運(yùn)用單周控制來簡化75 W及更高功率的功率因子校正設(shè)計(jì)

運(yùn)用單周控制來簡化75 W及更高功率的功率因子校正設(shè)計(jì)

IR公司交流直流轉(zhuǎn)換事業(yè)部市場經(jīng)理   Stephen Oliver

關(guān)于電器設(shè)備對電網(wǎng)的功率質(zhì)素的影響，已經(jīng)有法例規(guī)定了限制，而且越來越多地通過征收關(guān)稅來迫使制造商提高能量的使用效率，由于這些原因，功率因子校正（PFC）成為連接到電網(wǎng)上的電器設(shè)備的一個(gè)重要部分。
圖1是實(shí)現(xiàn)功率因子校正的一個(gè)電路圖。對于完美的功率因子校正，它的功率因子等于1，經(jīng)過功率因子校正后，負(fù)載看上去是純電阻性的。這樣減少了諧波畸變，消除了無功功率，從而改善了能量的使用效率。實(shí)現(xiàn)功率因子校正的方法大體上有兩個(gè)：一個(gè)是不連續(xù)導(dǎo)通方式（DCM）功率因子校正，另一個(gè)是連續(xù)導(dǎo)通方式（CCM）功率因子校正。一向以來，DCM功率因子校正一直是最容易實(shí)現(xiàn)的。但是工作在不連續(xù)導(dǎo)通方式時(shí)，峰值電流相當(dāng)大。當(dāng)它用于大功率轉(zhuǎn)換器時(shí)，需要很大的散熱器，采用很大的電感將電磁干擾濾掉，由于這些，人們不喜歡使用不連續(xù)導(dǎo)通方式。

工作在連續(xù)導(dǎo)通方式的功率因子校正
對于連續(xù)導(dǎo)通方式功率因子校正，峰值電流一般較小，所以這個(gè)辦法適合于高達(dá)幾千瓦的系統(tǒng)。但是，連續(xù)導(dǎo)通方式對控制的要求就比較復(fù)雜。這是因?yàn)?，在連續(xù)導(dǎo)通方式功率因子校正中，利用一只仿真乘法器/除法器對整流后的交流電網(wǎng)電壓進(jìn)行采樣，形成一個(gè)正弦電流基準(zhǔn)信號(hào)，以便迫使輸入電流跟隨輸入電壓。這個(gè)信號(hào)控制著主PWM控制器的占空比，迫使轉(zhuǎn)換器的輸入電流跟隨輸入電壓的正弦波形，從而讓功率因子接近1，并且降低電流中的諧波。
在控制環(huán)路和乘法器的靈敏度給定的情況下，進(jìn)入輸入的任何畸變或者噪音對于功率因子和輸入電流的諧波畸變都會(huì)產(chǎn)生不良的影響。
印刷電路板（PBC）的設(shè)計(jì)也起重要的作用，組件的選擇和組件的最優(yōu)數(shù)值也一樣起著重要的作用。
在實(shí)際實(shí)現(xiàn)時(shí)，設(shè)計(jì)工作往往需要反復(fù)幾次，以便在電網(wǎng)電壓和負(fù)載的變化范圍內(nèi)，對控制電路的性能進(jìn)行優(yōu)化。一個(gè)妥善設(shè)計(jì)的連續(xù)導(dǎo)通方式功率校正電路需要有很豐富的功率設(shè)計(jì)知識(shí)和技巧。

單周控制
但是有另外一個(gè)辦法可以用來實(shí)現(xiàn)連續(xù)導(dǎo)通方式功率校正，這個(gè)辦法時(shí)，可以避免復(fù)雜的設(shè)計(jì)。使用單周控制（One Cycle Control，簡稱OCC）時(shí)，不需要正弦電流基準(zhǔn)信號(hào)。它假定，在一個(gè)開關(guān)周期中，電壓誤差放大器產(chǎn)生的調(diào)制電壓是常數(shù)，OCC在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)對這信號(hào)進(jìn)行積分，產(chǎn)生一個(gè)斜升信號(hào)，它的斜率與誤差放大器的輸出電壓成正比。PWM控制器對斜升信號(hào)和一個(gè)仿真基準(zhǔn)信號(hào)──它是把電流和誤差電壓加起來形成的──進(jìn)行比較，當(dāng)斜升信號(hào)達(dá)到基準(zhǔn)信號(hào)的電平時(shí)，PWM信號(hào)的方波便回到低電平。用這個(gè)辦法，控制器控制著轉(zhuǎn)換器的占空比，實(shí)現(xiàn)了對輸出電壓的調(diào)節(jié)以及功率因子校正。我們假定調(diào)制電壓在一個(gè)開關(guān)周期中是常數(shù)，這是合理的，因?yàn)殡妷涵h(huán)路的頻帶很狹窄。
在每個(gè)開關(guān)周期結(jié)_時(shí)將積分器復(fù)位?！皢沃芸刂啤钡拿Q指的就是，積分器逐周地進(jìn)行積分運(yùn)算，并且在每個(gè)開關(guān)周期產(chǎn)生基準(zhǔn)信號(hào)。
單周控制的連續(xù)導(dǎo)通方式功率因子校正控制器，例如IR公司的IR1150，把積分器、PWM控制器和有關(guān)的電路都集成在一個(gè)組件中。設(shè)計(jì)人員只要選擇少量外接組件的數(shù)值，就可以確保，在所需要的功率，它的運(yùn)作令人滿意。因?yàn)檫@個(gè)辦法大量地簡化了設(shè)計(jì)過程，并且不需要體積很大的繞線組件，所以現(xiàn)在可以把連續(xù)導(dǎo)通方式功率因子校正用于功率大約在75 W以上的低功率、低成本的系統(tǒng)。
在使用IR1150時(shí)，工程師只需要具備功率因子校正控制設(shè)計(jì)的基本知識(shí)，就能夠用它來實(shí)現(xiàn)連續(xù)導(dǎo)通方式功率因子校正控制器。我們還提供300 W的演示板（圖2），設(shè)計(jì)人員可以通過它迅速地用IR1150控制器來實(shí)現(xiàn)單周控制的連續(xù)導(dǎo)通方式功率因子校正，并且通過下面的設(shè)計(jì)步驟，對所實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化：
1. 設(shè)計(jì)/選擇功率電路的組件
2. 設(shè)計(jì)/選擇檢測電流的電阻器
3. 設(shè)計(jì)電壓誤差放大器的補(bǔ)償電路

選擇檢測電流的電阻器
檢測電流的電阻器決定了電流軟過載的數(shù)值，輸入電流就是限制在這個(gè)數(shù)值上，而這時(shí)輸出電壓將下降。最壞的情形是在電網(wǎng)電壓低時(shí)而電流為最大，而且轉(zhuǎn)換器的升壓系數(shù)又比較高。電流檢測電阻器RS的數(shù)值必設(shè)計(jì)成這樣：來自電網(wǎng)的輸入電壓為最低、負(fù)載為最大時(shí)，轉(zhuǎn)換器能夠維持輸出電壓。
可以這樣來確定電流檢測電阻器的數(shù)值：計(jì)算檢測電流的電阻器兩端用于設(shè)定輸入電壓為最低時(shí)的“軟”電流極限所需要的電壓，然后，按電感器中的最大峰值電流，計(jì)算電流檢測電阻器的數(shù)值。電阻器中的功率損耗可以按輸入電壓為最小時(shí)，輸入有效值電流為最大的情形來計(jì)算。還要妥善地遵守降額使用的指引。

電壓環(huán)路的補(bǔ)償
在典型的功率因子校正轉(zhuǎn)換器中，需要把電壓環(huán)路的頻帶寬度保持在低于電網(wǎng)頻率的一半以下，以避免電網(wǎng)電流出現(xiàn)畸變──這是電壓環(huán)路想把輸出中的120 Hz脈動(dòng)去掉而引起的。當(dāng)然，在系統(tǒng)的瞬變響應(yīng)與輸入電流畸變之間還需要權(quán)衡得失加以折衷，這時(shí)，電壓環(huán)路的穩(wěn)定性通常是很容易做到的。電壓環(huán)路補(bǔ)償?shù)哪康囊皇窍拗贫沃C波脈動(dòng)──它是從誤差放大器進(jìn)入集成電路的COMP引腳的，二是把開環(huán)的增益帶寬限制在低于交流電網(wǎng)電壓頻率的一半。

開關(guān)頻率可以選擇
這個(gè)集成電路的開關(guān)頻率可以用一只外接電阻從50 Hz調(diào)節(jié)到200 kHz。設(shè)計(jì)人員可以針對一定的應(yīng)用系統(tǒng)，用這個(gè)辦法，來選擇最優(yōu)的功率開關(guān)技術(shù)。這需要在切換速度、開關(guān)晶體管的柵極電荷和開關(guān)晶體管的電流之間權(quán)衡得失，進(jìn)行折衷。從每安培電流的價(jià)錢這個(gè)角度看，IGBT晶體管是最好的開關(guān)器件。在頻率更高（到200 kHz）時(shí)，可以使用HEXFET 型MOSFET功率晶體管，并配上合適超高速升壓二極管。

結(jié)語
 除了設(shè)計(jì)步驟簡化了很多，OCC與普通的連續(xù)導(dǎo)通方式功率因子校正控制器設(shè)計(jì)相比，OCC還大量地減少了組件的數(shù)量，縮小了印刷電路板的尺寸。拿一個(gè)1 kW的轉(zhuǎn)換器作為例子，使用IR1150的單周控制時(shí)，所需要的組件數(shù)量減少了40 %，印刷電路板的尺寸縮小了一半多。與一個(gè)低成本的不連續(xù)導(dǎo)通方式功率因子校正設(shè)計(jì)相比，例如一個(gè)120 W的膝上型計(jì)算機(jī)適配器，OCC的組件數(shù)量和它相同，而且很容易設(shè)計(jì)，但是功率密度提高了10 %。

圖 1. 　接到交流電網(wǎng)上的功率轉(zhuǎn)換器中的功率因子校正。 (from ppt "Article 2 figs"

圖 2. 　IR1150演示板的原理圖。 (from IRAC1150-300w.pdf demo board data sheet).