（电路与系统专业论文）功率因数校正技术研究及校正控制芯片设计.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 随着电力电子技术的飞速发展，人类对电能的利用能力以及各种类型供电系 统的技术水平都有了很大的改善。但由于不控整流器在功率设备中的广泛应用， 各种谐波对电网的污染也变得十分严重，使得电能的生产、传输和利用的效率降 低。为了解决这一问题，抑制开关电源产生的谐波，我们必须设计新一代高性能 整流器，它应具有输入电流为正弦波、谐波含量低以及功率因数高等特点，即具 有功率因数校正( p f c ，p o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n ) 功能。 国外改善开关电源功率因数工作的重点，主要是功率因数校正电路拓扑结构 的研究和功率因数校正芯片的开发，采用功率因数校正电路的开关电源，其功率 因数可达0 9 5 0 9 9 ，近似于1 ，近年来功率因数校正电路得到了很大的发展，功 率因数校正技术也日益成熟，成为电源管理i c 研究的重要方向之一。与国外相 比，国内这一方向的研究工作开展较晚，其中亦包括工艺上的限制，因对耐压和 驱动能力的要求苛刻，需要较为先进的工艺支持。 而当前能源紧缺己成为制约国民经济发展的一个瓶颈，有鉴于功率因数校正 对电能利用和电网供电质量的重要意义，本文在广泛了解和研究近年来功率因数 校正技术主要研究成果的基础上，着重改进和完善了平均电流模式控制的功率因 数预调节器( p f ep o w e rf a c t o rp r c r e g u l a t o r ) 系统，在其控制部分增加了电压前 馈环节，使得系统在交流线电压输入变化时环路增益保持恒定，维持较好的动态 响应。同时针对现代电力电子装置中有源功率因数校正技术应用的需要，在b c d ( b i p o l a r - c m o s d m o s ) 工艺支持下，将相应的控制电路集成到芯片上，提出 了完整的芯片设计方案，包括系统、模块和版图的设计。通过对个2 5 0 w 基于 b o o s t 拓扑的p f p 系统的建模，解决了此类高频开关电源电路的系统仿真问题。 仿真结果表明在2 2 0 v ，5 0 h z 输入下，应用该芯片的p f p 系统的电流总谐波失真 可控制在1 7 以下，功率因数可达0 9 9 9 ，并实现了软启动和欠压、过压，过流 等保护功能。此外，芯片在1 2 v 供电电压下的稳态工作功耗仅为0 1 i w ( 包括开 关损耗) 。所设计芯片已流片，本文最后给出了样片的详细测试结果，已得到的 结果表明，芯片内部模块功能正常，性能基本符合预期。系统测试还在进行中。 关键词：功率因数校正，功率因数预调节器，平均电流模式，电压前馈，芯片 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t w m lt h er a p i dd 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 。t h ec a p a b i l i t yo fu t i l i z i n g e l e c t r i c i t ya n dt h ep e r f o r m a n c e so fe l e c t r i cn e t w o r kh a v eb e e ng r e a t l yi m p r o v e d b u t d u et ow i d ea p p l i c a t i o n so ft h er e c t i f i e r s ，v a r i o u sh a r m o n i cw a v e sa r ep r o d u c e d t h e y p o l l u t et h ee l e c t r i cn e t w o r ks e r i o u s l ya n dr e d u c et h ee f f i c i e n c yo fp r o d u c t i o n t r a n s m i s s i o na n du t i l i z a t i o no fe l e c t r i c i t y r e c e n t l y , t h ee n e r g ys h o r t a g eh a sb e c o m e 血eb o t t l en e c ko fd e v e l o p i n gn a t i o n a le c o n o m vs i n c et h ep o w e rf a c t o ri so fk e y i m p o r t a n c et or a i s i n go fe n e r g ye f f i c i e n c ya n di m p r o v i n go fp e r f o r m a n c e so ft h e e l e c t r i cn e t w o r k ，n e wr e c t i f i e r s 、 ，i lh i 出p e r f o r m a n c ea r ei nd i r en e e d ，w h i c hh a v e t h ep o w e rf a c t o rc o r r e c t i o nf u n c t i o nt or e s t r a i nt h eh a r m o n i cw a v e so fs w i t c hp o w e r s u p p l i e s r e s e a r c ho nt h ep 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 yi ns w i t c hp o w e rs u p p l i e si s i n t e r n a t i o n a l l yf o c u s e do nt h ec i r c u i tt o p o l o g ya n dt h ec o n t r o lc i r c u i t i nr e c e n ty e a r s t h ep 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 ya r ed e v e l o p e dr a p i d l y , w h i c hh a v eb e c o m ea l l i m p o r t a n tf i e l do fp o w e rm a n a g e m e n ti c n o w 也ep o w e rf a c t o ro fm o d e ms w i t c h p o w e rs u p p l i e sw i t hp o w e rf a c t o rc o r r e c t i o nf u n c t i o nc a l lb er a i s e dt o0 9 5 - 0 9 9 n e a r u n i t c o m p a r e dt ot h et e c h n o l o g yp r o g r e s so v e r s e a s ，t h er e s e a r c ho np o w e rf a c t o r c o r r e c t i o ni c ( i n t e g r a t e dc i r c m t ) i no u rc o u n t r yi sj u s ts t a r t e du p ni sp a r t l yd u et ot h e r e s t r i c t i o no ft h ed o m e s t i ci cp r o c e s sr e q u i r e df o rt h e s ei c t h er e q u i r e m e n t so fh i g h v o l t a g ea n dl a r g ed r i v i n gc a p a c i t ym a d e i td i f f i c u l tt od e v e l o pt h e s e i nt 1 1 i st h e s i s t h er e c e n tp o w e rf a c t o rt o r t e c t i o nt e c h n o l o g i e sw e r ew i d e l y d i s s c u s e d a n dt h ee n h a n c e m e n to fp o w e rf a c t o rp r e r e g u l a t o r 伊f p ) s v s t e mw a s i n t r o d u c e db yi m p r o v i n gt h ea v e r a g ec u r r e n tm o d ec o n t r 0 1 a ni n p u tv o l t a g e f e e d - f o r w a r dp a r tw a sa d d e dt o 也ec o n t r o ll o o p st oi m p r o v et h es y s t e ms t a b i l i t yw h i l e t h ei n p u tv o l t a g ev a r i e d f o rt h eu s eo fa c t i v ep 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 yo f m o d e mp o w e re l e c t r o n i ca p p l i a n c e s ，ac o n t r o l l e rc h i pw n sp r o p o s e db a s e do nt h e b c d ( b i p o l a r - c m o s d m o s lp r o c c s sw i t ha na v e r a g ec a r t e n tm o d ec o n t r o la n da f e e df o r w a r dv o l t a g e 1 1 1 ew h o l ed e s i g nw a sf u l f i l l e di n c l u d i n gs y s t e md e s i g n c i r c u i t m o d u l ed e s i g na n dl a y o u td e s i g n as o l u t i o nu s i n gm a c r om o d e lw a si n t r o d u c e dt o s e t t l et h ed i f f i c u l t i e si ns y s t e ms i r e u l a t i o no fh i g h 丘e q u e n c ys w i t c hp o w e rs u p p l i e s a 2 5 0 wb o o s tc o n v e r t e rc i r c u i t r yb a s e do nt h ec h i pw a ss i m u l a t e d t h er e s u l t ss h o w e d t h a tt h et h d ( t b t a lh a r l t l o n i cd i s t o r t i o n ) o fi t so u t o u te n t r e n tw a sr e d u c e dt o1 7 a n dt h en e a ru n i t yp o w e rf a c t o rw a sa v a i l a b l e ，w h e nt h ei n p u tv o l t a g ei s2 2 0 v ，5 0 h z s o f ts t a r tu pa n dt h ep r o t e c t i o nf u n c t i o n si n c l u d i n gt h eu n d e ra n do v e rv o l t a g e p r o t e c t i o na n dt h e o v e rc u r r e n tl i m i tw e r er e a l i z e dp e r f e c t l y a n dt h ep o w e r d i s s i p a t i o ni so 11 wf i n c l u d i n gs w i t c h i n gl o s s ) w h e ns u p p l yv o l t a g ei s 1 2 v t h c d e s i g n e dc h i pw a st a p e do u t a sr e s u l t s ，t h et h e s i sg a v et h ed e t a i l e dt e s t i n gr e s u l t s ， w h i c hs h o wt h a tt h ec h i pw o r k sn o r m a l l ya n d 也es p e c i f i c a t i o n sm e e tt h ed e s i g n e d s p e c w e l l k e y w o r d s ：p o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n ( p f c ) ，p o w e rf a c t o rp r e - r e g u l a t o r ( p f p ) ， a v e r a g ec u r r e n tm o d ec o n t r o l ，i n p u tv o l t a g ef e e d - f o r w a r d ，c h i p 2 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 随着电力电子技术的飞速发展，人类对电能的利用能力以及各种类型供电系 统的技术水平都有了很大的改善。但由于不控整流器在功率设备中的广泛应用， 各种谐波对电网的污染也变得十分严重，使得电能的生产、传输、和利用的效率 降低。为了解决这一问题，抑制开关电源产生的谐波，我们必须设计新一代高性 能整流器，它应具有输入电流为正弦波、谐波含量低以及功率因数高等特点，即 具有功率因数校正( p f c ，p o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n ) 功能。 1 1 功率因数的定义 根据电工学的基本理论，功率因数p f ( p o w e rf a c t o r ) 一般定义为系统的有功 功率p 与视在功率s 之比： p f 2 p s ( 1 1 ) 当系统由工频电网供电时，设源电压为v i = v ps i n w t 由于非线性负载影响使输 入电流中含有谐波，设输入电流为i i = 妻i n p s i n ( n w ，+ 、壬，。) 同时有v 。= 兽； i r i l r 2 + 1 2 r 2 + + 1 n r 2 ；式中v p 是输入电压的幅值：甲。为各谐波电流与输入电 压的相移 角，由系统的输入阻抗特性决定。考虑工频一周内系统的有功功率p = 老等xc o s q 。l 喜嚎j s i n w t s i n ( n w t + q 7 n ) d t ，= 老西l l p s 甲：， 将( 1 - 2 ) 式代入( 1 - 1 ) 式得 p f ：孚x c o s 甲1 ( d f ) x c o s w l ( 1 3 ) 式中d f ( d i s t o r t i o n f a c t o r ) 定义为电流的畸变因数，它是输入电流基波有效值几 与输入电流计及各次谐波后的等效有效值 之比。故系统的功率因数实际上是电 流畸变因数d f 乘以基波电流与电压相移角的余弦c o s 甲l ：c o s q l 越小，则设备 的无功功率越大，设备利用率越低：d f 越小，表示设备输入电流谐波分量越大， 电流波形畸变越严重。如果系统的输入电压和电流无相移( 即系统为纯电阻性， 浙江大学硕士学位论文 c o s 1 1 l = 1 ) ，且无任何谐波分量时( 即d f = i ) ，则系统的p f 必然等于1 从式( 1 - 3 ) 可见，抑制谐波分量即可达到减小d f 、提高功率因数的目的， 因此可以定性的说谐波的抑制电路就是功率因数校正电路。 1 2 功率因数不为1 带来的危害 这类负载的危害分为谐波电流和基波无功功率两部分： 1 、无功功率导致电网中流动功率增加，电网损耗增加，电网设备体积、总 量和成本增大。 2 、谐波电流影响： 一造成电网电压畸变，影响其它设备的正常工作，引起测量误差等。特别是 容易引起电网继电保护误动作。 一增加电网设备如变换器电机等的损耗，增加温升甚至烧毁。 一引起无功补偿电容器过压甚至击穿烧毁。 一引起电网谐振，破坏电网稳定。 一造成中线电流显著增加，导致中线严重发热，甚至引起火灾。 1 。3 常用功率因数校正方法 对开关整流电路而言，a c d c 前端通常由桥式整流器和大容量滤波器组成， 如图1 1 所示。在这种电路中，只有当线路的峰值电压大于滤波电容两端的电压 时，整流元件才有电流流过，如图1 2 所示。图中i 为输入电流，u 为输入电压。 图1 1a c d c 前端电路 图1 - 2 输入电压与电流波形 输入电流i 呈尖脉冲形式，且产生一系列奇次谐波，如图1 3 所示，致使功率因 数降低为o 6 - - 0 7 。整流电路后面的滤波电容使输出电压平滑，却使输入电流变 为尖脉冲，所以对开关整流电路而言，不良功率因数主要源于电流波形的畸变【2 】。 浙江大学硕士学位论文 0l3579 n 图1 3 输出谐波分量 因此必须通过电路方法抑制输入电流中的谐波分量，将输入电流波形校正为 j e 弦波或使其无限接近正弦波，并保持与输入电压同相，从而实现功率因数校正 的目的。其基本思想是将整流电路与滤波电容隔开，使整流电路由电容性负载变 为电阻性负载。 有很多的电路方式可以实现这一目的，但目前广泛使用的改善功率因数的方 法主要有以下两种： 1 3 1 无源滤波法 无源滤波技术是采用电阻、电容、电感和二极管等无源元件进行科学巧妙的 组合，来增加整流二极管的导通时间，平滑输入电流，降低其幅值，达到抑制输 入电流畸变，提高功率因数的目的。一般可在电路的整流器和电容之间串联一个 滤波电感( l c 滤波) ，或在交流侧接入谐振滤波器( r c 滤波) 。无源滤波法主要 优点是：简单、成本低、可靠性高、e m i 小。主要缺点是：对于l c 滤波而言， 难以得到高功率因数；尺寸、重量大；工作性能与频率、负载变化及输入电压有 关；电感和电容间有大的充放电电流等。对于r c 滤波而言，由于功率损耗的原 因，一般用于2 0 0 w 以下。综合来看，由于无源滤波法结构简单，目前还常使用。 1 3 2 有源功率因数校正法 有源功率因数校正法是在整流桥和负载之间接入一个d c d c 变换器，应用 电流反馈技术使输入端电流跟踪交流输入的正弦电压波形，其输入电流t h d 可 以降到5 以下，而功率因数可提高到o 9 9 以上。由于采用了有源器件如m o s f e t 等，因而称之为有源功率因数校正。这种方法的优点主要在于体积小、重量轻、 6 浙江大学硕士事位论文 可以得到很高的功率因数和很小的t h d 、负载适应性高、输入电压适应性高等。 而它也存在一些缺点，如电路复杂、m t b f ( 平均无故障时间) 下降，成本高、 效率低和e m i 高等。随着电力电子器件成本、体积的降低，制造工艺水平的不 断提高，有源功率因数校正技术正被越来越广泛的应用在a c d c 开关电源、交 流不问断电源( u p s ) 等领域。 1 4 有源功率因数校正技术的现状与发展趋势 1 4 1b o o s t 拓扑分析 轧 l 卜 ( a ) 卜 i l l ( b )( c ) 图1 5 ( a ) b o o s t 电路( b ) 晶体管t 导通时的等效电路 ( c ) 晶体管t 关断时的等效电路 b o o s t 电路的基本拓扑结构如图1 5 ( a ) 所示，因为其输出电压平均值u o 总是大于或等于输入电压u d ，它是一种升压斩波电路。通过控制晶体管t 导通 时间的占空比，可以在u d 之上控制输出电压。电路工作过程分t 导通和关断两 个阶段：t 导通时，二极管d 反向偏置，负载电路与输入隔离，等效电路如图 1 5 ( b ) 所示；此阶段电感l 储能，电源不向负载提供能量，负载靠储于c o 的 能量维持工作。t 关断时，如果电感足够大，电感电流连续，在电感电流连续条 件下，等效电路如图1 5 ( c ) 所示；此阶段电源和电感共同向负载供电，此时还 给电容c o 充电。 ll，中 浙江大学硕士学位论文 b o o s t 电路实现的功能是进行升压变换，假设输入电压是一平直的直流电压 u d ，开关接通的占空比定义为k ，则输出电压踟：# 冬，具体推导可见参考文 i 一尼 献 3 】。 1 4 2 双级型p f c 电路与单级型p f c 电路的比较 双级型的p f c 电路中能量要被处理与传递两次，它由一个功率因数预调节 器( p f p ) 和d c d c 变换器串联而成。前者主要负责正弦化输入电流，后者主 要负责调整输出电压。这种类型拓扑的优点有：可以在得到高输入功率因数与低 输入电流谐波的同时，得到较好的输出电压特性，例如：较小的输出电压纹波， 较快的输出电压调整率等；可以在实现输入输出绝缘的同时实现较长的掉电维持 时间；电路中的能量存储电容的电压可控。缺点有：电路较为复杂，整机效率较 低，需要两套控制电路，成本较高。它的应用场合主要有：后级电路对p f c 电 路的输出特性要求较高时，或整个产品对输入电流质量要求较高时。 单级型的p f c 电路将p f c 级和d c d c 级组合在一起，同时实现对输入电流 的整形和对输出电压的调节，但与两级方案相比，它只调节输出电压，保证输出 电压的稳定，而对输入电流没有进行调节，让输入电流自动跟踪输入电压，因此， 单级p f c 电路的校正效果比较差。其能量只被处理与传递一次，输入电流的正 弦化与输出电压调整在一个电路中完成。这种类型拓扑的优点有：电路结构比较 简单，成本低。缺点有：需要对输入电流质量与输出电压特性进行折衷取舍。它 的应用场合主要有：输出功率较小的场合，或者后级对p f c 电路的输出特性要 求不高的场合。 由于双级型p f c 电路比单级型p f c 电路更容易获得高的输入功率因数与低 的输入电流谐波，因此随着越来越多的更为严格的有关谐波限制的国际标准出 台，研究双级型p f c 电路及开发相应的控制芯片是十分有意义的。 1 4 3b o o s t 拓扑在功率因数校正电路中的应用 在有源功率因数校正电路中，任何一种d c d c 变换器拓扑，如b u c k ，b o o s t ， f l y b a c k ，s e p i c ，乃至c u k 变抉器都可用作主电路。但升压式( b o o s t ) d c d c 变 浙江大学硕士学位论文 换器是有源功率因数校正电路的理想选择。应用b o o s t 拓扑的有源功率因数校正 电路可以参见图1 - 6 、1 - 7 、1 - 8 、1 - 9 ，其输入端是电感，可以获得连续的输入电 流，从而减小了输入电流的高频成分，减小了传导噪声，获得最佳的输入电流波 形。输入电容c i 可减少切换时所造成的杂信号回流至交流电源。此外b o o s t 电 感l 只存储一小部分的转换能量，因为交流电源在电感去磁期间，即m o s f e t t 在关断期间仍持续供给能量，所以与其它拓扑结构相比，b o o s t 拓扑结构只需较 小的电感。除了上述特点外，在b o o n 电路中与整流桥串连的电感能减小高频噪 声，减小输入滤波器的体积，从而降低了成本。同时考虑到b o o s t 结构简单，实 现成本低，b o o s t 型拓扑在功率因数校正电路中得到了广泛应用。在双级型p f c 电路中，它可以作为前级的p f p ；在非隔离型的单级型p f c 电路中，它可以单 独使用作为单级型p f c 电路；在隔离型的单级型p f c 电路中，它又可以作为输 入电流整形器与带变压器的d c d c 变换器进行层叠式的组合。 但是这种拓扑结构也具有自身的局限性 1 6 】【1 7 】：它的输出电压只能高于输 入电压。因此若要适用于全球性的交流输入标准( 8 5 v r m s 一一2 6 4 v r m s ) ，它的输出电 压要高于3 7 3 v ，在我国如果仅考虑单相电网输入且最高电压为2 7 0 v ，则母线电 压须设置为3 8 5 4 0 0 v 。正是这一过高的直流母线电压在一定程度上限制了由 b o o s t 拓扑所单独构成的单级型功率因数校正电路的应用场合。理论上来说，只 有当一个采用交流输入系统的直流母线电压可以高于3 7 3 v 时，那么才可以用 b o o n 型功率因数校正电路作为它的a c d c 部分。在现今的电力电子领域中， 这种系统主要有：不间断供电电源，用于交流驱动的变频器，电子镇流器，车载 电源等。分析这些系统后，我们可以发现它们的直流母线其实都是逆变器的输入。 换句话说b o o s t 型功率因数校正电路十分适合作为具有逆变环节的系统的 a c d c 环节，这主要是因为：( 1 ) b 0 0 s t 型功率因数校正电路所提供较高的直流 母线电压在逆变器的输入范围内：( 2 ) 在逆变器环节中很容易实现输入输出隔离。 可见即使b o o s t 拓扑自身具有一定的局限性，它在电力电子领域中还是很有 发展空间的。因此自从它诞生以来，各国的众多学者专家提出了许多适用于b o o s t 型功率因数校正电路的控制策略。 9 浙江大学硕士学位论文 1 4 4b o o s t 型功率因数校正电路的控制策略 一般来说b o o s t 拓扑功率因数校正电路的控制策略根据电感电流的特性可以 分为：电感电流连续方式( c c m ) 与电感电流断续方式( d c m ) 。电感电流连续 就是指在每个开关周期中电感电流均不回零，而电感电流断续就是指在每个开关 周期中电感电流均回零。 c c m 的主要优点有：输入输出的电流纹波小，滤波容易；砌蚺s 电流小，器 件的导通损耗小。c c m 的主要缺点有：在硬开关状态下，开关损耗较高，尤其 是在续流二级管有较大反向恢复电流的情况下。 d c m 的主要优点有：开关管可以实现零电流开通( z c s ) ，减小了开关损耗； 避免了快恢复二级管的反相恢复电流，即减少了损耗又降低了开关管的电流应 力。d c m 的主要缺点有：器件的电流应力较大，导通损耗较高。 1 4 4 1 电感电流连续模式( c c m ) 在连续方式中又可以主要分为三种控制方式：峰值电流控制，滞环电流控制 平均电流控制。 1 4 4 1 1 峰值电流控制 该控制方式下基于b o o s t 电路的控制原理图和输入电流波形如图1 6 所示。 开关管t 的电流i ，被检测，所得信号f 。置送入比较器。电流基准值由乘法器输出 z 提供，z = x y 。x 是输出电压巧，h 与基准电压吒，之间的误差信号，y 是电压 检测值，因此电流基准为双半波正弦电压，使输入电感电流的峰值包络线跟踪输 入电压吃的波形。在上述系统中存在两种频率的电流：基准电流为工频，被控 制调节的输入电流为高频。在该控制方式下开关管在恒定的时钟周期导通，当输 入电流上升到基准电流时，开关管关断。取样电流来自开关电流或电感电流，可 实现峰值电流控制的i c 有m i a 8 1 2 、m i a 8 1 9 等。 该控制方式的优点有：原理简单，实现容易；该控制方式的缺点有：峰值电 流和平均值之间存在误差无法满足t h d 很小的要求；峰值电流对噪声敏感，占 空比大于o 5 时系统会产生次谐波振荡需要在比较器输入端加斜坡补偿。 1 0 浙江大学硕士学位论文 三r _ ：f _ | 门兀n 几门厂 厂l 图1 - 6 峰值电流控制 1 4 4 1 2 滞环电流控制 该控制方式下的基于b o o s t 电路的控制原理图和输入电流波形如图1 7 所 示。在该控制方式下开关导通时电感流上升，上升到上限阀值时，滞环比较器输 出低电平，开关管关断，电感电流下降：下降到下限阀值时，滞环比较器输出高 电平，开关管导通，电感电流上升，如此周而复始地工作。滞环电流控制和峰值 控制的区别在于：前者检测的电流是电感电流；并且控制电路多了一个滞环逻辑 控制器。所检测的电压经分压后，产生两个基准电流：上限值和下限值。当电感 电流达到基准下限值1 ，n i f t 时，开关管1r 导通，电感电流上升，当电感电流达基准 上限值。m “时，开关管关断，电感电流下降。 该控制方式的优点有：控制简单；电流动态响应快；具有内在的电流限制能 力。该控制方式的缺点有：开关频率在一个工频周期中不恒定，引起较严重的 e m i 问题和电流过零点的死区；负载对开关频率影响很大，滤波器只能按最低频 率设计；电流滞环宽度对开关频率和系统性能影响大，需精确计算合理选取。 。“v s ：n 几几li 唧m 图1 7 滞环电流控制 浙江大学硕士学位论文 1 4 4 1 3 平均电流控制 该控制方式下基于b o o s t 电路的控制原理图和输入电流波形如图1 8 所示。 平均电流控制的主要特点是用电流误差放大器c a 代替电流比较器，以输入整流 电压和输出电压误差放大信号的乘积为电流基准；并且电流环调节输入电流的平 均值，使与输入整流电压同相位，并接近正弦波。输入电流信号被直接检测，与 基准电流比较后，其高频分量的变化通过电流误差放大器，被平均化处理。放大 后的平均电流误差与锯齿波比较后给开关管r 驱动信号，并决定了其应有的占空 比。于是电流误差迅速而精确地被校正。由于电流环有较高地增益一带宽，使跟 踪误差产生地畸变小于1 ，容易实现接近1 的功率因数。在该控制方式下，电 感电流信号与锯齿波信号相加。当两信号之和超过基准电流时，开关管关断，当 其和小于基准电流时，开关管导通。用于平均电流控制的i c 有u c 3 8 5 4 、t k 8 3 8 5 4 、 m l 4 8 2 1 等。 该控制方式的优点有：可以得到较高的功率因数与较小的t h d ：对噪声不 敏感；原则上可以检测任意拓扑，任意支路的电流；开关频率固定适用于大功率 应用场合。该控制方式的缺点有：实际电流平均值与参考电流之间有误差，并且 这种误差随着占空比的变化而变化，从而有可能会引如低次谐波； 、：r r r 几n r 厂 广 图1 - 8 平均电流控制 1 4 4 2 电感电流断续模式( d c m ) 【1 8 】 【2 1 l 在断续模式中主要也有以下三种控制方式：恒定占空比控制，具有峰值电流 限制的单电压环控制，电流临界连续模式控制。 浙江大学硕士学位论文 1 4 4 2 1 恒定占空比控制 此控制方式基于b o o s t 电路的控制原理图见图1 - 9 _ a 其开关周期是恒定的， 当输入电压的有效值与输出功率恒定时，电压环将保证占空比也恒定。 此控制方式的优点主要有控制电路简单，缺点有：输入功率因数的理想值不 能到1 ；当输出电压与输入电压的比值较小时，输入电流中的低次谐波含量会比 较大。 1 4 4 2 2 具有峰值电流限制的单电压环控制 此控制方式基于b o o s t 电路的控制原理图见图1 - 9 b 实际上是对第一种方式 的改进，在该控制方式下，开关周期也是恒定的，但在半个工频周期中，占空比 会随着输入电压瞬时值的变化而变化。当输入电压的瞬时值最小时，占空比最大； 当输入电压的瞬时值最大时，占空比最小。 此控制方式与第一种控制方案相比，输入功率因数有所提高，但控制电路略 为复杂。 1 4 4 2 3 电流临界连续模式的控制 此控制方式基于b o o s t 电路的控制原理图见图1 - 9 c 其占空比与开关周期均 不恒定，但是当输出功率与输入电压的有效值恒定时，开关管的导通时间是恒定 的。 此控制方式的输入功率因数理论上能到1 ，但开关频率不恒定，使得输入电 流的高频纹波成分十分丰富，增加了e m i 滤波的难度。 图1 - 9d c m 下的控制原理图 浙江大学硕士学位论文 1 4 4 3 其它控制方式 随着控制技术的不断发展，一些比较复杂的控制策略也相继出现，例如单周 ( o n ec y c l e ) 控制。但是考虑到成本、实现的难易程度等因数，需要我们对采 用这些控制策略的b o o s t 型功率因数校正电路作进一步研究。 1 5 本文的主要工作和内容安排 在有源功率因数校正实现方案中，c c m 的峰值电流控制虽然控制电路简单 但效果不好，很难得到较小的电流t h d 以满足各种国际标准；而滞环电流控制 虽然效果较好，但因为它是一种变频的控制方式，所以会引起较严重的e m i 问 题：平均电流控制不仅是定频模式，而且理论上也能得到较高的输入功率因数与 较低的电流t h d 。而且由于平均电流法控制相对于其他方法有开关频率恒定， 占空比大于0 5 时无需斜率补偿等等诸多优点，平均电流控制方式在中等功率和 较大功率场合的功率因数校正中得到了广泛的采用。 同时将p f c 功能与d c d c 功能集于一体的所谓两级式p f c 转换器具有谐波 处理能力强，功率因数高，输出电压精确，负载能力强等优点，适用的功率范围 也较广，其前级p f p 电路亦成为当前研究的热点。 因此本文结合以上两点，针对现代电力电子装置中有源功率因数校正技术应 用的需要，在b c d 工艺支持下提出一个采用平均电流模式控制可应用于p f p 系 统的校正芯片的设计。该芯片除了具有软启动、使能、欠压、过压，过流等各种 保护功能之外，还增加了电压前馈技术，使得系统在交流线电压输入变化时环路 增益保持恒定，维持较好的动态响应。 本文的主要内容安排如下： 第二章采用自顶而下的设计流程，根据芯片的应用环境和基本电路原理，给 出了p f p 中平均电流模式控制芯片的系统设计方案，包括功能定义、内外架构 的设计、模块的定义划分和控制环的设计。随后对所设计芯片的应用系统加以验 证，详细介绍了其建模技术，并给出了系统仿真的结果。最后给出各模块的设计 目标( s p e c d e f i n i t i o n ) 。 第三章根据系统设计所制定的s p e c ，给出芯片内部关键模块( 模拟平方器、 1 4 浙江大学硕士学位论文 模拟乘法器、电流误差放大器、电压误差放大器等) 的电路设计方案，对电路结 构和原理进行了必要的分析，并结合电路，设计模块的版图，体现了i c 设计中 电路与工艺、电路与版图的结合。最后给出仿真验证的一些主要波形。 第四章对流片工艺一b c d 工艺进行了介绍，重点分析了此工艺下不同 d m o s 管的结构和特点，列出了本设计所采用的美国国家半导体公司b c d 工艺 器件的平面示意图。最后给出芯片的版图布局和整体版图实现。 第五章给出了流片后样品的功能模块测试结果。测试表明，芯片内部模块功 能正常，性能基本符合预期。 第六章是结论和展望。 浙江大学硕士学位论文 第二章p f p 中平均电流模式控制芯片的系 统设计与仿真 2 1 平均电流模式控制原理 2 1 1 不带电压前馈的平均电流控制 基于平均电流控制的b o o s t 功率因数校正预调节器( p f p ) 基本原理见图2 1 r 一一一一一一一一 图2 1 平均电流模式控制p f p 系统框图 图2 1 中虚线框内是b o o s t 主电路，包括电感l ，快恢复二极管d 和功率开 关t 。控制回路主要有电压误差放大器，模拟乘法器，电流误差放大器和p v m 比 较器。b o o s t 电路在稳定条件下，输出电压高于输入，这样才能满足电感伏秒平 衡( 在开关频率 正弦输入电压频率条件下) 。设u ；。有效值为2 2 0 v ，则其峰值电 压约为3 1 1 8 v 。所以b o o s t 型功率因数校正电路稳态时输出电压会比较高，一 般在4 0 0 v 左右。该输出电压通过一个电阻分压网络后以i k 的量输入电压误差 放大器的负相端。电压误差放大器将检测到的电压与基准电压比较后输出一个误 差值e ，该电压误差通过乘法器和表征输入电压瞬时值的线电压检测量i 。相乘 后作为电流放大器的负相端基准。电流误差放大器的正相端通过采样电阻检测电 路输入电流，输出与芯片内部的三角波进行比较得到p w m 信号控制开关t 的开通 或者关断。在稳态条件下，电压误差放大器的输出是一个稳定的直流电平，而工 。 浙江大争硕士学位论文 波形与输入的双半波波形相同。也就是说e 的大小决定了输入电流的r m s 值，而 i 。决定了输入电流的波形，由于i 。正比于输入电压瞬时值，故在理想条件下输 入电流也正比于输入电压。所以从电感的输入端往里看到的输入阻抗呈现电阻特 性，从而实现功率因数校正的功能。 2 1 2 带电压前馈的平均电流控制 咀上分析中未曾考虑输入电压的变化。实际上，图2 - i 中的电路在输入电压 变化时会引起电压环增益的改变从而带来稳定性问题。为分析这一缺点，考虑在 输入电压为u 。= u 的情况下，从图中可知输入电流大小为： l = 目c = e a y u ( 2 - 1 ) 假设当其他条件不变，输入电压u i n 有效值增大一倍变为2 u ，则乘法器输 出电流基准也将增加一倍。即： 。= e k2 只y x 2 u 2 2 上。 ( 2 2 ) 从而使输入功率增大到原来的四倍。由于负载并未变化。这一涌入的功率势 必使输出电压上升进而减小电压误差放大器的输出值减小为原来的四分之一来 使电路达到新的平衡。其带来的直接影响是改变了电压环的开环增益，引入稳定 性问题，尤其是在输入线电压变化较大的时候。 采用电压前馈能够有效解决这一问题。考虑下式： 名= u i x i i 。k2 碾y x e a ( 2 3 ) 通过观察可以发现，如果将线电压检测后通过平方器，得到的结果用乘法器 输出i 。相除则可以实现在输入电压变化时电压误差放大器输出不变。这可以用公 式表示如下： r 邶，i ao c 南2 半 沼。) 上式中输入功率不依赖于输入电压有效值的大小，也就是使得电压环的开环 增益恒定。 浙江大学硕士学位论文 2 i 3 系统环路的理论分析 图2 1 所示系统采用的是双环控制技术，用控制框图可表示成图2 2 所示 包括两个环：外环( 电压环) ，内环( 电流环) 。 图2 - 2 系统控制结构框图 电流控制环 双闭环控制系统的内环是一个电流控制环，它由电流调节器、p w m 比较器和 功率转换电路组成，其作用是迫使输入电流跟踪输入电压的波形。由文献 3 0 】【3 1 可导出系统电流环结构如图2 。3 所示： 图2 - 3 电流环结构图 功率转换电路的传递函数： g e s ( s ) ：盟：v o o r r s d o n ( s ) s l ( 2 5 ) p w m 调制器的传递函数：函一( s ) = 会笋= 晦一 ( 2 6 ) 其中v 一是p w m 比较器的反相输入端电压，即电流误差放大器输出v c a o 电流误差放大器c a 组成如图2 - 4 形式的p i 调节器： 呲龃( k 虬v 5 h 璺薄 l 图2 4 电流误差放大器补偿网络 浙江大学硕士学位论文 其传递函数 g i ( s ) ：堕! ：土! 望! 墨： i m o r c v sr 2s c i ( s c 2 r 3 + 1 1 可得电流环开环传递函数 邮郴邸邮晒( 驴等篇器 ( 2 7 ) ( 2 - 8 ) 可见这是一个二阶无差系统，它可以无差地跟踪正弦波输入函数，从而使输 出电流 无差地跟踪k 的波形。 电压控制环 双闭环控制系统的外环是一个电压控制环，其作用是使输出电压保持在高于 输入电压峰值的电平上，这是b o o s t 拓扑p f c 系统所必需的，并且可以起到稳 定输出电压的作用。由文献 3 0 】 3 l 】可导出包含电流环乘法器在内的电压环结构 如图2 5 所示： 前向通道传递函数：g v o z 由于电流环是无差的，故i m o r c = v s = 五m 乘法器输出：i m o = k l s z m v “o w 两边取有黼砒= 警，五= 罴 儿 r m g 一 1 斤 。 i 图2 - 5 电压环结构 妣g 郴，= 器= 篙篆 得电压环结构图如图2 - 6 所示： 图2 - 6 简化电压环结构图 ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 浙江大学硕士学位论文 p f c 芯片中都有一个电压误差放大器v a ，由它组成如图2 7 所示的积分调 节器： 图2 7 积分调节器 电压调节器传递函数： g r ( s ) ：当竺：_ 三 ( 2 1 2 ) 、7 际口一阼r 6 s 可得电压环开环传递函数： g w ( s ) = g r ( s ) g v o l ( s ) k v = 瓦k f 砑k v 瓦2 ”菥r c ( 2 1 3 ) 可见，这是一个一阶无差系统，它可以无差地跟踪单位阶跃函数。因此，对 于给定v r e f ( 定值) ，输出是稳定不变的。 由以上分析可知，系统引入电流和电压双闭环反馈，其目的是实现整流与稳 压功能，从而得到较高的功率因数。电流环( 内环) 使输入电流很好地跟踪输入 电压波形，电压环( 外环) 稳定输出电压。内环控制提高系统的瞬时响应能力； 外环控制使系统具有高度的静态电压稳定性，而且展宽了a c d c 变换器输入电 压的调节范围。 2 2 系统设计 2 2 1 芯片功能定义 要求所设计的芯片除了具有功率