升壓型PFC 調(diào)制器的低諧波失真設(shè)計(jì)

姚 嵩，侯俊芳

(天津輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息與自動(dòng)化學(xué)院，天津 300350)

電源系統(tǒng)的功率因子(PF:Power Factor)定義為系統(tǒng)實(shí)際功率(Pr)和系統(tǒng)視在功率(Pa)的比值，如式(1)所示。

實(shí)際功率是瞬時(shí)電壓和瞬時(shí)電流乘積的平均值；視在功率是均方根電壓和均方根電流的乘積。如果電流和電壓是同相的，那么功率因子FP＝1。功率因子也可以通過式(2)表征為電流總諧波失真(Total Harmonic Distortion，THD)的函數(shù)，

式中:Kd是失真因子，滿足Kd＝，Kθ表示輸入電流與輸入電壓的相位關(guān)系。

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，例如IEC-61000-3-2，對(duì)諧波失真限制提出明確的要求。為了滿足國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的要求，減小輸入電流的諧波分量，提高系統(tǒng)的功率因數(shù)，功率因數(shù)校正(PFC:Power Factor Correction)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于各類電源系統(tǒng)。它通過修正電源系統(tǒng)的輸入電流，使輸入電流近似于與輸入電壓同相的正弦電流，提高從交流源中獲得的實(shí)際功率，從而降低電流總諧波失真，提升系統(tǒng)工作效率[1]。

升壓型PFC 調(diào)制器是主流的PFC 應(yīng)用系統(tǒng)架構(gòu)。固定開啟時(shí)間(COT:Constant On Time)的控制方法[2]，是升壓型PFC 調(diào)制器中一種普遍應(yīng)用的控制方法，如圖1 所示。它通過檢測(cè)調(diào)制器輸出電壓，控制功率開關(guān)管的開啟時(shí)間。在每個(gè)交流電壓的周期下，功率開關(guān)管的開啟時(shí)間是緩慢變化，甚至是不變的。典型的COT 控制方法工作在臨界導(dǎo)通模式下，通過零電壓開關(guān)操作，實(shí)現(xiàn)較高的系統(tǒng)效率。

圖1 臨界導(dǎo)通模式升壓型PFC 調(diào)制器電路

本文首先簡(jiǎn)述傳統(tǒng)COT 控制方法；然后提供一種設(shè)計(jì)方法，彌補(bǔ)傳統(tǒng)COT 控制方法的不足；最后，文章針對(duì)輸入濾波電容的電流變化，提供一種補(bǔ)償方法，優(yōu)化總諧波失真。所描述的控制方法，基于TSMC 工藝制程，在100 W 升壓型PFC 調(diào)制器中實(shí)現(xiàn)。

1 架構(gòu)分析和比較

1.1 傳統(tǒng)COT 控制方法

傳統(tǒng)COT 架構(gòu)使電感電流的斜率在功率管開啟時(shí)間內(nèi)與輸入電壓成正比關(guān)系。圖2 表示傳統(tǒng)COT 的工作時(shí)序。在臨界導(dǎo)通模式下，由于電感、功率管寄生電容和續(xù)流二極管的諧振，系統(tǒng)通過輔助繞組可以檢測(cè)出諧振發(fā)生的時(shí)刻，實(shí)現(xiàn)過零檢測(cè)并開啟功率管。功率管開啟時(shí)，電感電流接近于零。內(nèi)部固定斜率的Vramp信號(hào)與Vcmp電壓比較，決定功率管開啟的時(shí)間。直到下一次過零檢測(cè)發(fā)生后，開啟下一個(gè)功率管的開關(guān)周期。

圖2 傳統(tǒng)COT 控制時(shí)序

根據(jù)圖1 所示，電感峰值電流Ipk可以表示為式(3)

式中:Vin為輸入電壓；ton為固定開啟時(shí)間。

輸入電流可以近似于電感電流的一半[3]。如式(4)所示。在固定開啟時(shí)間ton的條件下，輸入電流和輸入電壓表現(xiàn)出良好的線性關(guān)系。因此，調(diào)制器會(huì)表現(xiàn)為FP＝1 的理想功率因子，并且沒有失真現(xiàn)象。但是，由于寄生元件的存在，諧振過程中電感會(huì)向功率管寄生電容Coss充電，實(shí)際的電感電流IL如圖2 所示，在時(shí)間tzero區(qū)域存在負(fù)向電流INEG。所以，輸入電流需要在式(4)的基礎(chǔ)上疊加負(fù)向電流INEG的平均值，表示為

式中:時(shí)間tzero表征諧振的半個(gè)周期；ωr表征諧振角頻率，滿足

負(fù)向電流的出現(xiàn)使輸入電流和輸入電壓之間的線性關(guān)系存在偏差，在系統(tǒng)中引入總諧波失真[4-5]。

整理式(5)可以得到，在固定開啟時(shí)間的控制下，輸入電流和輸入電壓的線性關(guān)系失真表現(xiàn)在式(6)中的第三項(xiàng)和第四項(xiàng)。在輸出電壓恒定的情況下，式(6)第三項(xiàng)是恒定值，是引起失真的主要項(xiàng)[6]；而第四項(xiàng)引起的失真是輸入電流和輸入電壓之間的線性關(guān)系受到占空比D變化的調(diào)制，表現(xiàn)為輸入電流和輸入電壓的平方關(guān)系:

1.2 μCOT 控制方法

μCOT 控制方法是對(duì)負(fù)向電流進(jìn)行補(bǔ)償?shù)囊环N方法。根據(jù)式(6)的描述，μCOT 控制方法在環(huán)路中加入固定補(bǔ)償電流值Icmp，在保證開啟時(shí)間恒定的基礎(chǔ)上，消除項(xiàng)引起的失真。若補(bǔ)償電流值Icmp等于失真項(xiàng)INEG，則輸入電流和輸入電壓表現(xiàn)完美的線性關(guān)系。由于失真項(xiàng)INEG中存在受占空比D影響的因子，所以補(bǔ)償后的結(jié)果，仍存在一定程度的失真。對(duì)比不同的輸入電壓Vin，相同開啟時(shí)間ton下，高壓輸入時(shí)輸入電流對(duì)時(shí)間的積分面積，比低壓輸入時(shí)輸入電流對(duì)時(shí)間的積分面積更大。因此，引入相同的補(bǔ)償電流值Icmp，其影響在低壓輸入時(shí)候的作用表現(xiàn)得更為明顯。圖3(a)和圖3(b)對(duì)比表示傳統(tǒng)COT 控制方法和μCOT 控制方法的差異。μCOT 控制方法在傳統(tǒng)COT 控制方法基礎(chǔ)上，通過ZCD 電壓和內(nèi)部閾值電壓Vth比較，延遲固定斜率的Vramp信號(hào)的產(chǎn)生，增大有效固定ton，從而增大輸入電流以補(bǔ)償負(fù)向電流的影響。圖3(c)給出μCOT 控制方法關(guān)鍵點(diǎn)工作波形。

圖3 μCOT 控制方法與傳統(tǒng)COT 控制方法的對(duì)比

1.3 μC.COT 控制方法

為降低電磁干擾，升壓型PFC 調(diào)制器通常在輸入整流橋之后增加濾波電容Cin。增加的容性阻抗改變輸入電流的組成，輸入電流由電感電流和電容電流ICin兩部分組成。電感電流如μCOT 控制方法描述，與輸入電壓Vin存在近似線性的關(guān)系；電容電流由公式(7)可得

式中:Vin，ac表示輸入交流電壓；Vac，pk表示輸入交流電壓峰值。式中電容電流與輸入電壓存在90°相移，使調(diào)制器的系統(tǒng)失真嚴(yán)重惡化，如圖4 所示。輸入電壓越高，電容電流所占比重越大，引起的相移也越大，系統(tǒng)的總諧波失真也越嚴(yán)重。在工頻周期內(nèi)，將電容電流作線性近似，通過增加線性變化的補(bǔ)償電流可以改善諧波失真[6]。

圖4 濾波電容電流對(duì)輸入電流的影響

基于μCOT 控制方法，改變補(bǔ)償電流Icmp產(chǎn)生電路中的閾值電壓Vth，使其在工頻周期內(nèi)線性增大，以補(bǔ)償電容電流引起的失真。改善后的Vramp信號(hào)產(chǎn)生電路如圖5 所示。首先，在每個(gè)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間結(jié)束前對(duì)ZCD 信號(hào)采樣峰值產(chǎn)生ZCD_sample 信號(hào)，該信號(hào)與內(nèi)部閾值電壓Vth比較，判斷允許固定電流Iref對(duì)電容C1充電。這個(gè)閾值電壓的選取，要滿足在每一個(gè)工頻周期內(nèi)，電容上的電壓Vth_td都從零開始上升。電壓Vth_td作為原μCOT 控制方法中延遲時(shí)間的產(chǎn)生閾值電壓。

圖5 μC.COT 控制方法中Vramp信號(hào)產(chǎn)生電路

因此，在每一個(gè)工頻周期內(nèi)，有效固定開啟時(shí)間ton都包含著一個(gè)隨工頻時(shí)間增大的延遲時(shí)間，也就是說，電感電流中補(bǔ)償有一個(gè)隨工頻時(shí)間增大的補(bǔ)償電流Icmp。補(bǔ)償電流Icmp不但對(duì)圖2 中的負(fù)向電流進(jìn)行補(bǔ)償，而且對(duì)圖4 中的輸入電容的充放電電流進(jìn)行補(bǔ)償。

基于圖3 和圖5 的描述，設(shè)計(jì)功率100 W、輸出400 V 的升壓型PFC 調(diào)制器，系統(tǒng)使用電感感量700 μH、輸入電容940 nF，以及輸出電容47 μF。仿真比較三種控制方式下的THD 結(jié)果，如表1 所示。其中，THD1 為傳統(tǒng)COT 控制方法，THD2 為μCOT控制方法，THD3 為μC.COT 控制方法。在μC.COT控制方法中，低壓90 V 和150 V 情況，采用μCOT控制方法，避免ZCD 檢測(cè)偏差引起電流缺相。

表1 對(duì)比三種COT 控制方法下，升壓型PFC調(diào)制器THD 值仿真結(jié)果

采用TSMC 0.5 μm 工藝制程，根據(jù)μCOT 控制方法和μC.COT 控制方法，分別設(shè)計(jì)芯片。對(duì)比測(cè)試THD 結(jié)果如表2 所示。

表2 對(duì)比μCOT 控制方法與μC.COT 控制方法下，升壓型PFC 調(diào)制器THD 值測(cè)試結(jié)果

2 結(jié)論

μC.COT 控制方法在升壓型PFC 調(diào)制器中，在滿足功率因子值大于95%的情況下，對(duì)降低THD 的作用表現(xiàn)明顯。μC.COT 控制方法在補(bǔ)償電感負(fù)向電流的同時(shí)，將系統(tǒng)輸入電容的充放電電流對(duì)輸入電流的相移影響，也進(jìn)行補(bǔ)償?；赥SMC 制程下實(shí)現(xiàn)的控制芯片，測(cè)試在高壓264 V 時(shí)THD 值僅為4.7%。