电动汽车车载充电器Boost PFC AC/DC变换器设计

　　确定电感量后，需选取合适的磁芯材料。APFC电路的升压电感磁芯材料有：磁粉芯、铁氧体磁芯和有隙非晶/微晶合金磁芯等。综合分析，考虑铁硅铝磁粉芯的磁通密度(BS)高、体积小且不用开气隙的优点，选择铁硅铝磁粉芯作为磁芯材料。

　　当主电路电流很大时，电感会出现直流偏置，导致磁路饱和。电流越大，磁路饱和程度越大。故选择电感磁芯时，需考虑磁路饱和的问题。综合考虑，选取型号为KS184060A的铁硅铝磁芯60匝，当磁路饱和程度最大时，电感量仍为110μH，略大于108μH.

　　3 PFC AC/DC变换器控制电路设计

　　控制电路采用双闭环结构：外环为电压环，内环为电流环，电流环控制主电路输入电流跟踪参考电流，实现功率因数校正。电压环的输出电压与输出参考电压经电压误差放大器比较后的输出信号与前馈电压和输入电压经过乘法器运算，得到电流环的输入参考电流。通过电流环的调节，产生主电路开关管通断的驱动信号，实现系统功率因数校正且输出稳定的直流电压。乘法器的作用主要为信号相乘，此处，本文重点研究电压环和电流环的设计。

　　3.1电压环设计

　　电压环的作用之一是将输出电压的变化反馈给电流环;作用之二是将二次谐波电压衰减到指定水平，以降低输入电流的畸变。另外，由于输出电容的充、放电，输出纹波电压滞后输入电压，故电压环的设计尚需兼顾考虑有足够的相移，以保证输出电压纹波与输入电压同相位。综上可知，需设置合理的补偿电路，使得电压环能够满足上述条件。

　　无补偿时，电压环开环传递函数表达式为：

　　式中：Pin为输入功率，△V为电压误差放大器输出电压范围。电压开环传递函数的伯德图如图4中H曲线所示，二次谐波得不到衰减，导致输入电流畸变变大，故需设置一个极点，使纹波电压得到较好的衰减，同时将纹波电压超前移相90°。

　　设计的补偿电路传递函数为：

　　综合考虑，配置极点频率等于穿越频率。此时，相位裕度为45°，系统稳定性较好，且二次谐波得到了较大的衰减。加入补偿后的电压环传递函数的伯德图如图4中N曲线所示，二次谐波获得了较大的衰减，且纹波电压超前相移90°。

　　图4补偿前、后的电压环传递函数的伯德图

　　3.2电流环设计

　　电流环的作用是调节主电路输入电流，使之跟踪主电路输入电压，实现高PF控制。电流环的设计思路是通过补偿电路的合理设计，增加其响应速度，同时确保系统的稳定运行。

　　无补偿电路时，电流环由PWM比较器和功率级组成，开环传递函数表达式为：

　　电流开环传递函数的伯德图如图5中H曲线所示，电流环带宽很窄，且高频噪声得不到很好的抑制。为此，通过低频处设置零点，提高低频增益，增加带宽;同时，在高频处设置极点，抑制开关噪音。设计的补偿电路开环传递函数为：

　　为此，选取合适的截止频率，设定零点频率以及极点频率，使系统的相位裕度在45°以上，同时兼顾使电流环满足高增益和大带宽设计需求。设定截止频率为6.65 kHz，零点频率为4.5 kHz，极点频率为46 kHz，相位裕度为48°，加入补偿电路后电流环传递函数的伯德图如图5中N曲线所示，加入补偿后的电流环在低频处，系统带宽较大;在高频处，开关噪声获得了较好的衰减;此外，系统相位裕度超过45°，能够实现系统的稳定运行。

　　图5补偿前、后电流环传递函数的伯德图