基于IRll50S與UC3854的 Boost PFC變換器比較

O 引言
如今，功率因數(shù)校正器是工業(yè)中使用最廣泛的功率電子裝置之一，它使得輸入電流正弦化，減小了輸入電流諧波，從而能滿足國(guó)際電工標(biāo)準(zhǔn)IEC61000-3-2和美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)IEEE519以及中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 17625.1的要求。Boost電路拓?fù)涞腜FC變換器由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，輸入紋波小，效率高和良好的性能等優(yōu)點(diǎn)而普遍被應(yīng)用。
250 W以上的中大功率應(yīng)用場(chǎng)合，PFC變換器一般工作在CCM模式。過(guò)去二十年中，工業(yè)上高性能的CCM Boost PFC變換器一直采用乘法器控制法來(lái)實(shí)現(xiàn)，該方法包括三種電流連續(xù)控制方法：平均電流控制、峰值電流控制和滯環(huán)控制，其中，平均電流控制具有穩(wěn)定性高、無(wú)需斜率補(bǔ)償以及抗噪聲能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)而廣泛采用，其最經(jīng)典的控制芯片是UC3854。
單周期控制技術(shù)(One-Cycle-Controll，OCC)是一種新型非線性大信號(hào)PWM控制技術(shù)，文獻(xiàn)將其引入Boost PFC電路，實(shí)現(xiàn)了良好的PFC性能。最近IR公司推出了采用單周期控制技術(shù)的集成芯片IRll50S，作為一種新型芯片，其性能如何，能否在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中占有一席之地，跟現(xiàn)有的技術(shù)相比有什么優(yōu)缺點(diǎn)?帶著這幾個(gè)問(wèn)題，本文將對(duì)基于IRl150S和UC3854的Boost PFC電路作一個(gè)詳細(xì)的比較。

1 基于UC3854的Boost PFC原理
1.1 乘法器控制PFC原理
乘法器控制引入一個(gè)輸入電流反饋控制環(huán)，采用模擬乘法器來(lái)實(shí)現(xiàn)將輸入電流校正成為與輸入電壓同相位的正弦波，如圖1所示。乘法器的輸入為整流后全波電壓u1和電壓誤差放大器的輸出Um，其輸出為

乘法器的輸出iMO作為電流環(huán)的基準(zhǔn)信號(hào)，由式(1)可見(jiàn)穩(wěn)態(tài)時(shí)該基準(zhǔn)電流信號(hào)與輸入電壓u1的形狀相同，所以該信號(hào)控制電流可以使輸入電流跟蹤輸入電壓，從而實(shí)現(xiàn)輸入電流的正弦化。
1.2 UC3854介紹
UC3854的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，該芯片有16個(gè)引腳，內(nèi)部主要由電壓誤差放大器、模擬乘法器、電流誤差放大器、PWM比較器以及RS觸發(fā)器組成，另外還包括三角波振蕩器、MOSFFT驅(qū)動(dòng)器、7.5V參考電壓、欠壓比較器、過(guò)流比較器等。其主要性能為：適用于Boost型電路，單信號(hào)輸出；輸出驅(qū)動(dòng)電壓14.5V，輸出驅(qū)動(dòng)電流1A；開(kāi)關(guān)頻率恒定，最高為200kHz；最大占空比為95％．適用于CCM 工作模式，平均電流控制。該芯片還有軟起動(dòng)、輸入電源欠壓保護(hù)以及輸出過(guò)載保護(hù)等功能。基于UC3854的Boost PFC電路具有高穩(wěn)定性和低失真、低噪聲靈敏度的特點(diǎn)。

1.3 基于UC3854的Boost PFC工作原理
輸出反饋電壓與參考電壓經(jīng)電壓誤差放大器A1后輸出電壓誤差信號(hào)Vm，正比于輸入全波整流電壓的電流信號(hào)IAC和Vm以及輸入前饋電壓VFF在乘法器中相乘，產(chǎn)生基準(zhǔn)電流信號(hào)IMO。IMO在電阻上的壓降VMO具有與輸入整流電壓相同的波形，電感電流iL通過(guò)電流采樣電阻Rs產(chǎn)生電流取樣電壓Vs，它與VMO一起進(jìn)入到電流誤差放大器A2，因此VMO與Vs上的電壓差也應(yīng)等于零，迫使主電路電流跟蹤輸入整流電壓的波形呈正弦波形。電流誤差放大器的輸出電壓與一個(gè)三角波電壓在PWM比較器A3中比較后產(chǎn)生一個(gè)PWM脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)RS觸發(fā)器后生成PWM信號(hào)，驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管。

2 基于IRll50S的Boost PFC原理
2.l 單周期控制PFC原理
單周期控制技術(shù)是上世紀(jì)九十年代初發(fā)展起來(lái)的一種非線性大信號(hào)PM控制技術(shù)，它利用了開(kāi)關(guān)變換器脈沖非線性的特點(diǎn)而完成對(duì)開(kāi)關(guān)電壓或電流平均值的瞬時(shí)控制，通過(guò)控制每個(gè)周期內(nèi)的占空比，使得每個(gè)周期中開(kāi)關(guān)變量的平均值嚴(yán)格等于或正比于控制參考量。
PFC電路的目的是使輸入電流跟蹤輸入電壓，即變換器輸入等效電阻Rc為線性，似設(shè)PFC得到很好實(shí)現(xiàn)，則有

式中：i為負(fù)載電流；
u1為輸入電壓；
Rc為變換器輸入等效電阻。
將式(2)擴(kuò)展為

式中：Rs為電感電流檢測(cè)電阻；

Um為調(diào)制電壓，
如果輸出電容足夠大，那么輸出電壓Uo在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)可視為恒定值，從而Um在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)也為定值，由式(3)可以看出，iL與u1成正比，從而實(shí)現(xiàn)輸入電流跟蹤輸入電壓的目的。采用單周期控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)PFC的原理圖如3所示。

2.2 IRll50S介紹
IR1150S是最新推出的基于單周期控制技術(shù)的集成芯片，采用sO-8封裝，芯片內(nèi)部主要由電壓誤差放大器、復(fù)位積分器、電流放大器、PWM比較器以及RS觸發(fā)器組成，另外還有7 V參考電壓、過(guò)壓和欠壓比較器、電流限制比較器。其主要性能為：適用于CCM模式Boost型電路，單信號(hào)輸出；無(wú)需輸入電壓采樣；開(kāi)關(guān)頻率恒定，最高為200kHz；最大占空比為98%；輸出驅(qū)動(dòng)電壓13 V，驅(qū)動(dòng)電流1.5A；采用單周期控制技術(shù)。該芯片具有輸出過(guò)壓、欠壓、空載保護(hù)功能；每周期電流峰值限制功能；軟啟動(dòng)，微功率起動(dòng)以及睡眠模式功能。

2.3 基于IRll50S的Boost PFC工作原理
輸出反饋電壓與參考電壓進(jìn)入電壓誤差放大器A1，輸出電壓誤差信號(hào)Vm，電流檢測(cè)電阻上的電壓經(jīng)過(guò)電流放大器A3放大2.5倍后與Vm進(jìn)行運(yùn)算得到信號(hào)V-(t),Vm經(jīng)過(guò)復(fù)位積分器A2積分產(chǎn)生一個(gè)斜坡信號(hào)V+(t)，之后V-(t)和V+(t)經(jīng)過(guò)PWM比較器輸出一個(gè)脈沖觸發(fā)信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過(guò)RS觸發(fā)器生成兩路互補(bǔ)信號(hào)，一路驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管，一路控制復(fù)位開(kāi)關(guān)s，高電平時(shí)將斜坡信號(hào)置零。
由本節(jié)的論述可知，基于UC3854與IRll50S的Boost PFC電路的最大不同在于基準(zhǔn)電流信號(hào)的產(chǎn)生和PWM比較器的輸入信號(hào)，前者工作于平均電流控制模式，后者工作于峰值電流控制模式。

3 設(shè)計(jì)過(guò)程對(duì)比
Boost型PFC電路的設(shè)計(jì)包括主功率級(jí)電路和控制電路兩部分，在主功率級(jí)電路設(shè)計(jì)方面，基于UC3854和IRl150S的PFC變換器的設(shè)計(jì)是一樣的，都包括輸入高頻濾波電容、升壓電感、輸出電容、電流采樣電阻以及開(kāi)關(guān)管和二極管的選擇5個(gè)步驟。因此，控制電路的設(shè)計(jì)是兩者設(shè)計(jì)過(guò)程比較的重點(diǎn)。
3.1 基于UC3854的Boost PFC設(shè)計(jì)
由前面的論述可知，基于UC3854的PFC電路的核心是乘法器，因此乘法器的設(shè)計(jì)就是其設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，其設(shè)計(jì)包括以下幾個(gè)方面：
(1)前饋電壓分壓器及濾波器：
(2)乘法器輸入電流(R2的選擇)；
(3)乘法器輸出電阻R5的選擇；
(4)偏置電阻R10的選擇；
(5)振蕩定時(shí)器電阻R12的選擇。
另外乘法器的輸入還來(lái)自于電壓環(huán)的輸出乘法器的輸出為電流環(huán)的參考信號(hào)，因此還有以下相關(guān)設(shè)計(jì)：
(1)輸出分壓、電壓誤差放大器設(shè)計(jì)；
(2)峰值電流限制設(shè)計(jì)；
(3)振蕩器頻率設(shè)計(jì)；
(4)電流誤差放大器設(shè)計(jì)；
(5)軟起動(dòng)設(shè)計(jì)。
控制電路的沒(méi)計(jì)步驟包括以上10個(gè)步驟，由于設(shè)計(jì)過(guò)程中多個(gè)參數(shù)相瓦影響，因此在沒(méi)計(jì)過(guò)程中往往還需要反復(fù)地設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)的具體過(guò)程文獻(xiàn)[2]中都有詳細(xì)的說(shuō)明，這里就不再贅述。
3.2 基于IRll50S的Boost PFC設(shè)計(jì)
單周期控制的PFC電路的核心是復(fù)傳積分器，在IR1150S還沒(méi)有推出前，研究人員一直采用分立元件來(lái)實(shí)現(xiàn)，由于時(shí)間常數(shù)與時(shí)鐘刷期時(shí)間需要精確匹配，所以給沒(méi)計(jì)上帶來(lái)一定的難度。IRll50S把復(fù)位積分器集成在內(nèi)部，不需要額外的輔助電路，給設(shè)計(jì)帶來(lái)了r很大的方便。復(fù)位積分器的輸入為電壓環(huán)的輸出信號(hào)，因此基于IRll50S的Boost PFC電路的設(shè)計(jì)重點(diǎn)是電壓誤差放大器補(bǔ)償電路的設(shè)計(jì)。
IRI150S的電壓誤差放大器是一個(gè)跨導(dǎo)型放大器，使得輸出分壓電路與誤差放大器分離開(kāi)來(lái)。因此，電壓環(huán)設(shè)計(jì)包括：
(1)輸出分壓電路設(shè)汁；
(2)電壓誤差放大器補(bǔ)償設(shè)計(jì)；
輸出分壓傳遞函數(shù)為

電壓誤差放大器的傳遞函數(shù)為

式中：gm為跨導(dǎo)。
電壓環(huán)路補(bǔ)償?shù)哪康氖窍敵龇答侂妷荷系腎OOHz頻率的紋波，一般讓它衰減100倍，所以電壓開(kāi)環(huán)增益為

結(jié)合以上三式就可以確定各參數(shù)。
芯片內(nèi)部還集成廠一個(gè)同定增益(=2.5)的電流放大器，因此省去了電流環(huán)設(shè)計(jì)。
基于IRI150S的PFC設(shè)計(jì)過(guò)程還包括以下步驟：
(1)輸出過(guò)壓分壓電路設(shè)計(jì)；
(2)采樣電流濾波電路沒(méi)計(jì)；
(3)軟起動(dòng)設(shè)計(jì)。
變換器的保護(hù)功能設(shè)計(jì)中，基于UC3854的Boost PFC電路需要通過(guò)外圍電路設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)欠壓以及過(guò)流保護(hù)，二基于IRI150S的Boost PFC電路的欠壓以及過(guò)流保護(hù)都是在芯片內(nèi)部集成，通過(guò)輸出分壓電路設(shè)汁還可以實(shí)現(xiàn)可設(shè)定的過(guò)壓保護(hù)功能。
可見(jiàn)，基于TR1150S的Boost PFC電路沒(méi)有模擬乘法器、輸入電壓采樣、電流環(huán)路補(bǔ)償以及固定的三角波振蕩器，設(shè)計(jì)步驟減少了一半，大大節(jié)約了設(shè)計(jì)的時(shí)間：由圖5和圖6可以看出，基于UC3854的PFC電路外圍電路比基于IRll50S的PFC電路復(fù)雜得多，前者需要15個(gè)電阻，9個(gè)電容，而后者只需要9個(gè)電阻，5個(gè)電容，元器件少也就意味著控制板面積能大大減小，節(jié)約了設(shè)計(jì)成本。

4 性能對(duì)比
由前面的論述可知，基于IRll50S的BoostPFC變換器在電路結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)過(guò)程上有很大的優(yōu)勢(shì)，下面對(duì)兩者的性能進(jìn)行分析。
4.1 仿真分析
為進(jìn)一步比較這兩種PFC電路的PWM信號(hào)產(chǎn)生機(jī)理以及實(shí)現(xiàn)PFC的可行性，本文采用Saber軟件對(duì)其電路結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行了仿真。兩者采用相同的仿真參數(shù)，電路的主要仿真參數(shù)如下：
輸入電壓 Ui=110V/50Hz；
電感 L1=800μH；
開(kāi)關(guān)頻率 f=100kHz；
輸出電容 Co=330μF；
電流采樣電阻 R1=O.25 Ω。
圖7是兩種PFC電路仿真結(jié)果的列比。其中圖7(a)、圖7(c)分別是兩者PWM調(diào)制器的輸入和輸出信號(hào)展開(kāi)波形，圖7(b)、圖7(d)分別是兩者輸入電壓電流波形。仿真結(jié)果表明采用平均電流控制技術(shù)和單周期控制技術(shù)都可以很好地實(shí)現(xiàn)PFC功能。

4.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
本文應(yīng)用UC3854和IRll50S分別制作了一臺(tái)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，實(shí)驗(yàn)電路的主要參數(shù)如下：輸入電壓為90～260V/50Hz，工作頻率為lOOkHz，輸出直流電壓385 V，額定輸出功率為300W，Boost電感800μH(采用E150型鐵氧體鐵芯，直徑O.8 mm漆包線兩股并繞60匝，氣隙大約1.5mm)，輸出濾波電容330 μF/450 V，功率開(kāi)關(guān)管采用同批次的IXFH26N60Q，超快恢復(fù)二極管采用同批次的DSEl30-06A。
圖8為額定功率下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其中圖8(a)與圖8(b)分別為輸入電壓為110V和220V時(shí)，基于UC3854的Boost PFC變換器輸入電壓、電流波形；圖8(c)與圖8(d)分別為輸入電壓為110V和220V時(shí)，基于IRll50S的Boost PFC變換器輸入電壓、電流波形。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，兩種PFC電路波形質(zhì)量都很好，輸入電流很好地跟蹤了輸入電壓。
本實(shí)驗(yàn)中采用PWl00型單相功率分析儀分別測(cè)出了額定功率下，PF值隨輸入電壓變化曲線，如圖9所示。

數(shù)據(jù)表明，基于IR1150S和UC3854的BoostPFC變換器有著同樣優(yōu)良的PFC性能，輸入電壓為110V時(shí)，PF值都為0.999，輸入電壓為220V時(shí)，PF值都為O.996。

5 結(jié)語(yǔ)
本文從控制工作原理、電路結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)過(guò)程以及電路性能方面，對(duì)基于UC3854和IRll50S的Boost PFC變換器分別作了對(duì)比，并通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。
兩種PFC變換器具有同樣良好的PFC性能，但采用的卻是完全不同的兩種控制方法。基于IRl150S的Boost PFC變換器在保持了傳統(tǒng)的基于UC3854的Boost PFC變換器良好性能的同時(shí)，大大減少了設(shè)計(jì)的步驟，節(jié)省了電路的設(shè)計(jì)時(shí)間，減少了控制電路元器件的數(shù)量，減小了電路板面的面積，節(jié)約了成本。總而言之，在工業(yè)生產(chǎn)中，基于IR1150S的PFC變換器可以作為傳統(tǒng)PFC變換器的一個(gè)很好的替代產(chǎn)品。