(jìn)一個(gè)開關(guān)周期的延遲給控制環(huán)并增加了控制電路的復(fù)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(diào)制為基礎(chǔ)，通過取樣輸出電壓和二極管電流而實(shí)現(xiàn)PFC。與前幾種方法的主要區(qū)別是：這種方法不需要產(chǎn)生載波。傳統(tǒng)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(fù)載，因此輸入線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，這種控制方法類似于傳統(tǒng)平均電流控制的逆過程。

6電荷控制

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

7準(zhǔn)電荷控制

準(zhǔn)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(zhǔn)電荷控制中的開關(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(zhǔn)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性控制技術(shù)。通過控制開關(guān)的占空比以使在每周中開關(guān)變換器的開關(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(nèi)阻的情況下，系統(tǒng)穩(wěn)定是使輸出電壓滿足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，控制開關(guān)S1使uref=uddt在每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)成立，輸出與輸入電壓的變化無關(guān)。單周期控制是一種實(shí)用的非線性控制，它可以抑制輸入電壓的擾動(dòng)，使系統(tǒng)具有良好的跟隨特性和較強(qiáng)的抗擾動(dòng)性。但它不能應(yīng)用于Boost類變換器中。

9無傳感器的電流控制無需傳感器的電流型控制（SCM）是一種觀測方法。這種方法不需取樣電流而是通過對電感電壓積分直接重構(gòu)電感電流，其原理圖如圖12所示。Us代表有源開關(guān)導(dǎo)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(yīng)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‘?dāng)?shù)目刂坡墒窃陂_關(guān)周期開始時(shí)設(shè)置鎖存器使開關(guān)導(dǎo)通，然后積分開始計(jì)算。當(dāng)其值增加到一個(gè)值（由外部穩(wěn)定斜波Uref給出或?yàn)榱汶娖剑?，鎖存器重置，開關(guān)關(guān)斷。SCM比傳統(tǒng)的峰值和平均電流型控制技術(shù)在噪聲敏感和動(dòng)態(tài)范圍上有顯著的優(yōu)勢。這種方法支持線性調(diào)整和負(fù)載寬范圍調(diào)整并減少了控制的復(fù)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(dá)40dB。

2）因?yàn)槿邮腔陔妷憾皇请娏?，所以信號的幅值與直流電流的幅值和負(fù)載無關(guān)。 3）積分過程本身抗噪聲能力強(qiáng)。因此SCM方法固有抗噪聲能力而無時(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)影響了對過流情況反映的能力以及電流分流能力。

10結(jié)語

各種控制方法都有其優(yōu)缺點(diǎn)，針對不同的拓?fù)湟约安煌脑O(shè)計(jì)要求而選用最佳的控制方法。尋求更加簡化的控制策略、降低PFC成本、減少THD和EMI、降低開關(guān)應(yīng)力、提高整機(jī)效率是今后PFC控制策略的發(fā)展趨勢。

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