基于改进单周期控制无桥功率因数校正电路的分析

林慧聪，林维明

（福州大学 电气工程与自动化学院，福建 福州 350108）

0 概述

为满足电磁兼容标准要求和抑制低频谐波污染，采用开关变换器实现有源功率因数校正技术（APFC）[1-3]已广泛应用于各类电力电子装置中，成为电力电子技术领域的研究热点．

升压型Boost电路因其高效、高PF和控制方便等优点而广泛地应用在传统APFC电路中，如图1所示．

在图1中，APFC控制电路采用典型的乘法器控制策略，整流桥后的输入电压和输出电压低频反馈采样进入乘法器，将乘法器的输出作为电流环的参考信号，它们的幅值与输出电压有关，从而保证被控制的电感电流与输入电压波形一致．电感中的电流检测信号与参考电流经PWM调制单元，产生PWM信号，作为开关Q的驱动信号．Q导通，电感电流增加．当电感电流增加到等于参考电流时，Q截止．这时使二极管导通，电感释放能量，与电源同时给电容C充电和向负载供电．在工作过程中，升压电感中的电流实时采样和调节控制，使其能跟随整流后正弦半波电压的波形，实现输入电流矫形．这种控制策略广泛地应用于工程实际中，具有代表性的商用芯片有德州仪器TI公司UC3854、微线性公司ML的ML4812和欧洲ST公司的L6561系列等．

图1 以Boost为主电路的APFC的控制电路Fig.1 Thecontrol schemeof the Boost-type power factor correction circuit

1 无整流桥APFC电路与控制分析

图1所示带整流桥的升压型APFC电路，无论在开关导通还是关断状态，电流总是流经至少三个半导体功率器件，在低压输入和较大功率场合，具有较大导通损耗．为了进一步提高变换器系统转换效率，近年来提出了无整流桥升压型PFC电路[3-5]．电路在交流正负半周的工作过程如图2所示，是一个双升压型变换器．而任何工作阶段，电流总是仅流经两个半导体功率器件，从而有效减少导通损耗．

图2 典型无整流桥PFC电路Fig.2 Thetypical bridgeless PFCcircuit

从图2可知，由于无桥电路的输入与输出没有直接连接，不能直接采用传统APFC电路控制方法的电压信号的检测和电流信号的检测方法，需要对无整流桥PFC电路控制进行重新设计分析．

由于图2所提电路没有整流桥，无法采用整流桥后电阻分压采样的方法（如图1所示）．一个简便的办法可以采取工频变压器来进行输入电压的采样（如图3a）所示），但是由于工频变压器的体积和成本因素，一般不采用该方法．应用光耦进行输入电压采样也是一个选项（如图3b）所示），它可以容易实现隔离．因为输入电压变化较大，为了减少输入电压采样失真，需要采用高线性度和宽工作范围的光耦器件，使得这种方法复杂化和不实用．利用交流侧等效电阻分压进行输入电压采样（如图3c）所示），基于电源频率比开关频率小得多，电感类似短路，而功率开关管总有一个导通接地，而等效为图3c）和图3b）等效电路．这种电路过零区，输入电压采样畸变大，而且适用电路有局限．如何实现简便可靠实用的输入电压检测控制方法，是无桥APFC电路实现有效控制面临解决的问题．

图3 无整流桥PFC电路输入电压采样方法Fig.3 Someinput voltagesampling schemesfor bridgeless PFC

传统的平均电流控制PFC电路的电感电流是通过在主电路串接一个小电阻实现检测的，这种方法不需要隔离，简单方便．对于无桥PFC电路，电感电流的回路与输出不共地，必须采取隔离检测的办法（如图4所示）．同时电感电流是双向的，不同于传统的PFC电路的电感电流单方向性．如同输入电压检测方法，一个最直接的办法就是采用工频电流互感器．而通常工频电流互感器会带来主电路电流的相移而降低功率因数．另一个隔离采样的办法是采用差分运算放大器（如图4b）所示）．由于PFC电路高频工作和高的输出电压，大的共模电压信号将引起附加的电流信号噪声，也将降低功率因数．同时这种方法的成本也较高．另一种方法是由开关管电流和二极管电流采样来构建电感电流（如图4a）所示），由于导通的路径不同，采用的电流互感器较多．因此，针对无整流桥PFC电路的特点，采取合理的控制方案，实现方便可靠的控制，是实现有效控制需要解决的问题．

图4 无整流桥PFC电路电感电流采样方法Fig.4 Theinductor current sampling schemesfor bridgeless PFC

2 改进单周期控制（OCC）

2.1 PFC-OCC工作原理

上世纪九十年代由美国学者Keyue M Smedley提出的单周期控制技术（One Cycle Control，简称OCC），因其优良的控制性能而得到广泛应用[6-8]．

基于单周期控制的Boost型PFC电路的工作原理可以分析如下：假定V in为整流后的电压；V o为输出电压；为开关周期；D为开关占空比；为开关导通时间．为了简化分析，假设：1）输出电容C足够大，输出电压在一个开关周期内为常数；2）开关频率远大于电网电压频率和非线性负载电流频率；3）功率器件MOSFET和二极管关断和闭合瞬时完成；4）忽略功率开关器件的损耗，认为是理想的开关器件．

根据APFC的控制目标，要实现功率因数校正须满足

在电感电流连续导通模式CCM下，变换器输入和输出的电压变比可表示为

合并式 (1)、(3)得

其控制目标模型如下，其中电流是输入平均电流值

2.2 基于改进单周期控制无桥PFC电路

由上面分析可知，OCC控制技术能在一个开关周期内有效地抑制输入电源侧的扰动；既没有静态误差，也没有动态误差，动态响应速度快；同时控制电路无需复杂的乘法器、无需检测输入电压，非常适合无整流桥的PFC电路控制，同时简化了控制系统．世界著名的功率半导体器件公司-国际整流公司（IR）2005年研发推出的AC/DC PFC电路控制芯片-IR1150系列产品[9-11]，就是基于单周期控制策略应用的商用芯片．但是IR1150电流采样是峰值电流，当电路电感较小或电路工作于临界或断续模式时，这种控制将带来较大的谐波失真．为了减少峰值电流采样引起的谐波失真，本文在 IR1150芯片的基础上，设计了一种改进型单周期控制方法．对于电感电流连续工作模式，峰值电流与平均值电流存在如下关系

首先将式 (5)改写为

即采取谐波补偿措施后，采用IR1150峰值电流采样的单周期控制可以取得高功率因数PF和低的谐波失真系数THD．

为了减少共模噪声影响，本文选用两个独立升压型无桥PFC电路，采用小电阻电流采样，根据上述峰值电流控制的分析，针对无整流桥PFC电路拓扑的特点，结合峰值电流控制改进单周期控制芯片IR1150，对新型PFC系统控制电路的设计如图5所示．图5电路中，输入电流，即电感电流峰值与输出电压通过低通滤波器反馈的控制量差值，跟踪该控制量的积分值，从而确定开关变换器的占空比，实现输入电流矫形．由于原来的峰值电流采样，通过一个谐波补偿环节，从而进一步提高PF和降低THD．

3 实验结果

为了验证本文理论分析，本文基于 IR1150控制芯片，设计一台改进单周期控制的无桥功率因数校正开关变换器实验样机，该PFC电路的主要参数为：

1）采用改进单周期控制策略的控制芯片IR1150；2）开关电源输出功率1 000 W；3）输入单相交流额定电压85 V265 V；4）输入功率因数0.99；5）效率95%；6）输出电压400 V；7）开关频率50 kHz；

图6为样机在输入电压为220伏时，改进单周期控制下无桥PFC电路输入电压和输入电流实验波形．PF为0.99，THD小于5%．

图5 应用IR1150实现的无桥PFC改进单周期控制电路Fig.5 Theimproved one-cycle-control circuit by using IR1150

图6 在输入电压为220 V时，无桥PFC电路输入电压和输入电流实验波形Fig.6 Theexperiment input voltageand current waveformswhen input voltageis220 V

4 结论

本文分析了传统功率因数校正电路工作原理与控制策略．为了进一步减少导通损耗提高变换器转换效率，无整流桥新型PFC电路近年来得到研究和应用．对于无桥PFC电路，存在输入电压检测、电流检测和共模噪声等一系列问题．本文分析无整流桥控制的特点，提出了基于峰值电流改进单周期控制无桥PFC控制方法，即峰值电流补偿的改进控制方法．论文基于一种低共模噪声的无整流桥 PFC电路，应用商用控制芯片IR1150实现样机，取得较高PF和较低THD．

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