【導(dǎo)讀】功率因數(shù)校正技術(shù)是電源設(shè)計(jì)領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)。本文將針對(duì)功率功率因數(shù)校正電路中不帶乘法器的PFC電路，提出了一種新型的設(shè)計(jì)方法，簡(jiǎn)化了電路，同時(shí)針對(duì)PFC電路不穩(wěn)定問(wèn)題，提出相應(yīng)的改善方法。
為了提高開關(guān)電源效率、減少電網(wǎng)污染，功率因數(shù)校正技術(shù)日益成為電源設(shè)計(jì)領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)。目前常見的功率因數(shù)校正電路可以分為兩類——帶有乘法器的PFC和不帶乘法器的PFC。不帶乘法器的PFC電路采用的是逐周期控制技術(shù)，在一個(gè)周期內(nèi)，利用過(guò)流檢測(cè)信號(hào)與反饋回來(lái)的輸出電壓同時(shí)控制開關(guān)管。與基于乘法器的系統(tǒng)相比較而言，不帶乘法器的PFC系統(tǒng)不需要AC輸入檢測(cè)技術(shù)，結(jié)構(gòu)緊湊，校正電流波形（以保證高功率因數(shù)）所需要的信息全部來(lái)自DC總線電壓和回路電流。
本文以不帶乘法器、工作在臨界電流控制模式的Boost PFC電路為例，介紹逐周期PFC電路的工作原理，針對(duì)逐周期PFC電路的不穩(wěn)定問(wèn)題，提出相應(yīng)的改善設(shè)計(jì)方法。
逐周期PFC電路的基本原理
逐周期PFC電路內(nèi)部不含乘法器，為了強(qiáng)制輸入電流跟隨輸入電壓的波形變化，完成功率因數(shù)校正功能，在一個(gè)周期內(nèi)，同時(shí)利用誤差控制信號(hào)、過(guò)流檢測(cè)信號(hào)和過(guò)零檢測(cè)信號(hào)來(lái)控制開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷。初始時(shí)刻，流過(guò)外接電感的電流為零，通過(guò)過(guò)零檢測(cè)信號(hào)將開關(guān)管打開，電源電壓對(duì)電感充電，電感電流上升；輸出電壓反饋信號(hào)經(jīng)過(guò)誤差放大器后與內(nèi)部鋸齒波比較，得到一定占空比的PWM波。該P(yáng)WM信號(hào)與過(guò)流檢測(cè)信號(hào)相與，控制開關(guān)管的關(guān)斷。此時(shí)，如果外接電感電流超過(guò)限流值，過(guò)零檢測(cè)信號(hào)跳變?yōu)榈停P(guān)斷開關(guān)管；否則，開關(guān)管由輸出電壓反饋信號(hào)控制。因?yàn)殚_關(guān)頻率相對(duì)于電網(wǎng)電壓頻率非常高，所以在一個(gè)周期內(nèi)可以認(rèn)為反饋電壓為常數(shù)，由此可以得到固定占空比的PWM信號(hào)，開關(guān)管達(dá)到最大導(dǎo)通時(shí)間后關(guān)斷。開關(guān)管關(guān)斷，電感電流下降，直到為零，再通過(guò)過(guò)零檢測(cè)信號(hào)觸發(fā)下一個(gè)導(dǎo)通周期。
逐周期技術(shù)能顯著提高電源的性能，具有良好的線性調(diào)整率和快速的輸入輸出動(dòng)態(tài)響應(yīng)；固有的逐個(gè)脈沖電流限制，簡(jiǎn)化了過(guò)載和短路保護(hù)；消除了輸出濾波電感帶來(lái)的極點(diǎn)，使電源系統(tǒng)由二階降為一階，系統(tǒng)不存在有條件的環(huán)路穩(wěn)定性問(wèn)題。
但是，當(dāng)PFC電路的開關(guān)占空比大于50%時(shí)，擾動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生的誤差被逐漸放大，將導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定，使電源的抗干擾性能變差，另外，輸出輕載或空載時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致電源失控。本文提出了多矢量誤差運(yùn)放、斜坡補(bǔ)償電路、動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)電路以及定時(shí)自啟動(dòng)電路來(lái)提高逐周期PFC電路的性能。
[page]
控制信號(hào)產(chǎn)生電路
為了抑止擾動(dòng)信號(hào)對(duì)電感電流的影響，可以控制開關(guān)管的占空比小于50%。本文采用多矢量誤差放大器來(lái)獲得精確的最高輸出電壓鉗位，同時(shí)，設(shè)定鋸齒波的斜率，兩者比較后可以限定PWM波的最大占空比，從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。由于感應(yīng)電流或噪聲信號(hào)會(huì)引起顯著的脈沖寬變效應(yīng)，因此，還必須增加斜坡補(bǔ)償電路來(lái)消除這些失真現(xiàn)象。
具體電路設(shè)計(jì)如圖1所示。
斜坡補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)由電壓跟隨器
Comp1、比較器Comp2及電阻R1、R2構(gòu)成。如圖中虛線框所示。新的控制電壓V4由控制電壓V1疊加斜坡補(bǔ)償電壓后形成。
補(bǔ)償信號(hào)直接取自多矢量誤差放大器內(nèi)部，由反饋電壓Vin控制。選取適當(dāng)?shù)腞1、R2比值，就可以得到合適的控制信號(hào)V4的斜率，從而增加電路的穩(wěn)定性，使電感電流平均值不隨占空比變化，并減小峰值和平均值的誤差。同時(shí)，斜坡補(bǔ)償還能抑制次斜波振蕩和振鈴電感電流。
控制信號(hào)V4再和V3相“與”生成Vc，Vc由兩者之中較低的信號(hào)決定，然后和鋸齒波信號(hào)比較，得到PWM信號(hào)。可見其占空比在零到由V3與鋸齒波設(shè)定的最大占空比之間變化，由反饋輸出電壓控制。
多矢量誤差運(yùn)放和斜坡補(bǔ)償電路提供了快速的瞬態(tài)響應(yīng)和精確的輸出電壓鉗位，有效地減輕了電流感應(yīng)和噪聲的影響，大大提高了電路的性能。
[page]
動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)電路
對(duì)于PFC電路來(lái)說(shuō)，負(fù)載的變化會(huì)對(duì)電路性能產(chǎn)生很大的影響，大大降低了電路的壽命。由于其響應(yīng)時(shí)間慢、輸出電壓高，在突然斷開負(fù)載時(shí)，400V的輸出可能涌現(xiàn)800V，這樣對(duì)后續(xù)器件損害很大。為了保護(hù)電路在這些瞬態(tài)情況下的能正常工作，PFC電路中增加了一個(gè)跨導(dǎo)比較器，用來(lái)檢測(cè)輸出電壓，當(dāng)輸出電壓超過(guò)額定反饋水平的8%時(shí)，即2.7V（設(shè)內(nèi)部基準(zhǔn)電壓為2.5V），它會(huì)自動(dòng)關(guān)斷PWM波，當(dāng)輸出電壓減小至8%時(shí)，PWM再次恢復(fù)運(yùn)行。另外，對(duì)于PFC電路來(lái)說(shuō)，輕載時(shí)電路的損耗比較大。
為了解決這個(gè)問(wèn)題，在電路中增加一個(gè)功率檢測(cè)比較器，當(dāng)輸出功率比較低時(shí)，比較器工作，關(guān)斷PWM波，使電路工作在間隙模式下，從而降低功耗。因此，在輸出電壓過(guò)壓和輸出電壓過(guò)低時(shí)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)會(huì)被閉鎖。這兩個(gè)比較器構(gòu)成了動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)電路，它同時(shí)能夠改善高輸入電壓時(shí)的功率因數(shù)，減小輸入電流總的諧波含量。可見，在輸入電壓快速擾動(dòng)或者負(fù)載瞬變的情況下，采用逐周期控制的功率變換器在單個(gè)周期內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)，因此大大改善了電流的動(dòng)態(tài)性能。
內(nèi)部定時(shí)自啟動(dòng)電路
一般情況下，功率管的開啟是由過(guò)零檢測(cè)信號(hào)完成的，但是，當(dāng)驅(qū)動(dòng)輸出信號(hào)長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)為低電位（350μs）時(shí)，PFC電路提供了一個(gè)內(nèi)部定時(shí)自啟動(dòng)電路來(lái)產(chǎn)生一個(gè)觸發(fā)信號(hào)開啟功率管。內(nèi)部定時(shí)自啟動(dòng)電路保證了當(dāng)ZCD沒(méi)有信號(hào)時(shí)電路能夠維持正常的工作，輕負(fù)載時(shí)電路工作于恒頻工作模式。
仿真結(jié)果
本文采用的BOOSTPFC輸出電壓為400V，主要元器件參數(shù)為：輸入電感L為870μH，輸入電容為220μF，開關(guān)管為MOSSTP8NA50，輸出二極管為BYT13-600，負(fù)載RL為1300Ω。基于Sinomos1.0μm工藝的BSIM3V3.2Spice模型，采用CadanceHspice工具進(jìn)行了仿真。仿真得輸入電流波形如圖4所示。
圖4波形從上而下依次為：電感電流、誤差控制信號(hào)、輸入電壓。仿真結(jié)果證明，輸入電流經(jīng)過(guò)整形后為正弦波，能夠跟隨輸入電壓的變化，滿足設(shè)計(jì)要求。這種逐周期控制技術(shù)下、不帶乘法器的PFC電路很好的解決了電路啟動(dòng)時(shí)輸出電壓過(guò)沖的問(wèn)題；動(dòng)態(tài)特性也得到了改善，同時(shí)，改善了高輸入電壓時(shí)的功率因數(shù)和降低了輸入電流總的諧波含量。
結(jié)論
本文針對(duì)逐周期技術(shù)控制的PFC電路，提出了具體的設(shè)計(jì)方法。采用多矢量誤差運(yùn)放和斜坡補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)增加了電路的穩(wěn)定性、減小電感電流峰值和平均值的誤差，同時(shí)抑止次諧波振蕩和振鈴電感電流；動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)電路可以在負(fù)載突然變化時(shí)使PFC跳過(guò)慢補(bǔ)償運(yùn)算放大器，直接作用于內(nèi)部非線性增益塊而影響占空比，改善了電路在輕載或空載時(shí)的性能；定時(shí)自啟動(dòng)電路控制PFC在輕載時(shí)可以工作在恒頻模式，可用于電能管理或電路保護(hù)的應(yīng)用場(chǎng)合。
對(duì)于PFC電路，采用逐周期控制技術(shù)簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)，性能和傳統(tǒng)的基于乘法器的PFC同樣出色，比較適圖4仿真結(jié)果圖合中低功率的系統(tǒng)應(yīng)用。
相關(guān)閱讀：
推薦：一款高效率車載開關(guān)電源電路設(shè)計(jì)方案
http://www.shuilikongzhifa.com/power-art/80021759
分享：簡(jiǎn)單低成本的開關(guān)電源保護(hù)電路設(shè)計(jì)
http://www.shuilikongzhifa.com/cp-art/80021655
高效、可靠的緊湊型DCDC隔離電源電路設(shè)計(jì)
http://www.shuilikongzhifa.com/power-art/80021681
工程師分享：一款低成本高精度應(yīng)急電源逆變電路設(shè)計(jì)
http://www.shuilikongzhifa.com/power-art/80021777
