基于雙環(huán)控制策略的功率因數(shù)校正電源的研制

0 引言

開關(guān)電源已成為電網(wǎng)最主要的諧波源之一[1]。為了減小開關(guān)穩(wěn)壓電源對供電電網(wǎng)的污染和對外部電子設(shè)備的干擾，電源中普遍采用了功率因數(shù)校正(power factor correction，PFC)技術(shù)。功率因數(shù)校正技術(shù)的作用是在電網(wǎng)與負載之間插入校正環(huán)節(jié)，使輸入電流波形逼近輸入電壓波形，以提高功率因數(shù)并限制開關(guān)電源的諧波電流對電網(wǎng)的污染[2]。

在目前廣泛應(yīng)用的通信電源中，功率級電路拓撲一般分為兩級，前級是功率因數(shù)校正電路，后級是DC/DC變換電路[3]。這種對功率分別進行兩級變換的控制會造成控制電路設(shè)計復(fù)雜。

本文中，基于功率因數(shù)校正和脈寬調(diào)制穩(wěn)壓變換一體的開關(guān)電源控制芯片UCC38500，采用電壓和電流的雙閉環(huán)控制方式設(shè)計了一臺輸出電壓48 V，輸出功率300 W 的功率因數(shù)校正電源樣機。文中討論了該樣機的設(shè)計與控制，給出了試驗結(jié)果。

1 工作原理

圖1給出所設(shè)計的樣機的電路原理框圖。前級采用Boost拓撲結(jié)構(gòu)的PFC 電路，在實現(xiàn)功率因數(shù)校正的同時把輸入電壓提升到直流385 V;后級為應(yīng)用雙管正激拓撲結(jié)構(gòu)的PWM 電路，把385 V直流母線電壓降低到48 V，實現(xiàn)輸入與輸出的電氣隔離。

前級功率因數(shù)校正環(huán)節(jié)基于平均電流控制原理，采用電壓控制環(huán)和電流控制環(huán)的雙閉環(huán)控制方式，其中電壓控制環(huán)使Boost電路輸出的直流母線電壓更穩(wěn)定;電流控制環(huán)使輸入電流接近正弦波。控制過程如下：經(jīng)取樣的直流母線電壓與基準電壓信號相比較，通過電壓誤差放大器輸出電壓誤差放大信號。該信號與取樣后的電源正弦半波信號相乘，作為電流誤差放大器的基準電流信號。被檢測的電感電流，在電壓誤差放大器中與基準電流相比較，經(jīng)電流誤差放大器后與給定的鋸齒波比較，提供某一數(shù)值的占空比信號，經(jīng)驅(qū)動器輸出驅(qū)動信號，驅(qū)動開關(guān)管，這就形成了電流環(huán)。電流誤差能被迅速而精確地校正，從而保證電流控制精度。

后級DC/DC 功率級變換也采用雙閉環(huán)控制方式。電流內(nèi)環(huán)采用峰值電流控制模式，對開關(guān)電流的峰值進行逐個脈沖采樣控制。電壓誤差放大器輸出信號，通過光耦隔離，產(chǎn)生電流參考信號。被采樣電阻檢測的開關(guān)電流與電流參考信號比較，經(jīng)驅(qū)動器輸出兩路隔離的驅(qū)動信號。

2 電路設(shè)計

電路設(shè)計基于UCC38500 控制芯片，其PFC 與PWM的開關(guān)頻率比為1∶1。設(shè)計的主要電路參數(shù)為：

輸入電壓uin=100~265 V;直流母線電壓VBoost=385 V;

電路的開關(guān)頻率為fS=50 kHz;功率因數(shù)PF≈1;輸出功率PO=300 W;輸出電壓VO=48 V。

2.1 前級PFC設(shè)計

2.1.1 升壓電感的設(shè)計

升壓電感的大小由PO、紋波電流駐I、占空比D、fS及Vin(min)確定。有如下關(guān)系式

駐I=1.2 A，Dmax=0.63，LBoost=1.48 mH。

2.1.2 電壓控制環(huán)的設(shè)計

要求電壓外環(huán)的帶寬遠小于100 Hz的正弦半波頻率fR，實際設(shè)計的電壓外環(huán)帶寬為fVI=8.7 Hz。電壓控制環(huán)的有效補償可以使得系統(tǒng)更加穩(wěn)定，而且可以減小系統(tǒng)的總諧波畸變[6]。電壓誤差放大器的增益GVA=0.014。圖2是電壓誤差放大器的電路結(jié)構(gòu)圖。

電壓誤差放大器中各元件參數(shù)由式(4)、式(5)和式(6)確定

2.1.3 電流控制環(huán)設(shè)計

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