（电路与系统专业论文）有源功率因数校正电路设计与高次谐波抑制研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 随着功率电予学的迅猛发展，高品质的电力供应成为全球各国共同追求的目 标。要达到这一目标，单纯提高电力供给能量是不够的，更重要的是抑制谐波对 公共电网的污染。所以对电力系统的功率因数和高次谐波电流成分提出了更严格 的要求，这就使得电源系统的功率因数改善和高次谐波抑制成为一项重要的研究 课题。 本论文正是在广泛研究国际上现有的开关电源功率因数改善和高次谐波抑制 电路的基础上，根据西安电子科技大学电路c a d 所的科研项目“基于b c d 工艺 a c d c 关键技术的理论研究与设计”，详细介绍了开关电源发展方向，高次谐波 抑制原理及实现方法，在此基础上设计了双模式、高功率因数的有源功率因数校 正控制器x d 5 0 3 1 。主要包括芯片选型、系统指标的制定、系统功能的电路实现 及仿真验证。采用升压临界导电型方案，省掉了传统电路中的乘法器电路，大大 减小了芯片的面积和电路复杂程度。该芯片可以工作在标准固定输出和跟随式升 压两种模式，跟随式升压减小了输出电压与输入电压之间的差值，这样有助于提 高升压效率。本论文所做的研究工作对其它同类芯片的设计具有一定的参考意义。 本芯片的设计采用国外某公司的b c d 工艺，目前仅完成电路设计和前仿真 部分，版图设计还没有完成。h s p i c e 仿真结果表明，该芯片的各项指标满足设计 要求，8 0 w 负载典型应用时的功率因数值大于0 9 7 ，具有很好的功率因数校正性 能。 关键词：高次谐波抑制有源功率因数校正跟随升压模式b c d 工艺 a b s t r a c t a st h ed e v e l o p m e n to ft h ep o w e re l e c t r o n i c s ，e x c e l l e n te l e c t r i cp o w e rs u p p l y b e c o m e st h eo b j e c t i v et h a tm a n yc o u n t r i e si nt h ew o r l dp u r s u e t oa c h i e v ei t ，i ti sn o t e n o u 【g ht oi n c r e a s ee l e c t r i c i t ys u p p l y ；t h em o r ee s s e n t i a li st or e s t r a i nt h eh a r m o n i c c u r r e n t so fp u b l i ce l e c t r i c i t y i th a sb r o u g h tf o r w a r ds t r i c t e rr e q u e s tf o rt h ep o w e r f a c t o ra n dh a r m o n i cc u r r e n to ft h ep o w e rs u p p l y t h ep o w e rf a c t o rc o r r e c t i o na n d h a r m o n i cr e j e c t i o n ，t h e r e f o r e ，b e c o m e sav e r ys i g n i f i c a n tr e s e a r c hs u b j e c t b a s e do nt h ew i d ei n v e s t i g a t i o no fl i t e r a t u r e sa b o u tp o w e rf a c t o rc o r r e c t i o na n d h a r m o n i cr e j e c t i o n , t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ed e v e l o p i n gd i r e c t i o no ft h es w i t c hp o w e r ， h a r m o n i cr e j e c t i o nt h e o r i e sa n dr e a l i z a t i o n f u r t h e r m o r e ，i tp r e s e n t st h ed e s i g np r o c e s s o fd o u b l em o d e ，h i g hp o w e rf a c t o ra p f cc o n t r o l l e rx d 5 0 3 1 ，w h i c hi n c l u d e sm o d e l c h o o s i n g ，e l e c t r i c a lc h a r a c t e r i s t i c sf r a m i n g ，a n dw h o l ec i r c u i td e s i g n i n ga n ds i m u l a t i o n v a l i d a t i o n t h ep r e c e p to fc r i t i c a lc o n d u c t i o nb o o s tm o d ew i t h o u tm u l t i p l i e rw h i c hi s u s e di nt h ec o m m o nc i r c u i t si se m p l o y e di nt h i sc h i p ，w h i c hm i n i m i z e st h es i z eo ft h e w h o l ec h i pa n dc o m p l i c a t e dl e v e lo fc i r c u i t s t h i sc h i pc a nw o r ko nt r a d i t i o n a la n d f o l l o w e rb o o s t ”m o d e t h e “f o l l o w e rb o o s t m o d ec a n i m p r o v et h eb o o s te f f i c i e n c y t h ew o r ki nt h i sp a p e rc a nb eo fs i g n i f i c a n c ef o rs o m e w h a tr e f e r e n c et os i m i l a ra s i c t h ed e s i g no fx d 5 0 31e m p l o y st h eb c dp r o c e s s n o wt h ep r e - s i m u l a t i o no ft h e c h i ph a sb e e nf i n i s h e d ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a ta l lt h ed e s i g ns p e c i f i c a t i o n s a l em e t t h et y p i c a lv a l u eo fp ff o ra p p l i c a t i o nc i r c u i t so f8 0 wl o a di sh i 曲e rt h a n 0 9 7 ，w h i c hr e s u l t si nap e r f e c tp fc o n t r o l l i n gp e r f o r m a n c e k e y w o r d ：h a r m o n i cr e j e c t i o n a p f cf o l l o w e rb o o s tm o d eb c dp r o c e s s 创新。性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包括其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名熟整丝日期 口7 t j - 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期问论文工作的知识产权单位属于西安电子科技大学。本人保证 毕业离校后，发表论文或者使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大 学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文 的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。 本人签名：碰丝r 期：垄巫! ：! 导师签名曰期 6 7 z 第一章绪论 第一章绪论 功率因数改善和高次谐波抑制是近年来国际上在电力电子系统开发研究中非 常热的方向之一。它对环境的保护、能源的充分利用和电力的安全使用方面做出 了巨大的贡献，尤其在我国提倡建立节约型社会的今天，本论文所进行的研究工 作就有很大的意义。 1 1 论文选题意义与国内外发展现状 近年来，随着功率电子学的高速发展，电力系统也得到了很大的发展。电力 电子技术是未来科学技术发展的重要支柱。有人预言，电力电子连同运动控制将 和计算机技术一起成为2 1 世纪最重要的两大技术。然而，电力电子装置所产生的 谐波污染已成为阻碍电力电子技术发展的重大障碍，它迫使电力电子领域的研究 人员必须对谐波问题进行更为有效的研究。同时，人们对电源系统的要求也越来 越高。在高功率、大容量、小体积之后，对电源系统的输入功率因数和高次谐波 电流成分也提出了更高的要求。谐波研究与治理对于现代工业生产意义重大，这 是因为谐波不仅降低电能的生产、传输和利用的效率，而且给供用电设备的正常 运行带来严重的危险。 按电力电子的习惯称谓，a c d c 称为整流，d c a c 称为逆变，a c a c 称为 交流变频变压，d c d c 称为直流一直流变换。随着半导体器件的发明与发展，上 述这些转换的实现更加方便、有效。值得关注的是：在大部分用电设备中，电源 直接来自交流电网，但几乎所有的电路都需要使用直流进行供电，因此上述 a c d c 变换器成为众多电子产品的必需部分。为达到交流转直流的目的，人们发 明、创新了各种转换方法，最为简单且常用的是桥式整流电路，它被广泛应用于 各种开关电源中【l 】。 什么是开关电源呢? 广义的讲，凡是以半导体功率器件作为开关，将一种电 源形态转变为另一种形态的主电路都叫做开关转换器电路；转变时用自动控制闭 环稳定输出并有保护环路则称为开关电源【2 1 。 传统的丌关电源存在一个致命的弱点，即功率因数较低，当然采用桥式整流 电路的开关电源也不例外，功率因数一般仅为o 4 5 0 7 5 ，作为无功分量的高次谐 波将直接危害电网，大量电流谐波分量倒流入电网，造成对电网的谐波“污染”。 一方面，产生“二次效应”，即电流流过线路阻抗造成谐波电压降，反过来使电网 2有源功率因数校正电路设计与高次谐波抑制研究 电压发生畸变；另一方面，会造成电路故障，损坏用电设备。 现在，功率因数改善和高次谐波抑制方法已经提出了很多种，其中在前级增 加斩波器的方式最为常见，其余还有部分平滑式、磁开关方式、开关模式整流方 式和单侧开关方式等等。这些方式都只是部分解决了高次谐波抑制和功率因数改 善问题，但都不尽人意，存在着这样那样的问题。而我国国内在这方面的研究还 非常少，功率因数改善和高次谐波抑制还没有进入实用化，偶有文献报道，也完 全是国外已比较成熟的加斩波器的双变换器方式。我国科技正在快速发展，为了 与国际接轨，在不远的将来，必将实行功率因数规制和高次谐波规制，并且根据 我国国情，高性能、低成本的功率因数改善和高次谐波抑制电路将比一般斩波器 方式更有市场。因此，在这方面的研究，有着重大的现实意义和经济意义。 1 2 论文的主要工作及章节安排 本论文的设计工作是西安电子科技大学电路c a d 所的科研项目“基于b c d 工艺a c d c 关键技术的理论研究与设计”，在研究了功率因数改善和高次谐波抑 制的基础上，设计一款应用于a c d c 转换的有源功率因数校正控制专用集成电 路芯片x d 5 0 3 1 。 本论文设计了一款双模式有源功率因数校正控制器芯片。论文中详细介绍了 该芯片拓扑结构、工作原理及传输特性。该芯片基于国外某公司的o 6 9 m3 0 v b c d 工艺，采用h s p i e e 对设计的电路进行了仿真验证。仿真结果表明该芯片具有较好 的性能，符合我们的设计要求，可以满足市场应用的需要。 论文共分为六章。第一章是绪论；第二章介绍了高次谐波抑制理论分析与研 究；第三章介绍了功率因数校正原理与技术分类，并介绍了几种b o o s t 型功率因 数校正技术；第四章主要介绍x d 5 0 3 1 的系统设计，包括芯片电路的性能设计、 系统级结构设计及b c d 工艺介绍；第五章详细介绍了x d 5 0 3 1 中关键模块的功能 定义、电路实现及仿真结果；第六章是芯片整体功能仿真；最后是结束语。 第二章高次谐波抑制理论分析与研究 第二章高次谐波抑制理论分析与研究 2 1 高次谐波抑制概述 高次谐波源【4 】【5 l ：由于电力电子器件的飞速发展并在电网中大量应用，电力 系统中出现了大量的非线性负荷，如高压直流输电的换流装置，工矿企业，电气 化铁路的大功率整流、换流和调压设备， 设备等。这些负荷在正弦波电压作用下， 电弧冶炼设备，各种家用可控整流电器 也会产生各种非正弦波的电流。这种电 流在网络中流动，将使电力系统的电压波形畸变，即除了正常的工频基波外，还 包含有各种高次谐波。这些产生高次谐波电流的电力负荷称为高次谐波源。 高次谐波的危害：电压畸变给电力系统正常运行和电力设备造成的危害主要 有以下6 点：使电力电容器以及与之相串连的电抗器过电流、过热、发出异常 的声响、甚至于损坏；使变压器和电机产生附加损耗、局部过热、产生附加力 矩而造成振动，发出异常声响；高次谐波幅值过大会引起继电器、控制电器和 计算机误动作；使x 射线仪器、示波器和电视机的图像变坏；输电线中的高 次谐波电流则会干扰与其邻近的通信，使电磁兼容性问题变得更加突出；高次 谐波还会引起计量仪表计量误差，造成电费收费不合理。因为高次谐波源的用户 从电网中吸收的功率是基波，而向电网送出的却是含有高次谐波的畸变功率，迫 使正常负荷的用户从电网中吸收这些畸变功率，增加用电损耗，危害用电设备，还 要多付电费，而高次谐波源用户反而少付电费。因此，非线性负荷对保证电网质量 而言，是一种公害。另一方面，这种非线性负荷对许多用户来说，又有特别好的 运行性能，故它们在电力系统总负荷中所占的比重，与日俱增。因此，抑制高次 谐波成为现代电力系统急需解决的重要问题之一。 畸变波形的特征量：为了便于谐波的计量和管理，在实际工作中常需用数字 来集中表征畸变波形的某种特性，因此定义了一些特征量，诸如畸变率、谐波含量、 通信干扰指标( t i f ) 、波幅系数、波形系数等，其中畸变率和谐波含量应用最广泛。 畸变率：表征波形畸变的程度。它是衡量电能质量的一个指标。各次谐波电 压的有效值的均方根值与额定电压或其基波电压有效值的百分比，称为电压正弦 波形畸变率，简称畸变率( d u ) ，即： d u = u ( )( 2 1 ) 4 有源功率因数校正电路设计与高次谐波抑制研究 许多国家规定低压供电电压的畸变率不许超过5 。 谐波含量工程上常要求给出电压或电流畸变波形中某次谐波的含量，以便于 监测和采取防治措施。定义电压( 或电流) 畸变波形的第n 次谐波含量等于第n 次 谐波电压( 或电流) 有效值u n ( 或i n ) 与其基波电压( 或电流) 有效值u l ( 或1 1 ) 的百分 比： d u n _ 毕( 2 - 2 ) u l 或： d 。：单( ) ( 2 - 3 ) 1 1 供电部门对用户的电流谐波含量加以限制，以保证电网电压谐波含量不超过规定 的限制值。 谐波管理：为了防治电力系统谐波的危害，许多国家制订了谐波管理标准。 从1 9 9 2 年起国际上开始以立法的形式限制高次谐波，我国国家技术监督局在1 9 9 3 年颁布了国家标准g b t1 4 5 4 9 9 3 电能质量公用电网谐波。国际电工委员会 于1 9 9 8 年对谐波标准i e c 5 5 5 2 进行了修改，另外还制定了i e c 6 1 0 0 0 3 2 标准。 谐波抑制措施：改善功率因数和抑制高次谐波的方法，都是出于同样的原理， 即通过补偿网络的输入阻抗，使得输入电流接近正弦波，而达到改善功率因数和 抑制高次谐波的目的。具体实现方法有无源滤波法、有源滤波法和有源功率因数 改善法等。 无源滤波法是由r l c 等元件谐振，对基波进行相位补偿；有源滤波法是 在电源网络前加入一个专用的功率变换器，对无功功率和谐波电流进行补偿，从 而提高了功率因数。有源功率因数校正技术( a c t i v ep o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n ) ，简称 a p f c 技术，是当今世界上最流行的功率因数改善和高次谐波抑制的方法，也是 最适合于开关电源的方法。a p f c 主要有双级式和单级式电路两种，其各自有不 同的优缺点： 双极式a p f c 电路由p f c 斩波器和d c d c 变换器级联而成，前级实现功率 因数校正，后级实现隔离和稳压。按照p f c 斩波器电路输出电压的不同，a p f c 又可分为升压、降压和升降压三种类型。 双级式a p f c 电路，特别是升压型斩波器电路，技术成熟，在改善功率因数 和抑制高次谐波方面取得了很大成就。但其成本相对偏高，在中小功率和低成本 电源方面，显得很不经济。因此人们还在研究一些低成本的单级功率因数校正及 变换技术。主要有：无电容方式、d i t h e r 方式、l 2 平滑方式、电力归还方式、导 通角任意设定方式、磁开关方式、全桥式s m r ( 开关模式整流) 方式、半桥式s m r 方式、单侧开关方式、c u k 方式和相位控制方式等等。 第二章高次谐波抑制理论分析与研究 2 2 功率因数改善和谐波抑制技术研究 上面已谈到，开关电源的功率因数改善及高次谐波源抑制已经成为开关电源 研究的一个主要方面。为了减少谐波，降低电网污染，国际上也制定了相关标准。 各电源研究机构和电源厂家为了得到符合标准的高性能、低成本电源，投入大量 的人力和物力，研究出许多方法。现详细介绍一下已有的几类方法的实现方式及 其优缺点1 6 1 。 一、无源滤波法 无源滤波法是由r - l c 等元件组成谐振电路，使它们对需要消除的谐波谐振， 使有关系数的谐波被吸收，而不致注入电网。同时，针对输入滤波电路增加适当 的电感或电容，对基波进行相位补偿，达到功率因数改善的目的。 这种技术是加在开关电源整流前，由于电压、电流频率很低，需要大电感， 消耗能量较多，所以效率不高，一般只用于大功率电力装置，很少用于开关电源。 二、a c t i v ef i l t e r 改善技术 该方式是在电源网络前加入一个专用的功率变换器，对无功功率和谐波电流 进行补偿。若滤波器提供的补偿电流正好补偿电源网络中的高次谐波电流和无功 电流，则电网只向负载提供有功电流，从而提高了功率因数。 a c t i v ef i l t e r 改善技术是一种很有前途的技术，因为只要在电网上有这样一个 装置，所有的用电设备将毋需再进行功率因数改善和高次谐波抑制。但是，对于 开关电源，这种方法并不很实用，因为它明显地低了效率，而且成本很高。 三、a p f c 技术 a p f c 技术，是当今世界上最流行的功率因数改善和高次谐波抑制的方法， 本论文所研究设计的电路正是一款a p f c 专用芯片。下面我们着重介绍这一类技 术。 1 无电容方式 无电容方式的基本结构如图2 1 所示： z z 图2 1 无电容方式 6 有源功率因数校正电路设计与高次谐波抑制研究 无电容方式不仅仅去掉了输入端的平滑电容，而且它仿照斩波器控制电路， 通过输入取样电流和输入电压比较，使输入电流按照输入电压来变化，从而达到 功率因数改善的目的。这种方法电路简单，成本低，但是由于没有了输入端的平 滑电容，使输出停电保持时间减小，并且纹波较大。 2 d i t h e r 方式 这种方式是由日本长冈技术科学大学的高桥先生提出来的，它有很多种形式， 常见的结构如图2 2 所示： _ zz e ij 童 z = 幽2 2d i t h e r 方式 d i t h e r 整流回路的原理在于利用高频开关在输入电压上迭加一个高频电压信 号，因此在高频电压高于输出直流电压的部分，电源将提供电流，从而拓宽了输 入电流范围，提高了功率因数。 3 部分平滑式 部分平滑式方式常见的有下面三种方式，下面逐一介绍。 ( 1 ) 1 2 平滑式 l ，2 平滑式的电路形式如图2 3 所示： 一 一 = 爿一 斗 l z j !二 i1 图2 31 2 平滑方式 这种电路利用在电源电压高于1 2 输出电压时，通过电容的放电和充电，使 第二章高次谐波抑制理论分析与研究 输入端一直有电流提供，增大了输入电流范围，从而使电源功率因数得到提高。 这种电路结构简单，成本低，不增加额外的控制电路。但是由于电流仍然存在零 区，所以谐波较多，功率因数不易提得很高。 ( 2 ) 电力归还型 电力归还型的电路形式如图2 4 所示： j z； t f1 图2 4 电力归还方式 这种电路的原理和1 2 平滑型类似，但它增加了一个放电线圈，开关断开时， 变压器中的储能通过放电线圈释放给输入电容，降低了电路损耗。 ( 3 ) 导通角任意设定型 导通角任意设定型的电路形式如图2 5 所示： 图2 5 导通角任意设定方式 该电路的原理与电力归还型相同，只是它的导通角可以任意设定，导通角大， 功率因数就高，但是变压器承受的负荷也大，所以，一般导通角根据功率因数需 求及变压器的要求来定。 4 其它方式 除了上述方式以外，还有其它一些功率因数改善和高次谐波抑制的方法，有 c u k ，方式、s e p i c 方式、z e t a 方式等等，由于篇幅所限，这里就不一一介绍。 有源功率因数校正电路设计与高次谐波抑制研究 第三章有源功率因数校正原理与技术分类 上章我们详细介绍了功率因数改善和谐波抑制的具体原理和实现方式的分 类。这一章我们将针对本论文所设计的p f c 实现电路来详细说明a p f c 技术，并 介绍了几种基本b o o s t 型p f c 技术。最后，详细描述了b o o s t 型临界导电模式控 制器的工作原理及跟随式升压技术。 3 1 功率因数校正的原理 在前面的章节中，介绍了功率因数校正的基本原理和具体实现方式分类。我 们知道功率因数的校正主要是将输入电流调整成正弦波的形式，且与输入电压同 相位，调整的越接近同相正弦波则功率因数越接近理想值1 。功率因数校正电路 基本上是一个a c d c 变换器。一个标准的变换器利用脉冲波宽度调变技术来调 整输入功率的大小，以提供适当的负载所需功率。脉冲波宽度调变器控制切换开 关( 功率m o s 管) 将直流输入电压变换成一串电压脉冲波，再利用变压器和快速二 极管将其转换成平滑的直流电压输出。这个输出电压随即与一个参考电压进行比 较，所产生的电压差回馈至p w m 锁存器。这个误差电压信号用来改变脉冲波宽 度的大小，如果输出电压过高，脉冲波宽度会减小，进而使输出电压降低，以使 输出电压恢复至正常输出值。p f c 电路是利用这个方法，加入一些控制电路，如 图3 1 所示为b o o s t 有源功率因数校正器原理图，虚框内为控制电路。 图3 1 所示电路的工作原理是：主电路的输出电压v 。和基准电压v 。f 输入到 电压误差放大器v a 比较，整流电压v d c 检测值和v a 的输出电压信号共同加到 乘法器m 的输入端，乘法 器m 的输出则作为电流 反馈的基准信号，与开关 电流i 。检测值经过电流误 差放大器c a 比较后，加 到p w m 及驱动器，用来 控制开关t ，的通断，从而 使输出电流也就是电感电 流i l 的波形与整流电压 v d c 的波形基本一致，使 图3 1b o o s t 型有源功率因数校正器 第三章有源功率因数校上e 原理与技术分类 9 电流谐波大为减少，提高了输入端功率因数，由于功率因数校正器同时还保持输 出电压恒定，所以使下一级开关电源设计更加容易【7 1 。 集成电路设计最终是要进行流片，所以减小芯片面积是降低成本的关键因素， 进一步讲，就是要在不影响功能和性能的情况下，尽量减少电路中的元器件个数， 从图3 1 可以看出，乘法器电路无疑是最难实现且又需较多元器件的模块，能不 能不用乘法器呢? 答案是肯定的。根据前面的叙述，我们可以看出临界导电型电 路具有很高的性价比，那么临界导电型再加上无乘法器的电路就是我们追求的目 标，接下来我们就将介绍这种电路【2 6 j 2 7 1 。 临界导电模式控制器在照明应用中很流行，而且使用方便价格低廉。图3 2 给出了这种电路的简化原理及电感电流波形。稳定输出时控制器的电流波形从零 斜升到参考信号然后回到零。参考信号与整流后的输入电压成比例，可以记为 k v 。，其中k 是传统电路中交流电压分压器和乘法器的度量常数。己知电感和 输入电压的斜率关系，以下等式成立： i d k = k v ( t )( 3 一1 ) i p k ：a i = 卑堕t 。 ( 3 2 ) l 其中i p k 是电感峰值电流，令两式的i p k 相等，可以求出开关管的导通时间 t。=kl(3-3) 图3 2 不带乘法器的临界导电p f c 简化原理图及电感电流 此等式表示对于给定的参考信号，t 0 。是常数。关断时间t o f f 在整个周期中变 化，这就是可变频率的原因，它对于i 临界导电是必要的。在给定的线路和负载条 件下导通时间为常数，这是该控制电路的基础。图3 2 中，可编程单稳态触发器 确定功率开关的导通时间。当导通时间结束时，p w m 将切换状态并断开功率开 关。零电流检测器检测电感电流，当它达到零时，开关再次接通。虽然这产生了 略微不同的电流波形，但是与传统方案有相同的直流输出，而且不需要乘法器。 l o 有源功率因数校正电路设计与高次谐波抑制研究 3 2 有源功率因数校正控制器的分类 我们知道有源功率因数校正控制器因其灵活、小型、高效而应用广泛。前一 章将有源功率因数校正控制器按控制的方法细分为：无电容方式、d i t h e r 方式、 滑模( s l i d i n gm o d e ) 控制及单周期( o n ec y c l e ) 控制等进行了详细介绍：本章我们将 a p f c 控制器按电路的结构进行分类介绍，现在大多数有源功率因数校正器( a p f c ) 都采用升压式，这是因为其具有简单的控制方法、高的功率因数值、小的谐波失 真、适用广泛( 7 5 w 2 0 0 0 w ) 等特点。 为了后面设计电路的选型，我们给出b o o s t 有源p f c 三种工作模式的优缺点， 如下： 仆连续诤电 蜃 ，t 匹玉l u 1 , e 漶 匾 c ，睡弹昝电绶武f c r m ，电够r 耗魄 图3 3b o o s t 型有源功率因数校正电感电流波形 非连续导电型：这种技术有很明显的缺点，输入电流的纹波比较大，因而开 关的损耗很大，使开关的使用寿命降低；输出电压的纹波也较大，对负载有一定 的影响。因此它只适用于对功率因数要求不高、功率较小的场合。采用该模式的 p f c 电路电感电流波形如图3 3 ( 曲所示。 连续导电型：输入电流和输出电压的纹波都比较小，但控制较复杂，开关损 耗较大，制作成本也比较高。这种导电模式一般使用于大功率、大电流的产品中， 对于普通的荧光灯电子镇流器显然是不合适的。采用该模式的p f c 电感电流波形 第二章有源功率因数校正原理与技术分类 i i 如图3 3 ( b ) 所示。 临界导电型【2 4 】：通过加入相应的控制电路，使得输入电流的峰值随正弦波包 络值的变化而变化，其功率因数可以非常高，达到9 5 是很容易的。相对c c m 型而言，虽然它的输入电流、输出电压的纹波都较大，因而对开关的冲击较大， 同时开关的导通损耗也较大，但其电路结构比较简单，比较容易控制，成本较低。 与d c m 型相比，临界导电模式的输入电流、输出电压的纹波都比较小，功率因 数也比较高，但电路结构要复杂一些，控制也相对复杂，成本较高。采用该模式 的p f c 电感电流波形如图3 3 ( c ) 所示。 一、功率因数的定义【1 l 【2 】 前面介绍了功率因数校正的分类，下面在介绍功率因数校正原理之前先介绍 一下功率因数的定义。电工学中线性电路的功率因数习惯用c o s d p 表示，q 为正弦 电压与正弦电流间的相位差。主要由于整流电路中二极管的非线性，尽管输入电 压为正弦，电流却为严重非正弦，因此线性电路的功率因数计算不再适用于 a c d c 变换电路。用p f ( p o w e r f a c t o r ) 表示功率因数，其定义为有功功率( p ) 与视 在功率( s ) 的比值。即 p f ：旦：旦出塑：i t c o s 弼t ：删仍( 3 4 ) s u l l ri r 一 式中：i j 为输入电流基波有效值；i r 为电网电流有效值，i r = , i ；+ i ；+ + i ：， 其中i i , 1 2 ，i 。为输入电流各次谐波有效值；u l 为输入电压基波有效值；y 为输入 电流的波形畸变因数；c o s c pl 为基波电压和基波电流的位移因数。y 越小表示设 备输入电流谐波分量越大，c o s c pl 越小，则设备的利用率越低。 为了表达功率因数与谐波的关系，引入了总谐波畸变( t h d l 则 t h d = 瓶f 酊而；( 3 - 5 ) p f = t h d 用来衡量电网的污染程度，其值越小 说明功率因数越高，对电网的污染越小。 传统开关电源功率因数低的根源是整 流电路后面的大的存储电容( b u l ks t o r a g e c a p a c i t o r ) 使输出电压平滑，但却使输入电 流变为尖脉冲，见图3 4 所示。产生电流 尖峰的原因是整流电路之后是容性负载， 为了使整流电路之后负载呈阻性以消除电 u i 1 i ，7 ( 3 - 6 ) 图3 4 传统开关电源输入电压电流波 有源功率因数校正电路设计与高次谐波抑制研究 流尖峰，就要引入隔离电路， 隔离电路的引入可以 解决电流尖峰的问题，从 而提高电路的功率因数， 但如何控制功率m o s 管 的开启与关闭时间就成了 实现这一电路的关键问 基本隔离p f c 电路如图3 5 所示。 l j l j 钔宁充电q c 厂ni 图3 5 基本隔离p f c 电路 题，下面具体介绍几种b o o s t 型p f c 技术拓扑结构，从中我们可以了解到一些控 制方法。 二、基本b o o s t 型p f c 技术【3 】 目前应用最为广泛的是b o o s t 型电路，其特点前面已经介绍，这里将讨论几 种基本b o o s t 型p f c 技术，因为各种类型的电路结构都是建立在这些技术之上的。 1 乘法器p f c 技术 八十年代中期，有源 功率因数校正技术的研究 以乘法器方式为主，其基 本原理电路如图3 6 所 示。图中b o o s t 变换器工 作在连续导电模式，其电 感电流就是输入电流。电 感电流被采样并被控制， 图3 6 典型乘法器p f c 电路结构 使其幅值与和输入电压同相位的正弦参考信号成正比，从而达到功率因数校正的 目的；乘法器方式p f c 电路还可以根据输出电源反馈信号，利用一个乘法器电路 来控制正弦参考电流信号，从而获得可调整的输出电压。关于乘法器型p f c 技术 的控制方案可分为三种：常频控$ i j ( c o n s t a n t _ f e q u e n c yc o n t r 0 1 ) 、常误差带控制 ( c o n s t a n t - t o l e r a n c e b a n dc o n t r 0 1 ) 和变误差带控$ 1 j ( v a r i a b l e t o l e r a n c e b a n dc o n t r 0 1 ) 。 目前这类功率因数校正控制器电路的研究主要是提出新的拓扑结构和对新的 控制技术的研究，如滑模控制、单周期控制等。 2 电压跟随器p f c 技术 八十年代后期，s d f r e e l a n d 首先提出了利用不连续导电模式进行功率因数 校正的概念，有人称之为自动功率因数校正。k h l i u 首先应用“电压跟随器 ( v o l t a g ef o l l o w e r ) ”这个词来描述这一类有源功率因数校正技术。图3 7 所示是 b o o s t 型的基本电压跟随器p f c 电路。该变换器工作在不连续导电模式，开关管 t r 由输出电压误差信号控制，开关周期为常数。由于峰值电感电流基本上正比于 输入电压，因此，输入电流波形自然地跟随输入电压波形。事实上，对于不同的 第三章有源功率因数校正原理与技术分类 变换器结构，输入电流波形会出现不同程度的畸变，但这对输入功率因数的影响 并不明显。与乘法器型p f c 电路相比，电压跟随型p f c 电路的控制简单，仅需 要一个输出电压控制开关。因此，多数现有的开关电源p w m ( p u l s ew i d t h m o d u l a t i o n 脉宽调制) 控制集成电路均可作为电压跟随型p f c 电路的控制器。而 且，变换器工作在不连续导电模式下，就避免了b o o s t 变换器中因输出二极管反 相恢复电流而带来的问题。 | 璺| 3 7b o o s t 型电压跟随器p f c 电路 电压跟随器型p f c 技术的一个缺点是其输入电流波形为脉动三角波。因此其 前端需添加一个小容量的滤波电容以滤除高频纹波，实际在图3 7 中我们画出了 l c 低通滤波器，效果会更好。另一个缺点是其较高的开关峰值电流会带来较大 的开关关断损失。尽管如此，由于这种p f c 技术简单，近年来对它的研究也很活 跃。根据研究，所有基本变换器类型，如b u c k 、b o o s t 、b u c k b o o s t 等在不连续 导电模式下都可用于构成电压跟随式p f c 电路。 有关电压跟随器型p f c 电路的研究主要集中在对其性能的改进方面，如软开 关技术、多导电模式以及新的拓扑结构，以提高其动态响应速度等。 3 3 跟随式升压技术 前面我们讲到目前的功率因数校正控制电路大都采用升压型，采用普通升压 模式的功率因数校正控制器，根据电 源类型( 美国、欧洲等) 的不同，其固 定的稳压输出一般都是2 3 0 v 或 4 0 0 v ，这种固定输出具有一个很大的 缺陷：不管输入电压峰值如何，输出 电压总比输入电压峰值高许多，这样 无疑就会消耗掉很多能量用来维持高 的升压值，为了解决这一问题，业界 图3 8 跟随式升压特性 。圈碴；|!# 銎犟銎 一 一 专+ 一 承拦 1 4有源功率因数校正电路设计与高次谐波抑制研究 人士提出了一种新的升压输出技术跟随式升压技术，采用跟随升压控制技术 的功率因数校正控制器的输出电压并不固定在某一特定的电压值上，而是在给定 输入功率的条件下，随着交流电源幅度的变化而线性的改变。跟随升压技术的特 性如图3 8 所示【2 8 】【2 9 】。 跟随升压过程主要有以下两个阶段， 第一阶段即开关管导通阶 段：在开关管导通过程中，电 感电流按斜率v i n l 线性上 升。这里，v i n 是瞬时输入电 压，l 是电感量； 第二阶段即开关管截止过 程：在开关管截止过程中，电 感电流按斜率( v o - - v i n ) l 线 性下降，直到电感电流降至零。 参看图3 9 跟随升压工作情况。 开关管导逼 图3 9 跟随升压工作情况 这里，v o 是输出电压。由于放电过程持续的时间比普通升压技术要长，因此在跟 随式升压技术中，截止时间也延长了。 传统升压技术相对应的两个阶段持续时间是相等的，相比较不难看出跟随式 升压技术有很大的优点：在给定的峰值电感电流下，既然输出开关管的截止时间 被延长了，那么其开关频率就下降了，开关管的导通损耗也就大大降低了。这样， 选用小电感量的升压电感就可以将开关频率限制在可以接受的水平，整个电源的 体积、重量和成本都得以降低。 最后要说明一下，跟随式升压由于输出电压会发生变化，直接利用输出电压 当然是不合适了，但是功率因数校正控制器后往往要接d c d c ，现在的高性能 d c d c 大都具有宽电压输入范围，所以接在跟随式升压a p f c 之后非常合适。 第四章x d 5 0 3 1 系统设计 第四章x d 5 0 3 1 系统设计 前面已经介绍了有关功率因数校正的相关原理并也提到本论文是在此理论研 究的基础上设计一款功率因数校正专用芯片。本章我们将详细介绍x d 5 0 3 1 芯片 的系统设计，包括系统性能参数设计、系统原理框图设计、工艺选择。 4 1 系统性能参数设计 根据前面的介绍，本设计采用b o o s t 型l 临界导通模式控制，我们确定出该芯 片内部电路的基本电特性参数、引脚个数、定义及典型应用等。 一、芯片功能设计要求 x d s 0 3 1 是一款自由频率l 临界导电模式b o o s t 型a p f c 控制芯片。可应用于 照明用电子镇流器、离线式开关变换器等电力电子设备。它具有以下一些功能： 双模式：标准固定输出模式、跟随升压模式； 带逐周导通时间控制的p w m 锁存器； 导通时间固定，无需外部乘法器； 图腾杜式输出驱动电路； 带迟滞的欠压锁定功能； 较低的启动和工作电流； 具有同步功能，具有过压欠压保护功能，过流保护功能； 最大导通时间精确可调； 内嵌精密基准电流源。 芯片引脚功能设计如下： v c c ( 弓l 脚1 ) ：该引脚为电路的正电源端，当v c c 高于l l v 时电路开始工作， 启动后的v c c 的范围为8 5 v 1 6 v 。 d r i v e ( 弓l 脚2 ) ：栅极驱动电流可用于驱动绝缘栅双极晶体管( i g b t ) 或功率 m o s 管。 g n d ( 日j 脚3 ) ：该引脚必须与前置预转换器( 如整流桥) 的接地端相联。 s v n ( 日i 脚4 1 ：该引脚用于接收同步信号。这一功能可使p f c 控制器与相连 的开关电源( s m p s ) 同步，如果不使用同步模式，该引脚接地。 c s ( 弓r 脚5 ) ：该引脚用于连接与电感电流成正比的负电压信号，用于电感零 电流检测，这一功能是通过外接检测电阻来配合实现的。同时，该引脚还可实现 1 6有源功率因数校正电路设计与高次谐波抑制研究 过流限制，过流门限值由与该引脚相联的电阻和外部检测电阻来确定。 c t ( 弓i 脚6 ) ：该引脚外接电容c t 以产生锯齿波，c t 电压与v 。1 电压相比 较后的信号用于控制导通时间。c t 的充电电流与反馈电流的平方值成正比。 v c o n ( 弓i 脚7 ) ：该引脚为稳压模块输出端。在该引脚与地之间接电容，用于 外部环路补偿，调节带宽低于2 0 h z 以得到不失真的输入电流。 f b ( 引脚8 ) ：该引脚为反馈电流输入端，反馈电流与功率因数校正控制器组 成的应用电路的输出电压成正比。反馈电流输入后将用于稳压和过压、欠压保护， 并且经内部平方电路以后用作振荡器电容的充电电流。 二、典型应用电路图 1 5 0 w 负载时的应用电路如图4 1 所示，图中标星号的参数是跟随式升压模式 的参数，未标的是传统固定输出模式的参数。 r - - - - - - 图4 1 1 5 0 w 典型应用电路图( d i p 8 封装) 三、电特性指标 根据应用场合的要求以及工艺参数，参照国外新型芯片的参数指标，我们确 定各电特性参数如下。 1 最大额定值 表4 1 最大额定值 参数符号值单位 d r i v e 脚驱动电流 灌电流 i “幻i 1 一5 0 0 m a 拉电流 l “竹k ) 5 0 0 v c c 最大值 v c c ( m a x l 1 6v 输入电压v m o 3 + 1 0 v 工作温度t 一4 0 + 1 0 5 第四章x d 5 0 3 1 系统设计 1 7 2 电气特性 我们设计的典型值的指标适用于v c c = 1 3 v ，t a = 2 5 除特别说明外，最大 最小值均对应全温度范围( t j = 一4 0 + 1 0 5 ) 。 表4 2 电特性参数表 符号参数说明最小值典型值最大值单位 功率开关管驱动电阻 r o l 灌电流i “。) - 1 0 0 m a l o2 03 5q r o 拉电流l “。i l k ) = 1 0 0 m a 51 02 5 v t振荡器摆幅 1 41 51 6 v 振荡器充电电流 l c i i w 嚣i f b = 1 0 0 “a 8 7 51 0 01 1 2 5u a i f a = 2 0 0 p a 3 5 04 0 04 5 0 i g - h 稳压器参考电流上限1 9 2 2 0 0 2 0 8 u a l g l ，l 化g - h 稳压器参考电流下限与上限之比 0 9 6 50 9 7o 9 8 v z c d - l h 零电流检测比较器门限一9 0 一6 0 3 0 m v i o c pc s 引脚内部电流源 1 9 22 0 52 1 8u a v s c _ m 同步信号门限o 8 1 01 2 v l d 。热关断门限( 3 0 迟滞) 1 5 0 i f b = 1 0 0 9 a 时 v f b 1 0 0 1 52 12 5 v 反馈脚的箝付电压 i