单周期控制的功率因数校正电路设计

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电力电子装置的谐波污染是电力电子技术发展的一个障碍,因此,减小电力电子装置,尤其是AC/DC整流器对电网的污染,改善网侧电流波形,提高功率因数日益受到重视。传统的有源功率因数校正电路(APFC,active power factor corrector)可以把电源的输入电流变换为与输入市电同相位的正弦波,从而提高电器设备的功率因数,减少对电网的谐波污染。但其电流控制需要乘法器以及检测输入电压与输入电流,控制电路复杂,乘法器的非线性失真也增加了输入电流的谐波含量,因此,不带乘法器的控制方式成为APFC研究中的一个热点。90年代初期美国学者Keyue M Smedley提出了一种不需要乘法器的新颖控制方法即单周期控制。单周期控制的理念是基于实时控制开关的占空比,使每个周期内开关整流器二极管输出的脉冲波形的平均值恰好等于或者正比于控制参考量,平均输入电流跟踪参考电流且不受负载电流的约束,即使负载电流具有很大的谐波也不会使输入电流发生畸变。因而将单周期控制技术应用于PFC整流器中可以实现低电流畸变和高功率因数,这种控制方法取消了传统控制方法中的乘法器,使整个控制电路的复杂程度降低,是一种很有发展前景的控制方法。本文基于单周期控制原理,以IR1150为控制核心,设计一种200 W的功率因数校正电路,可把功率因数提高至0.98以上。

1 单周期控制原理
   
单周期控制是一种大信号、非线性PWM控制技术,它具有许多传统控制方法无法比拟的优点,如:较快的动态响应速度、良好的抗电源干扰能力以及开关误差校正等。该控制技术的突出优点是:无论是稳态还是暂态,它都能保持受控量的平均值恰好等于或正比于给定值,即能在一个开关周期内,有效的抵制电源侧的扰动,既没有稳态误差,也没有暂态误差。这种控制技术可以广泛应用于非线性系统的场合,比如脉宽调制、谐振、软开关的变换器等。下面以Buck变换器为例来说明单周期控制技术的原理。


    图1所示为单周期控制变换器原理图。为分析方便,假定直流输入电压为vg,开关频率fs为常数。其控制电路的工作原理如下:当开关S导通时,二极管截止,其两端电压Vd等于直流输入电压vg,当开关S关断时,二极管D导通,其两端电压Vd为零。因此二极管上电压的平均值为:
   
    电路开始工作时,由控制器产生恒定频率的开关脉冲,开通开关S,二极管上的电压vd经积分器开始积分,当积分器的输出电压vint达到给定值vref时,比较器输出翻转,触发器发出关断信号关断开关S,同时发出复位信号使实时积分器复位为零。由上面分析,得出:

    采用单周期控制时vd电压的平均值在每一个开关周期内都与vref完全相同,并且与输入电压的大小无关。
    通过以上分析可知,采用单周期控制系统完全抑制了输入电压的干扰,具有良好的直流电压调节特性,当开关频率足够高时,系统可以得到高质量的直流输出电压。这就是单周期控制的基本思想。2 基于IR1150的单周期控制APFC设计
   
本文应用IR公司的PFC控制芯片IR1l50进行设计。设计的主要指标如下:交流输入电压:220 V±1O%;直流输出电压:380 V;输出功率200 W;功率因数0.98;变换器效率≥90%。
    电路如图2所示,拓扑为BOOST结构。这种PFC变换器适用于国际通用的AC线路输入,DC输出为380 V,用作开关电源或电子镇流器的前端电路。C2用于高频电感电流旁路,从而得到低频(50 Hz或60 Hz)平均电流(即AC输入电流)。考虑到市电输入的电流不稳定性,为保护整个系统不会因过大的冲击电流烧毁,采用250 V/3 A的保险丝。IR1150引脚2上的R2(75 kΩ)用作设置开关频率(100 kHz),RS1(0.1Ω)为电流检测电阻器。IR1150引脚3上的R1和C4组成预滤波电路。IR1150引脚5上的R4和C5、C6提供电压环路补偿。由R9、R10和R11组成的电阻分压器用作输出电压反馈采样。在正常工作状态下,馈入VFB引脚的电压VFB为7V(等于VFB引脚内部电压误差放大器同相端上的参考电压VREF)。由R12 R13、R14组成的电阻分压器用作输出过电压保护取样。IR1150引脚4上的过电压保护门限电平为7.385 V(即105.5%VREF)。当PFC升压变换器输出电压超过412 V时,反馈到IR1l50引脚4上的电压就会超过7.385 V的阈值电平,器件则进入过电压保护模式。IR1150的VCC电压(15~20 V)可以从电感器L1的附加绕组和二极管组成的辅助电源获得。

 


    主要功率元件参数计算如下:

    3)功率开关管计算开关管的选择应考虑实际流过的电流值乘以1.5~2倍裕量,管子的耐压为电路输出电压乘以1.5~2倍的裕量,根据设计指标,选用4 A、600 VMOS管IRFP460。3 试验
   
在交流输入为220 V,输出功率200 W的条件下,用示波器测量交流输入电压、电流波形如图3所示。

 


    示波器通道1(纵轴)采集的是输入电压,通道2(纵轴)采集的是输入电流,横轴为时间(10 ms/格)。交流输入电流基本为正弦波形,与电压波形几乎同相。在输出功率200 W的情况下,其输入电流与电压波形相位变化最大为1.06°。经计算位移因数为:0.99。功率因数提高到0.987,总谐波失真THD仅约4%,符合IEC1000-3-2标准要求,变换器效率达到92%。在198 V~242 V的输入电压范围内得到类似的结果,可
见该电路基本消除了谐波对电网的污染。

4 结论
   
通过上述实验可以看出,应用单周期控制可以很好的实现功率因数校正。在某半桥结构的铅酸电池充电系统中增加了利用IR1150芯片设计的功率因数校正电路后,明显地提高了系统的功率因数,在保持原输出功率不变的情况下,输入回路的峰值电流可下降40%左右,从而提高了元件的利用率。同时,系统的EMC指标也得到了改善,达到了GB17625.1-1998所规定的标准。