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計復雜。

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計與控制，給出了試驗結(jié)果。

1 工作原理

圖1給出所設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?？刂七^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 電路設計

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

2.1.1 升壓電感的設計

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)設計

2.2 后級DC/DC設計

由圖1可見，后級DC/DC 變換的主電路采用雙管正激變換電路。采用峰值電流控制模式，其主要優(yōu)點是具有良好的動態(tài)特性，同時實現(xiàn)降低功率損耗的目的。DC/DC 變換采用后沿觸發(fā)的、同步于Boost和PWM電路中功率開關(guān)最小重疊時間的調(diào)制器，以減小輸出端濾波電容上的紋波電流[4]。

相比于平均電流模式，峰值電流模式有可能會產(chǎn)生次諧波振蕩，因此需要在電流誤差放大器的輸入端加入斜坡補償信號[5]。

在本設計中斜坡補償信號取自芯片內(nèi)部的振蕩器。圖4示出本設計的斜坡補償方法。

電壓誤差放大器和電流誤差放大器的設計與前級PFC 電路的設計基本類似。電流內(nèi)環(huán)由采樣電阻得到峰值電流信號;電壓外環(huán)亦采用常規(guī)零、極點補償，電壓外環(huán)帶寬取為1 kHz。實現(xiàn)了較好的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)效果。

3 試驗結(jié)果

對設計的樣機進行了實驗研究，其中交流輸入電壓Uin=220 V。圖5(a)給出了PFC 電路開關(guān)管的驅(qū)動電壓ug s和漏源電壓ud s波形。圖5(b)給出了滿載時電網(wǎng)側(cè)電壓uin與電網(wǎng)側(cè)電流iin的波形(電流的采樣通過在輸入端串聯(lián)5.1 Ω 的電阻, iin為采樣電阻上的電流波形)。

圖6(a)給出后級DC/DC 功率級雙管正激開關(guān)管的漏源電壓ud s。圖6(b)給出高頻變壓器一次側(cè)電壓波形。圖6(c)給出DC/DC 級輸出電壓波形。

4 結(jié)語

實驗結(jié)果表明，本文所設計的基于雙閉環(huán)控制策略的功率因數(shù)校正電源，其性能指標達到設計要求，控制電路設計明顯簡化。該復合控制芯片以其卓越的控制能力和極低的價位為提高中小功率的開關(guān)電源的功率因數(shù)，抑制諧波污染，實現(xiàn)綠色用電革命，開辟了新前景。