基于双环控制策略的功率因数校正电源的研制

0 引言

开关电源已成为电网最主要的谐波源之一[1]。为了减小开关稳压电源对供电电网的污染和对外部电子设备的干扰，电源中普遍采用了功率因数校正(power factor correction，PFC)技术。功率因数校正技术的作用是在电网与负载之间插入校正环节，使输入电流波形逼近输入电压波形，以提高功率因数并限制开关电源的谐波电流对电网的污染[2]。

在目前广泛应用的通信电源中，功率级电路拓扑一般分为两级，前级是功率因数校正电路，后级是DC/DC变换电路[3]。这种对功率分别进行两级变换的控制会造成控制电路设计复杂。

本文中，基于功率因数校正和脉宽调制稳压变换一体的开关电源控制芯片UCC38500，采用电压和电流的双闭环控制方式设计了一台输出电压48 V，输出功率300 W 的功率因数校正电源样机。文中讨论了该样机的设计与控制，给出了试验结果。

1 工作原理

图1给出所设计的样机的电路原理框图。前级采用Boost拓扑结构的PFC 电路，在实现功率因数校正的同时把输入电压提升到直流385 V;后级为应用双管正激拓扑结构的PWM 电路，把385 V直流母线电压降低到48 V，实现输入与输出的电气隔离。

前级功率因数校正环节基于平均电流控制原理，采用电压控制环和电流控制环的双闭环控制方式，其中电压控制环使Boost电路输出的直流母线电压更稳定;电流控制环使输入电流接近正弦波。控制过程如下：经取样的直流母线电压与基准电压信号相比较，通过电压误差放大器输出电压误差放大信号。该信号与取样后的电源正弦半波信号相乘，作为电流误差放大器的基准电流信号。被检测的电感电流，在电压误差放大器中与基准电流相比较，经电流误差放大器后与给定的锯齿波比较，提供某一数值的占空比信号，经驱动器输出驱动信号，驱动开关管，这就形成了电流环。电流误差能被迅速而精确地校正，从而保证电流控制精度。

后级DC/DC 功率级变换也采用双闭环控制方式。电流内环采用峰值电流控制模式，对开关电流的峰值进行逐个脉冲采样控制。电压误差放大器输出信号，通过光耦隔离，产生电流参考信号。被采样电阻检测的开关电流与电流参考信号比较，经驱动器输出两路隔离的驱动信号。

2 电路设计

电路设计基于UCC38500 控制芯片，其PFC 与PWM的开关频率比为1∶1。设计的主要电路参数为：

输入电压uin=100~265 V;直流母线电压VBoost=385 V;

电路的开关频率为fS=50 kHz;功率因数PF≈1;输出功率PO=300 W;输出电压VO=48 V。

2.1 前级PFC设计

2.1.1 升压电感的设计

升压电感的大小由PO、纹波电流驻I、占空比D、fS及Vin(min)确定。有如下关系式

驻I=1.2 A，Dmax=0.63，LBoost=1.48 mH。

2.1.2 电压控制环的设计

要求电压外环的带宽远小于100 Hz的正弦半波频率fR，实际设计的电压外环带宽为fVI=8.7 Hz。电压控制环的有效补偿可以使得系统更加稳定，而且可以减小系统的总谐波畸变[6]。电压误差放大器的增益GVA=0.014。图2是电压误差放大器的电路结构图。

电压误差放大器中各元件参数由式(4)、式(5)和式(6)确定

2.1.3 电流控制环设计

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