無輸入電壓檢測的平均電流型功率因數校正

摘要：在分析了現有平均電流型功率因數校正電路不足的基礎上，提出了一種無輸入電壓檢測的平均電流型功率因數校正技術。

關鍵詞：功率因數校正；輸入電壓檢測；線性

1??? 引言

??? 在中等功率和較大功率場合，平均電流型控制（ACMC）技術是最常用的一種，一般的CCM技術通過三個控制環實現功率因數校正，電流編程信號用來為高帶寬、快速響應的電流環設定基準，電流編程信號的幅值由低帶寬的輸出電壓誤差信號的幅值和經過低通濾波器的線電壓的有效值來調制，以確保輸入和輸出功率的平衡。為了能在負載和線電壓變化時，保證功率平衡，還需要一個平方-除法-乘法器，如果電流編程信號不從線電壓取樣，那么，就可以省掉平方-除法-乘法器，并且可以減少外部無源元件的個數，因此可以大大簡化電路。本文介紹一種無輸入電壓檢測的平均電流型功率因數校正技術，并詳細地說明了這種控制方法的原理。

2??? 線性PWM波形的獲取

??? 我們以Boost電路為例，說明平均電流控制的功率因數校正電路是如何取得線性PWM波形的。

??? 圖1為Boost電路拓撲，應用這種電路的主要目的是提供輸入端高的功率因數和調節輸出電壓。

圖1??? Boost型功率因數校正電路原理圖

??? 在平均電流控制時，

??? <I_in>=（1）

式中：<I_in>為一個開關周期(T_s)輸入電流的平均值；

????? V_in為線電壓的瞬時值；

????? R_eq是等效阻抗，其幅值等于負載映射到輸入端的等效電阻值。

??? 根據大信號平均PWM開關模型，

??? <I_in>=<I_c>=??? （2）

式中：<>表示一個開關周期相應電流的平均值；

????? D主開關的占空比。

??? 在分析時，假定在一個開關周期中，輸入電壓是固定不變的，在穩態時，Boost拓撲的輸入輸出電壓的關系為

???? V_in=V_o(1－D)（3）

將式（2）和式（3）代入式（1），可以得到

??? <I_in>=(1－D)（4）

??? <I_a>=(1－D)D（5）

??? <I_p>=(1－D)²（6）

??? 式（4）的物理意義如下：在每一個開關周期，如果功率開關關斷，當輸入電流的平均值等于，就實現了線性電阻。其具體波形如圖2所示。

圖2??? PWM調制控制的PFC波形

??? 由圖2可知，當輸入電流的平均值等于PWM的斜坡值時，開關管關斷。因此這種控制方法，要求一個開關周期的占空比由整個周期電流的平均值決定，這在一般的系統中是不可能實現的。但是，輸入電壓的變化和開關周期相比非常慢，這樣我們可以利用前一個開關周期輸入電流的平均值來決定下一個周期的占空比。這種技術是通過將上一個周期的平均電流值保持到下一個周期來實現的。其簡化的功率級和控制級的電路框圖如圖3所示。

圖3??? 功率級和控制級的簡化電路框圖

??? 在t=0時刻以前，電容C_c1被完全放電，其上電壓等于零。放電完成以后，復位開關斷開，在0≤t≤T_s期間，輸入電感電流對電容C_c1充電，電阻檢測網絡給電流電壓變換器（V2I）提供一個輸入電壓，電容C_c1上的電壓為：

??? V_c1=i_indt=（7）

式中：R_s是電流檢測電阻的增益；

????? g_m是電壓/電流變換器的增益。

??? 在t=D_maxT_s時刻，充電控制電路對電容C_c2放電，并且設置T_s≤t≤2T_s期間的初始值，在t=T_s時刻，充電控制電路通過將S_p1和S_p2的門極信號分別保持為低電平和高電平，這樣使得電容C_c1上的電壓保持不變，在T_s≤t≤2T_s期間，電容C_c1上的電壓值和PWM斜波值進行比較，以決定占空比的大小。PWM斜波由式（4）決定，三種電壓誤差信號情況下的動態信號波形如圖4所示，這三種情況分別對應：

??? 1）大的輸出電壓誤差信號；

??? 2）小的輸出電壓誤差信號；

??? 3）更小的輸出電壓誤差信號。

圖4??? 功率級PFC電路主要工作波形

??? 應當注意，輸出電壓誤差信號由輸出電壓控制環來決定，其單位增益轉折頻率為10～20Hz。

3??? 結語

??? 新穎的線性平均電流控制(ACMC)技術可獲得高功率因數，這種方法不需要輸入電壓檢測，因此簡化了控制電路的設計。電路分析及試驗結果均證明了這種控制方法的正確性。