電流控制技術和斜坡補償
1. 平均電流法Boost電路設計實例
設計 1200W功率因數(shù)校正電路,采用Boost電路的拓撲,平均電流法的控制電路,UC3854BN的控制芯片。
電路參數(shù)如下:
輸入電壓:Vin=220V±25%(165V~275V);
直流輸出電壓:Vo=410V;
開關頻率:fs=80kHz;
功率因數(shù):PF>0.993;
效率:?>0.95;
電感:L=600μH;
檢測變壓器變比:1∶100;
檢測電阻:15O。
①電流環(huán)設計為了穩(wěn)定運行,須進行電流環(huán)相位補償。
電流環(huán)補償后在開關頻率附近提供平穩(wěn)增益。在低頻的零點響應提供高增益完成平均電流控制工作。在開關頻率附近誤差放大器的增益要配合電感電流的下降沿。本設計開關頻率為80KHz,單位增益交越頻率應為14KHz(1/6 開關頻率),但本電流環(huán)的主要工作是跟蹤線電流,故10KHz 的帶寬是合適的值。電流環(huán)的零點必須設置在交越頻率上,或低于交越頻率處。如設置在交越頻率上,相位裕度有45°,低于交越頻率則相位裕度更大點。45°的相位裕度的系統(tǒng)工作穩(wěn)定、低過沖、干擾小,所以將零點設置在略低于交越頻率處(fs 為10KHz)。當極點高于開關頻率的1/2 時,極點不會影響控制環(huán)的頻率響應。為了減少對噪聲的敏感性,極點通常設置在開關頻率附近。本設計設置極點在開關頻率處(fp 為80kHz)。設計電流環(huán)的過程為先算出零點時功率部分的增益,而功率部分增益乘以電流放大器增益為整個電流環(huán)增益,整個電流環(huán)的增益為1 時算出電流放大器的交越頻率(即零點),并且在交越頻率處電流環(huán)的增益是功率部分增益的倒數(shù),由此算出電流環(huán)的增益,由該增益算出補償網(wǎng)絡的電阻,由電阻和零點頻率算出補償網(wǎng)絡的零點電容,再由極點頻率算出補償網(wǎng)絡的極點電容。具體計算過程為:電感電流的下降沿=(Vo-Vin)/L;最壞情況(Vin=0),電感電流的下降沿=Vo/L;晶振坡度=Vs/Ts=Vsfs。
因為電流放大器的輸出不能大于晶振的輸出,即電感電流的坡度不能大于晶振的坡度,所以電流放大器的增益最大時PWM 比較器的兩個輸入端信號相等,此時為:
s而零點處功率部分的增益為:
因為交越頻率處整個電流環(huán)為單位增益,所以電流環(huán)增益為1,電流環(huán)增益及交越頻率為:
即交越頻率為開關頻率的
ca G ——電流放大器的增益
id G ——功率部分的增益
se V ——晶振峰峰值
rs V ——檢測電阻電壓
ca V ——電流放大器輸出電壓
sense R ——檢測電阻
i R ——從電流檢測到電流放大器的反向輸入端
電流環(huán)的增益圖(圖13)和電流誤差放大器的電路圖(圖14)如下所示。
圖 13 電流環(huán)波特圖
圖 14 電流環(huán)誤差放大器
②電壓環(huán)設計為了工作穩(wěn)定,必須進行電壓環(huán)補償。
與穩(wěn)定性相比,功率因數(shù)校正電路電壓環(huán)更需要的是保持輸入線電流畸變小。電壓環(huán)的帶寬必須設計得足夠低以衰減輸出電容上的工頻2 次諧波;電壓誤差放大器也必須有足夠的相位裕度以在相位上跟蹤輸入電流,使功率因數(shù)提高。Boost電路輸出部分的低頻模式是電流源驅(qū)動電容的一階電路,功率部分和電流反饋環(huán)組成該電流源,輸出電容
組成該電容,該模式具有-20dB/十倍頻的增益特性。如果電壓反饋環(huán)在這附近閉合,它將有恒定的增益并且穩(wěn)定,但在抑制2 次諧波引起的畸變方面性能差,放大器需要一個極點以減少紋波電壓增益,并且使相移為90°,由此找到單位增益交越頻率和極點位置。電壓環(huán)的設計與要達到的THD有關,電壓誤差放大器輸出端產(chǎn)生的1.5%的2 次諧波將在電路輸入端產(chǎn)生0.75%的3 次諧波。
因為在設計中要求THD不大于3%,允許分配給電壓誤差放大器的輸出紋波比例是1.5%。為了提供足夠的相位裕度,極點設置在交越頻率上,整個回路增益將在45°的相位裕度。電壓環(huán)部分的設計從計算輸出電容上允許的 2 次諧波電壓開始,再計算電壓放大器允許的輸出2 次諧波,及由此算出電壓放大器的2 次諧波增益值,由該增益值可以算出電壓環(huán)的補償電容。功率部分的增益和電壓環(huán)的增益組成整個電壓環(huán)的增益,整個電壓環(huán)的增益為1 時算出交越頻率。再由交越頻率算出補償網(wǎng)絡的電阻。計算方式如下:
當 q=24 時,k0.105 將確保軟開關。當Troff(1-Dmax)Ts=0.1Ts時,Troff 最小。當q=24時,k0.09。兼顧考慮,應?。?0.09;
③ Lr=6.5μH,其值根據(jù)k求得;
④ Ls=30μH,確定Ls值最直接的方法是要求Vr 工作范圍滿足V/10VrV/2。Ls值大小的選擇應確保在所有的輸入電壓范圍內(nèi)Tron 和Troff都是有效的,并且采用PFC 時達到最小的電壓應力;
⑤ Cs=2μF,在整個開關周期內(nèi)CS 可被看作是相對恒定的值。這樣可保證Ls 和Cs 的諧振周期是開關周期的若干倍。
2.峰值電流控制芯片UC3846 進行斜坡補償電路設計舉例
主電路拓撲采用雙管正激電路
UC3846 的斜坡補償選擇電路根據(jù)峰值電流控制的電路圖可以看到,加入斜坡補償有兩種方法,一種是將斜坡補償信號加到電流檢測信號中,前一種實現(xiàn)方法簡單,但由于斜坡補償信號的加入,有可能在實現(xiàn)電流限制功能時產(chǎn)生誤差。
第二種方法實現(xiàn)時必須滿足兩個條件:①在開關頻率附近,電壓放大器的增益必須為一個固定的常數(shù)R1/R2;②當射極斜坡補償時,電流放大器和電壓放大器都必須考慮進去。參數(shù)選擇采用單端正激電路設計1000W通信電源,以UC3846 作為控制芯片,交流輸入165~275V;輸出50V,20A;工作頻率80k Hz;匝比8/1(Np/Ns),檢測電阻Rsense=0.4O;輸出電感
L=40uH;晶振電容CT=1nF;死區(qū)時間0.145us。
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