無輸入電壓檢測的平均電流型功率因數(shù)校正

摘要：在分析了現(xiàn)有平均電流型功率因數(shù)校正電路不足的基礎上，提出了一種無輸入電壓檢測的平均電流型功率因數(shù)校正技術(shù)。

關(guān)鍵詞：功率因數(shù)校正；輸入電壓檢測；線性

1??? 引言

??? 在中等功率和較大功率場合，平均電流型控制（ACMC）技術(shù)是最常用的一種，一般的CCM技術(shù)通過三個控制環(huán)實現(xiàn)功率因數(shù)校正，電流編程信號用來為高帶寬、快速響應的電流環(huán)設定基準，電流編程信號的幅值由低帶寬的輸出電壓誤差信號的幅值和經(jīng)過低通濾波器的線電壓的有效值來調(diào)制，以確保輸入和輸出功率的平衡。為了能在負載和線電壓變化時，保證功率平衡，還需要一個平方-除法-乘法器，如果電流編程信號不從線電壓取樣，那么，就可以省掉平方-除法-乘法器，并且可以減少外部無源元件的個數(shù)，因此可以大大簡化電路。本文介紹一種無輸入電壓檢測的平均電流型功率因數(shù)校正技術(shù)，并詳細地說明了這種控制方法的原理。

2??? 線性PWM波形的獲取

??? 我們以Boost電路為例，說明平均電流控制的功率因數(shù)校正電路是如何取得線性PWM波形的。

??? 圖1為Boost電路拓撲，應用這種電路的主要目的是提供輸入端高的功率因數(shù)和調(diào)節(jié)輸出電壓。

圖1??? Boost型功率因數(shù)校正電路原理圖

??? 在平均電流控制時，

??? <I_in>=（1）

式中：<I_in>為一個開關(guān)周期(T_s)輸入電流的平均值；

????? V_in為線電壓的瞬時值；

????? R_eq是等效阻抗，其幅值等于負載映射到輸入端的等效電阻值。

??? 根據(jù)大信號平均PWM開關(guān)模型，

??? <I_in>=<I_c>=??? （2）

式中：<>表示一個開關(guān)周期相應電流的平均值；

????? D主開關(guān)的占空比。

??? 在分析時，假定在一個開關(guān)周期中，輸入電壓是固定不變的，在穩(wěn)態(tài)時，Boost拓撲的輸入輸出電壓的關(guān)系為

???? V_in=V_o(1－D)（3）

將式（2）和式（3）代入式（1），可以得到

??? <I_in>=(1－D)（4）

??? <I_a>=(1－D)D（5）

??? <I_p>=(1－D)²（6）

??? 式（4）的物理意義如下：在每一個開關(guān)周期，如果功率開關(guān)關(guān)斷，當輸入電流的平均值等于，就實現(xiàn)了線性電阻。其具體波形如圖2所示。

圖2??? PWM調(diào)制控制的PFC波形

??? 由圖2可知，當輸入電流的平均值等于PWM的斜坡值時，開關(guān)管關(guān)斷。因此這種控制方法，要求一個開關(guān)周期的占空比由整個周期電流的平均值決定，這在一般的系統(tǒng)中是不可能實現(xiàn)的。但是，輸入電壓的變化和開關(guān)周期相比非常慢，這樣我們可以利用前一個開關(guān)周期輸入電流的平均值來決定下一個周期的占空比。這種技術(shù)是通過將上一個周期的平均電流值保持到下一個周期來實現(xiàn)的。其簡化的功率級和控制級的電路框圖如圖3所示。

圖3??? 功率級和控制級的簡化電路框圖

??? 在t=0時刻以前，電容C_c1被完全放電，其上電壓等于零。放電完成以后，復位開關(guān)斷開，在0≤t≤T_s期間，輸入電感電流對電容C_c1充電，電阻檢測網(wǎng)絡給電流電壓變換器（V2I）提供一個輸入電壓，電容C_c1上的電壓為：

??? V_c1=i_indt=（7）

式中：R_s是電流檢測電阻的增益；

????? g_m是電壓/電流變換器的增益。

??? 在t=D_maxT_s時刻，充電控制電路對電容C_c2放電，并且設置T_s≤t≤2T_s期間的初始值，在t=T_s時刻，充電控制電路通過將S_p1和S_p2的門極信號分別保持為低電平和高電平，這樣使得電容C_c1上的電壓保持不變，在T_s≤t≤2T_s期間，電容C_c1上的電壓值和PWM斜波值進行比較，以決定占空比的大小。PWM斜波由式（4）決定，三種電壓誤差信號情況下的動態(tài)信號波形如圖4所示，這三種情況分別對應：

??? 1）大的輸出電壓誤差信號；

??? 2）小的輸出電壓誤差信號；

??? 3）更小的輸出電壓誤差信號。

圖4??? 功率級PFC電路主要工作波形

??? 應當注意，輸出電壓誤差信號由輸出電壓控制環(huán)來決定，其單位增益轉(zhuǎn)折頻率為10～20Hz。

3??? 結(jié)語

??? 新穎的線性平均電流控制(ACMC)技術(shù)可獲得高功率因數(shù)，這種方法不需要輸入電壓檢測，因此簡化了控制電路的設計。電路分析及試驗結(jié)果均證明了這種控制方法的正確性。