运用单周控制来简化75 W及更高功率的功率因子校正设计

——

作者：时间：2005-08-18来源：收藏

运用单周控制来简化75 W及更高功率的功率因子校正设计

IR公司交流直流转换事业部市场经理 Stephen Oliver

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/7655.htm

关于电器设备对电网的功率质素的影响，已经有法例规定了限制，而且越来越多地通过征收关税来迫使制造商提高能量的使用效率，由于这些原因，功率因子校正（PFC）成为连接到电网上的电器设备的一个重要部分。
图1是实现功率因子校正的一个电路图。对于完美的功率因子校正，它的功率因子等于1，经过功率因子校正后，负载看上去是纯电阻性的。这样减少了谐波畸变，消除了无功功率，从而改善了能量的使用效率。实现功率因子校正的方法大体上有两个：一个是不连续导通方式（DCM）功率因子校正，另一个是连续导通方式（CCM）功率因子校正。一向以来，DCM功率因子校正一直是最容易实现的。但是工作在不连续导通方式时，峰值电流相当大。当它用于大功率转换器时，需要很大的散热器，采用很大的电感将电磁干扰滤掉，由于这些，人们不喜欢使用不连续导通方式。

工作在连续导通方式的功率因子校正
对于连续导通方式功率因子校正，峰值电流一般较小，所以这个办法适合于高达几千瓦的系统。但是，连续导通方式对控制的要求就比较复杂。这是因为，在连续导通方式功率因子校正中，利用一只仿真乘法器/除法器对整流后的交流电网电压进行采样，形成一个正弦电流基准信号，以便迫使输入电流跟随输入电压。这个信号控制着主PWM控制器的占空比，迫使转换器的输入电流跟随输入电压的正弦波形，从而让功率因子接近1，并且降低电流中的谐波。
在控制环路和乘法器的灵敏度给定的情况下，进入输入的任何畸变或者噪音对于功率因子和输入电流的谐波畸变都会产生不良的影响。
印刷电路板（PBC）的设计也起重要的作用，组件的选择和组件的最优数值也一样起着重要的作用。
在实际实现时，设计工作往往需要反复几次，以便在电网电压和负载的变化范围内，对控制电路的性能进行优化。一个妥善设计的连续导通方式功率校正电路需要有很丰富的功率设计知识和技巧。

单周控制
但是有另外一个办法可以用来实现连续导通方式功率校正，这个办法时，可以避免复杂的设计。使用单周控制（One Cycle Control，简称OCC）时，不需要正弦电流基准信号。它假定，在一个开关周期中，电压误差放大器产生的调制电压是常数，OCC在一个开关周期内对这信号进行积分，产生一个斜升信号，它的斜率与误差放大器的输出电压成正比。PWM控制器对斜升信号和一个仿真基准信号──它是把电流和误差电压加起来形成的──进行比较，当斜升信号达到基准信号的电平时，PWM信号的方波便回到低电平。用这个办法，控制器控制着转换器的占空比，实现了对输出电压的调节以及功率因子校正。我们假定调制电压在一个开关周期中是常数，这是合理的，因为电压环路的频带很狭窄。
在每个开关周期结_时将积分器复位。“单周控制”的名称指的就是，积分器逐周地进行积分运算，并且在每个开关周期产生基准信号。
单周控制的连续导通方式功率因子校正控制器，例如IR公司的IR1150，把积分器、PWM控制器和有关的电路都集成在一个组件中。设计人员只要选择少量外接组件的数值，就可以确保，在所需要的功率，它的运作令人满意。因为这个办法大量地简化了设计过程，并且不需要体积很大的绕线组件，所以现在可以把连续导通方式功率因子校正用于功率大约在75 W以上的低功率、低成本的系统。
在使用IR1150时，工程师只需要具备功率因子校正控制设计的基本知识，就能够用它来实现连续导通方式功率因子校正控制器。我们还提供300 W的演示板（图2），设计人员可以通过它迅速地用IR1150控制器来实现单周控制的连续导通方式功率因子校正，并且通过下面的设计步骤，对所实现的系统进行优化：
1. 设计/选择功率电路的组件
2. 设计/选择检测电流的电阻器
3. 设计电压误差放大器的补偿电路

选择检测电流的电阻器
检测电流的电阻器决定了电流软过载的数值，输入电流就是限制在这个数值上，而这时输出电压将下降。最坏的情形是在电网电压低时而电流为最大，而且转换器的升压系数又比较高。电流检测电阻器RS的数值必设计成这样：来自电网的输入电压为最低、负载为最大时，转换器能够维持输出电压。
可以这样来确定电流检测电阻器的数值：计算检测电流的电阻器两端用于设定输入电压为最低时的“软”电流极限所需要的电压，然后，按电感器中的最大峰值电流，计算电流检测电阻器的数值。电阻器中的功率损耗可以按输入电压为最小时，输入有效值电流为最大的情形来计算。还要妥善地遵守降额使用的指引。

电压环路的补偿
在典型的功率因子校正转换器中，需要把电压环路的频带宽度保持在低于电网频率的一半以下，以避免电网电流出现畸变──这是电压环路想把输出中的120 Hz脉动去掉而引起的。当然，在系统的瞬变响应与输入电流畸变之间还需要权衡得失加以折衷，这时，电压环路的稳定性通常是很容易做到的。电压环路补偿的目的一是限制二次谐波脉动──它是从误差放大器进入集成电路的COMP引脚的，二是把开环的增益带宽限制在低于交流电网电压频率的一半。

开关频率可以选择
这个集成电路的开关频率可以用一只外接电阻从50 Hz调节到200 kHz。设计人员可以针对一定的应用系统，用这个办法，来选择最优的功率开关技术。这需要在切换速度、开关晶体管的栅极电荷和开关晶体管的电流之间权衡得失，进行折衷。从每安培电流的价钱这个角度看，IGBT晶体管是最好的开关器件。在频率更高（到200 kHz）时，可以使用HEXFET 型MOSFET功率晶体管，并配上合适超高速升压二极管。

结语
除了设计步骤简化了很多，OCC与普通的连续导通方式功率因子校正控制器设计相比，OCC还大量地减少了组件的数量，缩小了印刷电路板的尺寸。拿一个1 kW的转换器作为例子，使用IR1150的单周控制时，所需要的组件数量减少了40 %，印刷电路板的尺寸缩小了一半多。与一个低成本的不连续导通方式功率因子校正设计相比，例如一个120 W的膝上型计算机适配器，OCC的组件数量和它相同，而且很容易设计，但是功率密度提高了10 %。