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。