單周期控制的功率因數(shù)校正電路設(shè)計(jì)

王琪，高田，王航宇

（1.西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院，陜西西安710032；2.西北工業(yè)大學(xué)電子信息學(xué)院，陜西西安710072；3.西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子工程系，陜西西安710089）

電力電子裝置的諧波污染是電力電子技術(shù)發(fā)展的一個(gè)障礙，因此，減小電力電子裝置，尤其是AC/DC整流器對(duì)電網(wǎng)的污染，改善網(wǎng)側(cè)電流波形，提高功率因數(shù)日益受到重視[1-2]。傳統(tǒng)的有源功率因數(shù)校正電路（APFC，active power factor corrector）可以把電源的輸入電流變換為與輸入市電同相位的正弦波，從而提高電器設(shè)備的功率因數(shù)，減少對(duì)電網(wǎng)的諧波污染[3]。但其電流控制需要乘法器以及檢測(cè)輸入電壓與輸入電流，控制電路復(fù)雜，乘法器的非線性失真也增加了輸入電流的諧波含量，因此，不帶乘法器的控制方式成為APFC研究中的一個(gè)熱點(diǎn)。90年代初期美國(guó)學(xué)者Keyue M Smedley提出了一種不需要乘法器的新穎控制方法即單周期控制[4]。單周期控制的理念是基于實(shí)時(shí)控制開關(guān)的占空比，使每個(gè)周期內(nèi)開關(guān)整流器二極管輸出的脈沖波形的平均值恰好等于或者正比于控制參考量，平均輸入電流跟蹤參考電流且不受負(fù)載電流的約束，即使負(fù)載電流具有很大的諧波也不會(huì)使輸入電流發(fā)生畸變。因而將單周期控制技術(shù)應(yīng)用于PFC整流器中可以實(shí)現(xiàn)低電流畸變和高功率因數(shù)，這種控制方法取消了傳統(tǒng)控制方法中的乘法器，使整個(gè)控制電路的復(fù)雜程度降低，是一種很有發(fā)展前景的控制方法。本文基于單周期控制原理，以IR1150為控制核心，設(shè)計(jì)一種200 W的功率因數(shù)校正電路，可把功率因數(shù)提高至0.98以上。

1 單周期控制原理

單周期控制是一種大信號(hào)、非線性PWM控制技術(shù)，它具有許多傳統(tǒng)控制方法無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，如：較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度、良好的抗電源干擾能力以及開關(guān)誤差校正等。該控制技術(shù)的突出優(yōu)點(diǎn)是：無(wú)論是穩(wěn)態(tài)還是暫態(tài)，它都能保持受控量的平均值恰好等于或正比于給定值，即能在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，有效的抵制電源側(cè)的擾動(dòng)，既沒(méi)有穩(wěn)態(tài)誤差，也沒(méi)有暫態(tài)誤差。這種控制技術(shù)可以廣泛應(yīng)用于非線性系統(tǒng)的場(chǎng)合，比如脈寬調(diào)制、諧振、軟開關(guān)的變換器等。下面以Buck變換器為例來(lái)說(shuō)明單周期控制技術(shù)的原理[5]。

圖1所示為單周期控制變換器原理圖。為分析方便，假定直流輸入電壓為νg，開關(guān)頻率fs為常數(shù)。其控制電路的工作原理如下：當(dāng)開關(guān)S導(dǎo)通時(shí)，二極管截止，其兩端電壓Vd等于直流輸入電壓νg，當(dāng)開關(guān)S關(guān)斷時(shí)，二極管D導(dǎo)通，其兩端電壓Vd為零。因此二極管上電壓的平均值為：

圖1 單周期控制Buck變換器原理圖Fig.1 Diagram of one cycle controlled Buck converter

電路開始工作時(shí)，由控制器產(chǎn)生恒定頻率的開關(guān)脈沖，開通開關(guān)S，二極管上的電壓νd經(jīng)積分器開始積分，當(dāng)積分器的輸出電壓νint達(dá)到給定值νref時(shí)，比較器輸出翻轉(zhuǎn)，觸發(fā)器發(fā)出關(guān)斷信號(hào)關(guān)斷開關(guān)S，同時(shí)發(fā)出復(fù)位信號(hào)使實(shí)時(shí)積分器復(fù)位為零。由上面分析，得出：

在單周期控制中，占空比D由下式?jīng)Q定：

采用單周期控制時(shí)νd電壓的平均值在每一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)都與νref完全相同，并且與輸入電壓的大小無(wú)關(guān)。

通過(guò)以上分析可知，采用單周期控制系統(tǒng)完全抑制了輸入電壓的干擾，具有良好的直流電壓調(diào)節(jié)特性，當(dāng)開關(guān)頻率足夠高時(shí)，系統(tǒng)可以得到高質(zhì)量的直流輸出電壓。這就是單周期控制的基本思想。

2 基于IR1150的單周期控制APFC設(shè)計(jì)

本文應(yīng)用IR公司的PFC控制芯片IR1150進(jìn)行設(shè)計(jì)[6]。設(shè)計(jì)的主要指標(biāo)如下：交流輸入電壓：220 V±10%：；直流輸出電壓：380 V；輸出功率200 W；功率因數(shù)0.98；變換器效率≥90%。

電路如圖2所示，拓?fù)錇锽OOST結(jié)構(gòu)。這種PFC變換器適用于國(guó)際通用的AC線路輸入，DC輸出為380 V，用作開關(guān)電源或電子鎮(zhèn)流器的前端電路。C2用于高頻電感電流旁路，從而得到低頻（50 Hz或60 Hz）平均電流（即AC輸入電流）。考慮到市電輸入的電流不穩(wěn)定性，為保護(hù)整個(gè)系統(tǒng)不會(huì)因過(guò)大的沖擊電流燒毀，采用250 V/3 A的保險(xiǎn)絲。IR1150引腳2上的R2（75 kΩ）用作設(shè)置開關(guān)頻率（100 kHz），RS1（0.1Ω）為電流檢測(cè)電阻器。IR1150引腳3上的R1和C4組成預(yù)濾波電路。IR1150引腳5上的R4和C5、C6提供電壓環(huán)路補(bǔ)償。由R9、R10和R11組成的電阻分壓器用作輸出電壓反饋采樣。在正常工作狀態(tài)下，饋入VFB引腳的電壓VFB為7 V（等于VFB引腳內(nèi)部電壓誤差放大器同相端上的參考電壓VREF）。由R12、R13、R14組成的電阻分壓器用作輸出過(guò)電壓保護(hù)取樣。IR1150引腳4上的過(guò)電壓保護(hù)門限電平為7.385 V（即105.5%VREF）。當(dāng)PFC升壓變換器輸出電壓超過(guò)412 V時(shí)，反饋到IR1150引腳4上的電壓就會(huì)超過(guò)7.385 V的閾值電平,器件則進(jìn)入過(guò)電壓保護(hù)模式。IR1150的VCC電壓（15～20 V）可以從電感器L1的附加繞組和二極管組成的輔助電源獲得。

圖2 基于IR1150控制的200 W APFC電路原理圖Fig.2 200W APFC circuit controlled by IR1150 IC

主要功率元件參數(shù)計(jì)算如下：

1）升壓電感計(jì)算功率開關(guān)占空比取決于輸入電壓最小值峰峰值VIN（PK）min（取為198VAC）

2）輸出電容計(jì)算輸出電容設(shè)計(jì)通常取決于延遲時(shí)間。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，延遲時(shí)間取30 ms。則最小輸出電容容量為：

實(shí)際電容容量取值為：Cout=220 μF

3）功率開關(guān)管計(jì)算開關(guān)管的選擇應(yīng)考慮實(shí)際流過(guò)的電流值乘以1.5～2倍裕量，管子的耐壓為電路輸出電壓乘以1.5～2倍的裕量，根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)，選用4 A、600 VMOS管IRFP460。

3 試驗(yàn)

在交流輸入為220 V，輸出功率200 W的條件下，用示波器測(cè)量交流輸入電壓、電流波形如圖3所示。

圖3 交流輸入電壓（V）、電流（A）波形Fig.3 Waveform of ac input voltage（V）and current（A）

示波器通道1（縱軸）采集的是輸入電壓，通道2(縱軸)采集的是輸入電流，橫軸為時(shí)間（10 ms/格）。交流輸入電流基本為正弦波形，與電壓波形幾乎同相。在輸出功率200 W的情況下，其輸入電流與電壓波形相位變化最大為1.06°。經(jīng)計(jì)算位移因數(shù)為：0.99。功率因數(shù)提高到0.987，總諧波失真THD僅約4%，符合IEC1000-3-2標(biāo)準(zhǔn)要求，變換器效率達(dá)到92%。在198 V～242 V的輸入電壓范圍內(nèi)得到類似的結(jié)果，可見該電路基本消除了諧波對(duì)電網(wǎng)的污染[7]。

4 結(jié)論

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)可以看出，應(yīng)用單周期控制可以很好的實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正。在某半橋結(jié)構(gòu)的鉛酸電池充電系統(tǒng)中增加了利用IR1150芯片設(shè)計(jì)的功率因數(shù)校正電路后，明顯地提高了系統(tǒng)的功率因數(shù)，在保持原輸出功率不變的情況下，輸入回路的峰值電流可下降40%左右，從而提高了元件的利用率。同時(shí)，系統(tǒng)的EMC指標(biāo)也得到了改善，達(dá)到了GB17625.1-1998所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。

[1]張占松,蔡宣三.開關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì)[M].電子工業(yè)出版社,1998.

[2]楊旭，裴元慶，等.開關(guān)電源技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004:206-262.

[3]劉勝利.現(xiàn)代高頻開關(guān)電源實(shí)用技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2001.

[4]Smedley K M,Cuk.S.One-cycle control of switching converter[J].IEEE Trans on Power Electronics,1995,10(6):625-633.

[5]Brown,R Soldano.M PFC Converter design with IR1150 one cycle control IC[Z].International Rectifier,2005.

[6]International Rectifier.IR 1150 Demo Board Users Guide[Z].2002.

[7]劉華伸.多補(bǔ)償繞組多調(diào)諧濾波器的研究[J].陜西電力,2009,37（4）:15-19.

LIU Hua-shen.Study on multi-tuned filter with multiple compensation windings[J].Shaanxi Electric Power,2009,37（4）:15-19.