（电力电子与电力传动专业论文）基于plc810的谐振半桥功率因数校正电路的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 l 页 a bs t r a c t p o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n ( p f c ) t e c h n i q u em a k ei n p u tc u r r e n tw a v e ss i n e ， i m p r o v ee f f i c i e n c yo ft h es y s t e ma n dr e d u c eh a r m o n i cw a v e s d cs o f t s w i t c h i n g t e c h n i q u ei st h ek e yt e c h n i q u ei nh i g hf r e q u e n c ya n dh i g hd e n s i t yc o n v e r t e r w i t h t h ed e v e l o p m e n to fp o w e re l e c t r o n i c s ，p o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n ( p f c ) t e c h n i q u e a n dd c d cs o f t s w i t c h i n gt e c h n i q u ea r eb o t hw i d e l yr e s e a r c h e df o c u s b e c a u s ep f ca n dd c d ca r ec o n t r o l l e db yd i f f e r e n ti ci nt r a d i t i o n a lr e s o n a n t h a l f - b r i d g ep f cp o w e r ，c i r c u i t a n dt h ec o n t r o la r ec o m p l i c a t e d t h e r e f o r e ， i n t e g r a t i n gt h es o f t - s w i t c h i n gt e c h n o l o g ya n dp o w e rf a c t o rc o r r e c t i o nt e c h n o l o g i e s ， u s i n gt h em o s ts u i t a b l e c i r c u i tt o p o l o g y ，s e e k i n gt h em o r es i m p l i f i e dc o n t r o l s t r a t e g i e st oc u td o w np f cc o s t s ，r e d u c et h et h d ，e m i ，s w i t c h i n gs t r e s sa n d i m p r o v et h ee f f i c i e n c yi st h et r e n do f p f cd e v e l o p m e n t a i m i n ga tt h ei n t e g r a t e dc o n t r o lo fr e s o n a n th a l f - b r i d g ea n dp f c ，a15 0 w m o d eo fp o w e ru s i n gp l c 810 p ga r ed e s i g n e d t h em a i nc o n t e n t so ft h ep a p e r i n c l u d e ： f i r s t l y , t h ep r i n c i p l eo fs i n g l e p h a s ea c t i v ep f ca n dl l cr e s o n a n tc o n v e r t e r a r ea n a l y z e di nd e t a i l s e v e r a lc o n t r o ls c h e m e so fa c t i v ep f ca n dl l cr e s o n a n t c o n v e r t e ra r es h o w no nt h ep a p e r b e s i d e s ，t h em o d e lo fp o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n c o n v e r ta n dt h el l cr e s o n a n tc o n v e r t e ra r es i m u l a t e df o rm a s t i n gt h ep o w e rf a c t o r c o r r e c t i o nt e c h n o l o g ya n dl l cr e s o n a n tt e c h n o l o g y b a s e do nt h ed e t a i l e d a n a l y s i so fo p e r a t i o np r i n c i p l ea n da p p l i c a t i o no f p l c 810 ，t h ep r e p o w e ra c t i v ep f cc i r c u i ta n dh a l f - b r i d g es o f ts w i t c h i n gd c d c c o n v e r t e rc o n t r o l l e db yp l c 810a r ed e s i g n e d f i n a l l y ，a l ld e s i g n t h o u g h t sa n d t h e o r e t i c a lr e s u l t sa r ev e r i f i e db ye x p e r i m e n t k e y w o r d s ：b o o s t ；p o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n ( p f c ) ；p l c 8 10 ；l l cr e s o n a n t c o n v e r t e r ； 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密叫使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“扩) 学位论文作者签名：指导老师签名： 研嘲 日期舢蚓 日期仍 一厂多f 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 1 详细分析有源功率因数校正技术控制原理，对功率因数校正技术常用的 几种控制方案进行分析比较。建模和仿真功率因数校正电路，对功率因数校正 技术和l l c 谐振变换技术进行更深入理解和掌握。 2 详细分析了谐振变换器在各个工作状态的工作原理和稳态特性，得出谐 振变换器的工作范围，枚举常用的谐振变换器的技术方案。建模和仿真l l c 谐 振变换电路，对l l c 谐振变换技术进行更深入理解和分析。 3 具体分析p l c 8 1 0 的工作原理和应用，研究以此i c 设计的控制方法与 电路。在此基础上设计了一个功率为1 5 0 w 的利用p l c 8 1 0 为控制i c 的谐振半 桥p f c 电源，详细介绍设计步骤与方法，给出电路参数设计和计算过程，最后 根据设计结果制作了电路板。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确说明。本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本 人承担。 学位论文作者签名： 日期：7 ob 、f 弓7 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 功率因数校正的研究背景及意义 近年来，电能变换技术得到了飞速发展，已广泛应用于电力、冶金、煤炭、 通信、家电等领域。传统的多数电能变换装置都是通过二极管不可控整流或采 用晶闸管相控整流方式与2 2 0 v 交流电网接口，把电网交流电压变换成直流，整 流电路后面一般加大电容滤波【1 】【引。如图1 1 ( a ) 所示。 】i u i 一 j l 一 l 一 一 一一 jlj l 瓜a m 7 vv 1 1 ( a ) 传统整流电路1 1 ( b ) 传统整流电路波形 这种电路具有电路简单、成本低、控制方法简单等优点，却也存在着许多 的缺点。如图l l ( b ) 所示，输入电压与输入电流间存在着相位差角度，且输入电 流波形呈现失真。由于桥式整流器的非线性特性，输入整流脉动电压仅在高于电 容电压的瞬间对电容充电，所以输入电流里尖峰脉冲状有低频谐波的非线性失 真波形【9 1 。 对这种脉冲状的电流进行傅立叶分解，可得到如下表达式： t t = il s i n c o t + 1 3 s i n 继+ i5s i ng o t + 1 1s i n ( - a t + 式中，厶为基波分量；厶，厶和厶分别为三次，五次和七次谐波分量。由 于输入电流是一个奇谐函数，所以，表达式中只含有奇次谐波。 由上述分析可知输入电流含有大量的谐波分量。不可控整流电路功率因数 只有o 6 - 0 7 左右，输入电流总谐波畸变t h d 高达1o o 。高谐波含量的非正 弦输入电流会造成功率因数( p o w e rf a c t o r ，p f ) 降低( 约为0 4 0 6 ) ，除造成 公共电力更多的谐波电力损失外，还可能引起共振进而造成很严重的过电压， 给电力线、断路开关和电力设施带来压力；同时电源输出端所接的大电容，不 但增加系统体积，也降低了电源的电能转换密度【1 】【5 】【6 】【7 】【10 1 。 由此可见，大量应用不可控整流电路，会使电网输入电流严重畸变为非正 弦电流，此处这种非正弦电流的各次电流谐波将会给所处的电力环境造成严重 的后果。大量的谐波电流对电网产生的这些不利影响引起了国际社会的普遍重 视，如何消除和抑制谐波对公用电网的污染，提高功率因数，已成为当今社会 的重要课题。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 因此，研究功率因数校正的目的和意义具有如下几点： ( 1 ) 功率因数校正技术作用和重要性已得到广泛的认可，如何提高功率因数 已成为当今电力电子的研究热点； ( 2 ) 提高功率因数是节约能源，提高电能质量保证电力系统安全稳定运行的 重要要求； ( 3 ) 针对谐波污染，国际上已经制定出相应的技术标准以限制谐波电流含 量。例如，i e c 5 5 5 2 、i e c l0 0 0 3 2 、e n 6 0 5 5 5 2 等标准，它们规定了允许产生 的最大谐波电流的量值。随着这些标准的强制执行，以及i c 厂家的积极努力， 推动了p f c 技术的发展【1 0 】【13 1 。 1 2 功率因数校正技术的发展与现状研究 在几十年的发展历程中，功率因数校正技术经过了几个阶段1 1 4 】- 【m 】。 第一阶段：无源功率因数校正技术阶段。这种技术主要运用于7 0 年代以前， 为了提高a c d c 变换器输入端功率因数，人们采用电感和电容器构成的无源 网络进行功率因数校正。图1 2 所示电路时在二极管整流桥前面串接一个l c 组成的滤波器，它可以使得整流桥中二极管的导通角增大，从而使得电流波形 得到明显改善。 - lj 一l r 手 ：= 】 【】i 图1 2 典型的无源功率因数校正电路 该技术电路简单、成本低、可靠性高、e m i 小，但是存在许多缺点：尺寸、 重量大，难以得到高功率因数( 一般可提高到0 9 左右) ，输入谐波电流的抑制效 果也不是好。由于采用低频电感和电容进行输入滤波，工作性能与频率、负载变 化及输入电压变化有关；电感和电容间有大的充放电电流等，因此它比较适用 于功率小于3 0 0 w 、对体积和重量要求不高、价格敏感的应用场合。 第二阶段：初期的有源功率因数校正阶段。进入7 0 年代以后，随着功率半 导体器件的发展，开关变换器突飞猛进，新的功率因素校正方式随之出现，到 了8 0 年代，有源功率因数校正技术应运而生。因为开关电源变换器工作在高频 开关状态，不需要很大的电容、电感进行滤波，所以有源功率因数校正技术具 有体积小、重量轻、效率高等优点，且其功率因数可以接近l 。8 0 年代是现代 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 有源功率因数校正技术发展的初级阶段，这一时期提出的一些基本技术是有源 功率因数校正技术的基础，从开关电源变换器拓扑结构来说，这一时期的功率 因数校正技术可以说是基于b o o s t 变换器的功率因数校正。 第三阶段：成熟的有源功率因数校正技术阶段。9 0 年代以来，有源功率因 数校正技术取得了长足的进展。19 9 2 年，p e s c ( i e e ep o w e re l e c t r o n i c s s p e c i a l i s t s c o n f e r e n c e ) 设立了单相p f c 技术专题专题，这被看作是单相有源p f c 技术发展的里程碑。9 0 年代是p f c 技术大发展的阶段，p f c 技术的理论日趋 完善，校正技术与软开关技术开始相结合，进一步提高了p f c 电路的性能，国 外开始了基于脉冲宽度调制( p u l s e w i d t hm o d u l a t i o n ，p w m ) 整流器的交流传 动应用系列研究。 第四阶段：分体电路到集成电路发展阶段。近几年来，不断有新颖的功率 因数校正原理、拓扑结构及控制方法出现。从基于平均电流控制的u c 3 8 5 2 ， u c 3 8 5 4 ，u c 3 8 5 5 等到基于单周期控制的i r l l 5 0 等功率因数校正控制芯片的相 继产生，标志了有源p f c 控制器从分体电路发展到集成电路，p f c 技术由理论 研究发展到实用阶段。 1 3 软开关技术在d c - d c 变换器中的应用 由于功率器件的非理想特性，功率器件在电压不为零的情况下导通，在电 流不为零的情况下关断，即工作在硬开关状态。当开关管在硬开关状态导通时， 开关管两端的电压电流不是立刻下降为零或立即上升到额定值，而是有一个上 升或下降时间，在这段时间内电压和电流有一个重叠器而产生损耗。因此，当 开关频率越高，功率损耗越大，使得开关器件的结温升高；同时开关器件通断 产生的尖峰电压或电流会造成开关器件二次击穿，危害其安全运行；在高频工 作状态下，开关器件d u d t 、d i d t 很大，对电路造成电磁干扰【l6 】【2 0 】。 谐振变换器是以谐振电路为基本变换单元，利用电路发生谐振时，电流或 电压周期性过零点，使得开关期间在零电压或者零电流条件下开通或者关断， 达到降低开关损耗的目的，因为谐振电路又被称为软开关【l7 1 。 d c d c 变换器又称为直流斩波器，其功能是通过控制电压将不控的直流输 入变为可控的直流输出。由于p w m 硬性开关电路在高频下运行的局限很大， 所以谐振式软开关在d c d c 变换电路中受到广泛关注并已逐渐推向实用。谐 振变换器的基本结构：交流方波电压或电流加在谐振网络两端，产生高频谐振， 谐振电压或电流经过整流和滤波后，转变成直流电压或电流，从而实现直流 直流变换。常用的直流斩波器中的谐振变换器按照负载与谐振电路的连接关系 分为串联谐振变换器( s r c ，s e r i e sr e s o n a n tc o n v e r t ) 、并联谐振变换器( p r c ， p a r a l l e lr e s o n a n tc o n v e r t e r ) 、串并联谐振变换器( s p r c ，s e r i e s p a r a l l er e s o n a n t c o n v e r t ) 【l7 】- 1 2 2 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 1 串联谐振d c d c 变换器 串联谐振变换器由串联谐振环节和整流环节构成，图1 3 给出了半桥式串 联谐振变换器的电路拓扑( 全桥式结构与之类似) 。由两个功率m o s 管q 1 、q 组 成上下桥臂，d o 跚、或嚣：和c o 跚、c 0 船：分别为g 、q 2 的体二极管和寄生电容。 谐振电感厶和谐振电容c 。串联，构成一个串联回路，谐振回路与负载串联在一 起。从结构上来看，谐振回路与负载构成一个分压器。如果改变开关管的工作 频率，那么谐振回路的阻抗也将改变，从而负载上的电压也将改变。串联谐振 是一个分压电路，因此它的直流增益不会超过l ，当电路工作在谐振频率时， 谐振回路的阻抗最小，这时增益最大。串联谐振变换器的工作频率要大于谐振 频率才能实现原边开关管的零电压开关( z v s ) 。 1 一 ll c 业r _ n s l t ： j n s 2 i巳 图1 3 串联谐振变换器 2 并联谐振d c d c 变换器 半桥型并联谐振d c ，d c 变换器如图1 - 4 所示。由两个功率m o s 管q l 、q 组成上下桥臂，或船。、d o 嚣：和c o 跚、c o 嚣：分别为q l 、q 的体二极管和寄生电容。 谐振电感三。和谐振电容c 。仍然是串联在一起，但负载和谐振电容c 并联。与 串联谐振变换器相比，并联谐振变换器的工作范围比较小。轻载时，它只要稍 微增加开关频率就可以调节输出电压了。对于并联谐振变换器来说，当负载比 较轻时，电路中的循环能量比较大。因为负载是和谐振电容并联的，当负载为 零时，就相当于只有谐振元件在参与工作，这时候的阻抗比较小，因此循环能 量比较高。 d 。l o j ，1 。田 t1 n n ： 1 。 n 女 ；2 = 图1 4 并联谐振变换器 3 串并联谐振d c d c 变换器 半桥型串并联型谐振d c d c 变换器如图1 5 所示。串并联型谐振变换器可 以看作是串联谐振变换器和并联谐振变换器的结合。其中，t 是谐振电感，g 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 是串联谐振电容，c r 是并联谐振电容。负载是和谐振电感、串联谐振电容g 串联在一起的，因此，与并联谐振变换器相比它的循环能量比较小；因为有并 联谐振电容e 的存在，它在空载的时候能很好地调节输出电压。因此串并联谐 振变换器不仅结合串联谐振变换器和并联谐振变换器的优点，更优于它们。 d - l o j ” 。坷 - n s l t ! n 女 id 2 图1 5 串并联谐振变换器 4 l l c 谐振变换器 l l c 谐振变换器是在传统的串联和并联l c 谐振变换器的基础上改良产生 的，它既吸收了串联谐振变换器谐振电容所起到的隔直作用和谐振槽路电流随 负载轻重而变化，轻载时效率较高的优点，同时又兼具了并联谐振变换器可以 工作在空载条件下，对滤波电容的电流脉动要求小的特点，是一种比较理想的 谐振变换器拓扑。图1 6 给出了半桥型l l c 谐振变换器的电路图。从图中我们 可以看出，若没有谐振电感厶，这个变换器和串联谐振变换器相同，但加上厶 后，电路特性和工作方式完全不同了。关于它的工作原理和稳态特性，会在第 三章中详细展开。 1 “ c 刖 t1 n 瓤 ： 1 n s 2 ；2 图1 6l l c 谐振变换器 1 4 本文研究的意义和主要工作 1 4 1 本文研究的意义 电力电子变换器作为非线性负载，使输入电压和电流严重畸变，对电网产 生谐波干扰；另外高频和大容量使装置内部电压，电流发生剧变，不仅会给器 件造成很大的电应力，产生开关损耗，降低效率，而且还在装置的输入，输出 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 引线及周围空间产生高频电磁噪声，对其他电气设备的工作造成干扰。为了解 决谐波问题，需要采取功率因数校正方式，对电力电子整流装置的整流方式进 行改进。同时谐振变换器由于其能实现软开关，有效地减小了开关损耗，使得 频率能进一步提高，所以在高频功率变换领域得到广泛的重视和研究。随着用 户对电源要求的不断提高，功率因数校正技术和软开关技术已经成为电力电子 领域中的热门课题。 随着现代电力电子技术的发展、高频开关器件的诞生，开关电源向着高频 化、集成化和模块化的方向发展。但传统的a c d c 电源都是采用前级p f c 和 后级d c d c 电路分别控制，需要两个控制芯片和两套控制电路，技术复杂、 设计步骤繁琐、所需元件多、体积大、成本高。因此将谐振软开关技术与功率 因数校正技术结合，采用最适合的电路拓扑，更简化的控制策略，更集成化的 电路，是使得电源更高效、更高功率、更可靠的有效方法。 为了解决p f c 和谐振电路集成控制的问题，p i 公司最近推出了电源芯片 p l c 8 1 0 p g 。p l c 8 1 0 p g 是一个集连续导通模式p f c 控制器、l l c 谐振转换器 及高压半桥驱动器于一身的芯片。它拥有专利的连续导通模式p f c 和高效率的 零电压开关l l c ，集成度高，全面的故障处理和电流限制等优点，更好的保障 了电源高效和稳定。因此基于p l c 8 1o 的谐振半桥功率因数校正电路的研究对 推动电源的小型化、轻便化的发展以及发展“绿色 电源有实际的意义。 1 4 2 本文的主要工作 本论文以研究p f c 技术和谐振半桥技术的集成控制为主要目标，设计了一 个基于p l c 8 1o 的谐振半桥功率因数校正电路，主要工作如下： 1 详细分析有源功率因数校正技术控制原理，对功率因数校正技术常用的 几种控制方案进行分析比较。 2 详细分析了谐振变换器在各个工作状态的工作原理和稳态特性，得出了 谐振变换器的工作范围，枚举常用的谐振变换器的技术方案。 3 建模和仿真功率因数校正电路和l l c 谐振变换电路，对功率因数校正 技术和l l c 谐振变换技术进行更深入理解和掌握。 4 具体分析p l c 8 1 0 的工作原理和应用，研究以此i c 设计的控制方法与 电路。在此基础上设计了一个功率为l5 0 w 的利用p l c 8 1o 为控制i c 的谐振半 桥p f c 电源，详细介绍设计步骤与方法，给出电路参数设计和计算过程，最后 根据设计结果制作了电路板。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 皇皇皇曼曼鼍曼曼皇皇曼舅舅曼皇曼鲁皇曼皇鼍舅舅毫皇曼皇毫皇曼曼曼曼曼曼皇曼量毫曼皇皇曼量皇曼曼曼量曼i 一一一 第2 章有源功率因数校正电路的设计 2 1 功率因数 功率因数是衡量电气设备效率高低的一个系数。功率因数是有功功率与视 在功率的比值。功率因数高，有功功率占的比例就大，系统运行则更有效率。 功率因数低，则说明电路用于交变换磁场转换的无功功率大，从而降低了设备 的利用率【1 1 。 2 1 1 功率因数的定义 功率因数p f ( p o w e rf a c t o r ) 定义为【1 】： p f = 有功功率容量= p u i( 2 1 ) 设a c d c 变流电路的输入电压u ，( 有效值u ) 为正弦，输入电流为非正弦， 其有效值为： ，= ，2 l + ，2 2 + + ，2 。+ ( 2 2 ) 式中，厶、，：、，。分别为电流基波分量、二次谐波、n 次谐波电流的 有效值。 设基波电流落后电压相位差为口，有功功率和功率因数可表示为： p = u 1 1 c o s ( 2 ( 2 3 ) p f = u i c o s t 2 ：1c o s a ：，c o s 口 ( 2 4 ) u ll 其中，r 表示基波电流相对值( 以非正弦电流有效值，为基值) ，称为畸变因 数，r 值低，则表示输入电流谐波分量大，对电网造成污染。c o s o ! 称为位移因 数，c o s o ! 低，则表示用电电器设备的无功功率大，设备利用率低，导线，变压 器绕组损耗大。 2 1 2a c - d c 电路输入功率因数与谐波的关系 定义总谐波奇变( t h d ) ： t h d = i h z l = 、( 1 2 2 + ，2 3 + + 1 2 。+ ) z 2 l ( 2 5 ) 厶为所有谐波电流分量的总有效值，当口= 0 时， p f = 1 1 i = 1 1 + t h d 2 ( 2 - 6 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 表2 - 1 已知p f 值时t h d 计算结果( 计算时设口= 0 ) p f 0 5 8 1 20 9 9 0 30 9 9 50 9 9 8 7 50 9 9 9 5 5 t h d 14 01 41o53 由2 - 6 式计算得到表2 1 ，可见当t h d _ 5 时，p f 值可控制在0 9 9 9 左右。 2 2 有源功率因数校正技术 有源功率因数校正( a p f c ) 是抑制电流谐波，提高功率因数最有效的方法。 其基本思想是：交流输入电压经全波整流后，对所得的全波整流电压进行 d c d c 变换，通过适当控制使输入电流平均值自动跟随全波整流后的电压波 形，使输入电流正弦化，同时保持输出电压稳定。 2 2 1 有源功率因数校正技术的拓扑 有源功率因数校正主电路是利用晶闸管和自关断器件实现通断控制。有源 功率因数校正电路将整流后的直流电压断续加到负载上，通过对通断时间的控 制就可以改变负载电压平均值，也称为直流一直流变换器( d c d c 变换器) 。按 输出电压的量值分为降压斩波器、升压斩波器和复合斩波器【1 5 】【2 3 1 1 2 4 1 。 1 降压型b u c k 斩波器 l 生_ | _ - j 一一 ll ：r 弓a c d i【 c2 一 一 一l一l 图2 - 1 降压斩波电路( b u c k 电路) b u c k 斩波器的原理图如2 一l 所示。工作原理：开关闭合时，电感电流线 性增加，负载两端的输出电压极性上正下负，电容处于充电状态，二极管承受 反向电压而断开；当开关断开时候，电感上的电压极性相反，电容处于放电状 态，二极管导通；由于输出电压小于电源电压，故b u c k 变换器成为降压变换器。 b u c k 拓扑优点： ( 1 ) 控制方法简单； ( 2 ) 容易实现所需的输出电压。 b u c k 拓扑缺点： ( 1 ) 输入电流不连续，电磁干扰问题严重； ( 2 ) 输出电压低，电流谐波含量高； 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 ( 3 ) 当工作在峰值电流控制模式时，需加斜率补偿； 2 升压型b o o s t 斩波器 升压型b o o s t 斩波器的原理图如图2 2 所示。工作原理：当开关管闭合 时，电感电流线性增加，电能以磁能形式存储在电感中。由于开关管导通，二 极管承受反向电压而关断，此时，电容c 给负载供电，负载r 两端的输出电压 上正下负。当开关管关断时，电感两端的极性相反，这样电感磁能转化的电压 和电源电压串联，以高于输出电压的能量给负载r 和电容c 供电。 】 -_ lk s ：r 唯+ c= j 一一 一 一l jl 图2 - 2 升压斩波电路( b o o s t 电路) b o o s t 拓扑优点： ( 1 ) 控制容易，不需加斜率补偿。 ( 2 ) 电感电流为输入电流，易于电流模式控制； ( 3 ) 输入电流连续，电磁干扰较小； ( 4 ) 电感在输入端，可抑制输入电流浪涌； ( 5 ) 开关管门极驱动信号地与输出共地，驱动电路容易设计； ( 6 ) 可在国际标准规定的输入电压和频率范围内正常工作，适合大功率应 用。 b o o s t 拓扑缺点： ( 1 ) 当起动和输出短路时，需另外设计限流电路；f ( 2 ) 输出电压为高压，二极管及功率开关管耐压需较大； ( 3 ) 输出直流电压一定要高于输入峰值电压； ( 4 ) 由于输入、输出没有隔离，所以输入纹波易在输出端出现。 3 复合型型b u c k b o o s t 斩波器 b u c k b o o s t 的原理图如图2 3 所示。工作原理：b u c k b o o s t 斩波器 的拓扑结构为b u c k 拓扑和b o o s t 拓扑的结合。当开关管闭合的时候，二极 管断开，此时的工作状态与b o o s t 变换器的开关管导通时的工作状态一样。 当开关管断开的时候，二极管导通，此时的工作状态与b u c k 变换器的开关管 断开时的工作状态一样。通过控制导通时间，b u c k 变换器可以实现升压或者 降压。 b u c k b 0 0 s t 拓扑优点： ( 1 ) 输出电压可大于或小于输入电压； ( 2 ) 能控制启动电流和输出短路电流； ( 3 ) 当工作在峰值电流控制模式时，不需加斜率补偿。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 b u c k b o o s t 拓扑缺点： ( 1 ) 开关器件所承受的电压为输入电压与输出电压之和，功率开关管的耐压 需要很大。 ( 2 ) 电感l 在中间，所以输入和输出电流的脉动都很大，故通常输入与输出 侧还需加滤波器，使电路变得复杂； ( 3 ) 同时具有升压与降压电路的缺点，电磁干扰及输出纹波问题。 ( 4 ) 输出电压与输入电压极性相反； 另外还有c u k 变换器，f l y b a c k 型变换器等，但都要比b o o s t 结构复杂。 经过比较可知b o o s t 型a p f c 变换器有许多优点，其输入电流连续，储能 电感也兼作滤波器抑制r f i 和e m i 噪声，功率因数高，总谐波失真小，输出电 压高，允许电容储存更多的电能，能提供更长时间的掉电保护，在整个交流输 入电压变化范围内能保持很高的功率因数。升压电感l 能阻止快速的电压、电 流瞬变，提高了电路工作可靠性。这些优点促使世界上一些电子器件生产厂商 开发出许多性能非常稳定可靠的集成控制芯片，如u c 3 8 5 4 、u c 3 8 5 5 、t d a l6 8 8 8 等，使b o o s t 变换器得到了广泛应用。 l 直j _ 。一 j -_ ljl ：r a c l ；c = 一一 一 ljl 图2 - 3 复合斩波电路( b u c k - b o o s t 电路) 2 2 2 有源功率因数校正电路的工作模式 根据电路输入电流检测和控制方式， 电感电流连续( c o n t i n u ec u r r e n tm o d e ， c u r r e n tm o d e ，d c m ) 两大类2 5 1 。 a p f c 电路的工作模式可分成两种： c c m ) 和电感电流不连续( d i s c o n t i n u e d c m 控制的方法又称为电压跟踪法，是a p f c 控制中一种简单而又实用的 方法，应用较为广泛。d c m 控制方法的一个基本特点就是电感能量的完全传输， 即在每一个开关周期中，转换电感都必须把从电源中获得的能量完全转移到蓄 能电容( 输出电容) 中去。d c m 模式的输入电流自动跟踪电压，功率管实现零电 流开通，不承受二极管的反向恢复电流。但是由于变换器工作在不连续导电模 式下，需要较大的输入滤波器。开关不仅要导通较大的通态电流，而且将关断 更大的峰值电流并引起很大的关断损耗，使开关的使用寿命降低，同时还会产 生严重电磁干扰，这种工作模式的p f c 一般功率小于2 0 0 w 。 c c m 模式的电感电流连续，输入电流纹波和输出电流纹波小，t h d 和e m i 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 小，滤波器体积小，电流峰值比d c m 模式要小，器件的应力和导通损耗相对 也更小。但是它的控制方法比较复杂，开关损耗较大，制作成本也比较高，通 常需要使用乘法器，采用电压电流闭环控制。这种工作模式一般适用于大功率、 大电流的产品中。c c m 模式下的电流控制是目前应用最多的控制方式。它是将 输入电压信号与输出电压误差信号相乘后作为电流控制器的电流给定信号，电 流控制器控制输入电流按给定信号变化。 2 2 3 有源功率因数校正的主要控制方法 d c m 工作模式的功率因数校正可以采用恒频、变频、等面积等多种控制方 式。c c m 工作模式的功率因数校正根据是否直接选取瞬态电感电流作为反馈和 被控制量【26 | ，有直接电流控制和间接电流控制之分。直接电流控制有电流峰值 控制、电流滞环控制、平均电流控制、预测瞬态电流控制、线性峰值电流控制、 非线性载波控制等方式【27 1 。下面介绍几种有源功率因数校正常用的控制方式： ( 一) 峰值电流控制 在这种控制方式下，首先由整流桥输出电压的检测信号和电压环误差放大 器输出信号的乘积产生基准信号；然后用开关管电流取样信号与此基准信号相 比较，当开关管电流取样信号的峰值小于基准信号时，开关管导通；当开关管 电流取样信号的峰值大于基准信号时，开关管闭合。通过这种方式使输入电流 的峰值包络线跟踪输入电压波形，可使输入电流与输入电压同相，并接近正弦。 峰值电流控制的优点： ( 1 ) 电路简单，易于实现； ( 2 ) 电流峰值大，开关管的电流应力也大； ( 3 ) 不需要电流信号误差放大器以及相应的补偿网络。 峰值电流控制的缺点： ( 1 ) 电感电流的峰值f p ( 它是控制的基准) 与高频状态空间平均值之间的误 差，在一定条件下相当大，以至无法满足使t h d 很小的要求； ( 2 ) 电流峰值大，开关管的电流应力也大【53 j ； ( 3 ) 高次谐波振荡在每个周期里所占比例超过了5 0 ，为此需要加入一个斜 坡补偿； ( 4 ) 输入电流畸变在高的线电压或轻载情况下会变严重，但斜坡补偿的引入 会使这种情况变得更糟糕； ( 5 ) 电感电流的峰值对噪声相当敏感。 ( - - ) 滞环电流控制 这种控制方式有两个正弦电流基准，高的基准用来限制电感电流的峰值， 低的基准则是用来限制电感电流的谷值。开关管在电感电流低于较低的基准时 开通，在高于较高的基准时关断。这是一种不定频率的控制，也是工作在电感 电流连续的情况下，主要的特点如下： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 滞环电流控制的优点： ( 1 ) 不需要斜坡补偿； ( 2 ) 输入电流谐波含量少。 滞环电流控制的缺点： ( 1 ) 开关频率不恒定； ( 2 ) 必须要对电感电流进行采样； ( 3 ) 易受到整流噪音的干扰。 ( 三) 平均电流控制 相对于峰值电流控制，平均电流控制的b o o s tp f c 变换器可以获得更好的 输入电流波形。电感电流被采样和滤波后送入到电流误差放大器与基准进行比 较，电流误差放大器的输出驱动p w m 波发生器，内环保证了输入电流和基准 保持一致，外环保证了输出电压恒定，变换器工作在电感电流连续的情况下。 平均电流控制的优点： ( 1 ) 开关频率恒定； ( 2 ) 不需要斜坡补偿； ( 3 ) 由于电流经过滤波，这种控制方式对整流噪音的敏感性减弱； ( 4 ) 可以获得很好的输入电流波形，由于在电流接近零点时输入电压过零 点，所以占空比可以设计成接近l ，这样就缩短了输入电流的死区时间。 平均电流控制的缺点： ( 1 ) 必须要对电感电流进行采样； ( 2 ) 需要一个电流误差放大器，它的补偿网络设计必须考虑到变换器在整个 电压周期内不同的工作点； 平均电流控制的p f c 现在越来越流行，各大i c 厂商竞相推出了自己的平 均电流控制p f c 的芯片。 ( 四) 单周期控制法 单周控制技术( o n ec y c l ec o n t r 0 1 ) 是近期由马悦提出的一种新型的控制 方法。单周控制法就是每个开关周期内控制开关管的占空比d ，使开关变量的 稳态平均值或瞬态平均值等于参考量或与参考量成比例的一种方法。相比于前 三种控制方法有其独特之处，不需要乘法器的新颖的非线性控制方法，它同时 具有调制和控制的双重性，该方法的突出特点是：无论稳态还是暂态，它都能 保持受控量的平均值恰好等于或正比于控制参考信号，即能在一个开关周期内， 有效地抵制电源侧的扰动，既没有静态误差，也没有动态误差。这种方法可广 泛应用于非线性系统的场合，比如脉宽调制、谐振、软开关式的变换器等【2 9 1 。 2 3 常用的a p f c 技术方案 通过2 2 节对a p f c 的主要控制方法的分析我们可以知道，按照控制环的 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 数目来分类，功率因数校正控制技术又可以分为双环控制技术和单周控制技术。 所谓双环控制技术即是控制策略是由一个电流环和一个电压环进行电流和电压 采样，并经过乘法器完成逻辑来实现的，电流峰值控制、电流滞环控制、平均 电流控制、预测瞬态电流控制、和线性峰值电流控制都属于双环控制法。 常用的双环控制芯片有：摩托罗拉公司( m o t o r o l a ) 的m c 3 4 2 6 2 ， u n i t r o d e 公司的u c 2 8 5 4 n ，德州仪器公司( t i ) 的u c 3 8 5 3u c 3 8 5 4 、u c 3 8 1 7 、 u c c 3 8 18 和u c 3 8 5 5 ，s t ( 意法半导体) 的l 4 9 8 1 ；常用的基于单周期控制法 的芯片是：i r ( 国际整流器公司) 的i r ll5 0 s 。在这里选用了基于临界导电模 式的的m c 3 4 2 6 2 和基于单周期控制的i r l1 5 0 作为常用a p f c 的控制方案代表 进行分析【3 1 1 。 2 3 1 基于m 0 3 4 6 2 的双环控制的功率因数校正器 2 3 1 1 双环控制原理 图中2 4 电路为一个b o o s t 有源功率因数校正电路的原理图。主电路由单 向桥式整流器和d c d cb o o s t 变换器组成，虚线框内为双环控制模式的控制电 路，包括：电压误差放大器v a ，即准电压，电流误差放大器c a ，乘法器， 脉宽调制器( 图中未画出) 以及驱动器等。 v 图2 4 双环控制的功率因数校正原理图 双环控制模式的有源功率因数校正电路的工作原理是这样的：主电路的输 出电压圪先和基准电压一在电压误差放大器v a 上进行比较，并将结果输出到 乘法器输入端，与整流电压相乘，乘法器的输出则作为电流反馈控制的基 准信号，与开关电流i ，的检测值相比较后，经过电流误差放大器c a 加到p w m 驱动器，以控制开关z 的通断，从而使输入电流( 即电感电流) i ：的波形与整 流电压的波形基本一致，使电流谐波大为减少，提高了输入端的功率因数， 由于功率因数校正器同时保持输出电压恒定，使下一级的开关电源设计更为容 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 易。 2 3 1 2m 0 3 4 2 6 2 介绍 m c 3 4 2 6 2 是美国m o t o r o l a 公司生产的一种高性能、临界导通、电流型功 率因数控制器，主要用于离线式有源前置变换器中。芯片内部主要包括：内部 集成有误差放大器( e mp ) 、零电流检测器( z c d ) 、欠电压锁定( u v l o ) 环、 过电压比较器( o v c ) 、电流取样比较器( o i c ) l 、乘法器( m u p ) 、锁存器( r s ) 、 快速启动网络q s t 、互补功率放大器输出极、定时器、延时器乘法器( m u p ) 。 m c 3 4 2 6 2 为标准的d i p 8 封装，具体如表2 2 所示： 表2 2m c 3 4 2 6 2 芯片引脚 引脚图引脚序号引脚符号 引脚功能描述 1v f b输出电压反馈引脚 _ 弋厂_ _ 2 ，c s软启动电容连接引脚 v f b 18v c c 输入电压采样引脚 - 一 _ 3v m f c s2 7o u t _ - 4i s e n s e输出功率级电流检测引脚 _ _ l 一 v m f3 6g n d 5v c c零电流检测输入引脚 _ _ _ - _ _ _ _ k 6g n d 接地引脚 s e n s e4 s丑n 控制信号输出引脚 l 。一l 。一 7o u t 8z i n芯片供电引脚 m c 3 4 2 6 2 芯片主要有以下两大特点i j 2 j ： 1 采用乘法器控制 单象限、双输入乘法器是功率因数控制器的关键元件，交流市电经全波整 流后的直流电压经电阻分压后，通过m c 3 4 6 2 的3 引脚( 电压采样引脚) 加到 乘法器的一个输入端，由引脚2 ( 软启动电容连接端) 监测的误差放大器输出 电压加到乘法器的另一个输入端，3 脚电压在0 3 2 v 间，2 脚电压在2 0 3 7 5 v 间，乘法器的传输曲线为线性。3 脚功能是与电网电压同步，同时使电感电流( 或 者输入电流) 跟踪输入电网波形，以达到同步和使输入电流达到正弦波。3 脚正 弦波输入与2 脚直流反馈经放大后的直流信号输入乘法器，乘法器输出也是正 弦波，但它的幅度受控于直流反馈，以达到p f c 电路输出电压的稳定。正弦波 交流电压从零升至峰值电压时，乘法器的输出电压控制着电流取样比较器的阈 值电压。这样可使m o s f e t 导通时间跟随输入市电电压，最终使前置变换器负 载对交流市电呈现电阻性。 2 采用零电流检测器 m c 3 4 2 6 2 是种临界导通电流型控制器，输出开关开始导通由零电流检测 器控制，同时，当峰值电感电流达到由乘法器输出设定的门限值时，输出开始 停止导通，当电感电流为零时，零电流检测器通过r s 锁存器置“1 使输出开 始再次导通。这样临界导通工作有两个优点：第一，由于m o s f e t 在电感电流 为零时才导通，从而使m o s f e t 开通损耗和输出整流管关断损耗大大减少，对 西南