基于ML4803的兩級PFC變換器研究

摘要：兩級功率因數(shù)校正(PFC) 變換器因其較高的功率因數(shù)而廣泛應(yīng)用于功率因數(shù)校正場合。近年來，隨著PFC/PWM 復(fù)合控制芯片的應(yīng)用，兩級功率因數(shù)校正技術(shù)得到了很大的發(fā)展。傳統(tǒng)兩級PFC 采用后緣/ 后緣調(diào)制方法( Trai2ling Edge Modulation / Trailing Edge Modulation ，TEM/ TEM) 。而現(xiàn)今廣泛使用前緣/ 后緣調(diào)制方法(Leading Edge Mod2ulation / Trailing Edge Modulation ，L EM/ TEM) 可有效減小流經(jīng)連接前級PFC 和后級DC/ DC 階段的直直連接電容的電流有效值，但尚未有詳細(xì)的理論推導(dǎo)。文章在兩種調(diào)制方法下對流經(jīng)直直連接電容的電流有效值進(jìn)行了詳細(xì)的理論分析，并給出了仿真驗(yàn)證。最后，利用復(fù)合控制芯片ML4803 設(shè)計了一臺具有功率因數(shù)校正功能的兩級PFC 變換器，對理論仿真分析進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

　　0 　引　言

　　近年來，隨著電力電子設(shè)備(非線性設(shè)備) 的廣泛使用，導(dǎo)致電網(wǎng)電源輸入電流含有大量諧波，造成電源品質(zhì)惡化，電源污染越來越嚴(yán)重。為了抑制諧波及降低電磁污染，功率因數(shù)校正(PFC) 技術(shù)正成為電力電子技術(shù)研究的重要領(lǐng)域。目前，PFC 技術(shù)有單級和兩級之分，單級PFC 變換器主要應(yīng)用于中小功率場合，電路結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，但PF 值較低。兩級PFC 變換器是在整流濾波和DC/ DC 功率級之間串入一個有源PFC 電路作為前置級，具有PF 值高、PFC 級輸出電壓恒定等優(yōu)點(diǎn)，適用于中大功率場合的應(yīng)用。但是兩級PFC 結(jié)構(gòu)需要兩套控制電路，增加了變換器成本、重量以及復(fù)雜度。近年來，隨著PFC/ PWM 復(fù)合控制芯片的發(fā)展，兩級PFC 變換器得到了很大的發(fā)展。

　　在兩級PFC 變換器中， 連接前級PFC 和后級DC/ DC 的直流連接電容占整個變換器的很大一部分體積，傳統(tǒng)兩級PFC 常用的后緣/ 后緣調(diào)制方法不利于減小直流連接電容的大小?，F(xiàn)今廣泛使用的前緣/后緣調(diào)制方法可有效減小直流連接電容的紋波電流和紋波電壓，但是一直未有詳細(xì)的理論推導(dǎo)。本文在兩種調(diào)制方法下對直流連接電容的紋波電流進(jìn)行了詳細(xì)的理論推導(dǎo)和仿真，證明了前緣/ 后緣方法的有效性。最后，通過使用復(fù)合控制芯片ML4803 進(jìn)行了兩級功率因數(shù)校正的實(shí)驗(yàn)，其前級采用平均電流控制模式的Boost 型PFC 電路，以提高電源的功率因數(shù)值;后級采用雙管正激PWM 電路，實(shí)現(xiàn)DC2DC 變換功能。

　　1 　兩級PFC中直流連接電容的分析

　　在如圖1 所示的兩級PFC 變換器結(jié)構(gòu)中，前級PFC 屬于有源濾波，使輸入電流與輸入電壓波形、相位一致， 提高功率因數(shù)， 減小諧波畸變率， 常采用Boost 電路做PFC 電路。后級DC/ DC 起隔離和電壓變換的作用。在傳統(tǒng)兩級PFC 電路中，通常對PFC和DC/ DC 部分各自進(jìn)行獨(dú)立控制，現(xiàn)在多將PFC 與DC/ DC 的控制相結(jié)合。

圖1 　兩級PFC變換器結(jié)構(gòu)框圖

　　交流220 V 輸入時，經(jīng)前級Boost PFC 電路后，輸出電容電壓的預(yù)設(shè)值較高，接近400 V 左右。且為保證功率校正電路的輸出電壓Uc紋波小，直流連接電容C1 的電容值較大。我們知道，電容的體積與電容值以及耐壓值成正比，大體積的電容將導(dǎo)致整個兩級PFC變換器體積龐大。因此減小直流連接電容的體積有利于減小整個變換器的體積。

　　同步即要使前級功率開關(guān)管的導(dǎo)通與后級功率開關(guān)管的關(guān)斷同時進(jìn)行，需在前級PFC 階段采取前緣調(diào)制(L EM) 方法， 后級DC/ DC 階段采取后緣調(diào)制( TEM) 方法。正確的同步前后兩級，能有效地減小直流連接電容的紋波電流和紋波電壓，進(jìn)而減小直流連接電容的體積。

　　圖2 (a) 為前緣調(diào)制，功率開關(guān)管在每個開關(guān)的時鐘周期開始時關(guān)斷，當(dāng)誤差放大器電壓輸出信號與斜坡調(diào)制信號相等時，開關(guān)管開通，并且一直保持到當(dāng)前周期結(jié)束。圖2 (b) 為后緣調(diào)制，功率開關(guān)管在每個開關(guān)周期的時鐘周期開始時開通，當(dāng)誤差放大器電壓輸出信號與斜坡調(diào)制信號相等時，開關(guān)管關(guān)斷，直到當(dāng)前時鐘周期結(jié)束。

圖2 　兩種調(diào)制方法

　　在兩級PFC 的傳統(tǒng)控制方案中， PFC 級與DC/DC 級均采用后緣調(diào)制，即在時鐘開始時同時導(dǎo)通前后兩級的功率開關(guān)管。此時，當(dāng)變換器處于前級開關(guān)管關(guān)斷、后級功率開關(guān)管也關(guān)斷狀態(tài)時，前級PFC 階段將出現(xiàn)一個瞬間的無負(fù)載狀態(tài)，此時電容紋波電流最大，補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計困難。

　　2 　兩種調(diào)制方法下直直電容紋波電流推導(dǎo)

　　下面在PFC 和DC/ DC 兩級均工作在相同開關(guān)頻率的條件下，對兩種調(diào)制方法下電容電流有效值的大小進(jìn)行詳細(xì)的理論分析。

　　圖3 為設(shè)計的兩級PFC 電路原理圖， 前級為Boost PFC 電路，后級為雙管正激DC/ DC 電路。

圖3 　兩級PFC變換器原理圖