基于無橋APFC電路的單周期控制方案與應用

引言

隨著電力電子技術的發(fā)展，電網(wǎng)中整流器、開關電源等非線性負載不斷增加。這些存在沖擊性的用電設備，將引起網(wǎng)側(cè)輸入電流發(fā)生嚴重畸變，產(chǎn)生大量諧波污染，導致電網(wǎng)功率因數(shù)過低，所以提高功率因數(shù)勢在必行。

早期功率因數(shù)校正采用在整流器后加濾波電感電容實現(xiàn)，功率因數(shù)一般只有0.6左右;在20世紀90年代，有源功率因數(shù)校正(APFC)產(chǎn)生，是在整流器和負載之間接入一個DC/DC 開關變換器，其基本原理是通過控制電路強迫交流輸入電流波形跟蹤交流輸入電壓波形，從而實現(xiàn)交流電流波形正弦化，并與交流輸入電壓波形同步，功率因數(shù)可提高到0.99以上。

APFC 電路拓撲

1、傳統(tǒng)有橋APFC拓撲

傳統(tǒng)BoostAPFC 電路組成由整流橋和PFC 組成，如圖1所示。工作時流通路徑有三個半導體工作，功率因數(shù)低。當變換器功率和開關頻率提高時，系統(tǒng)通態(tài)損耗明顯增加，整體效率低，且控制電路較復雜。

2、基本無橋APFC拓撲

針對傳統(tǒng)有橋電路的問題，本文提出了既能提高PF而且通態(tài)損耗低的無橋電路，如圖2所示。表1為有橋拓撲和無橋拓撲的對比。

從表1看出，當MOSFET導通和關斷時，無橋APFC相對于有橋APFC 都節(jié)省了一個二極管。經(jīng)過理論計算后得出，無橋拓撲APFC 在全功率輸入時，可提高約1%的效率。而且無橋拓撲更利于電路集成化。但基本無橋Boost APFC 電路存在共模干擾嚴重、電流采樣難的問題。

3、雙二極管式無橋APFC拓撲

為了解決基本無橋Boost APFC 電路EMI 嚴重、電流采樣難的問題，對基本無橋Boost APFC 電路加以改進，如圖3所示，在基本無橋Boost APFC 電路上增加兩個快恢復二極管VD3和VD4。

圖3中，電阻Rs 為電感中的電流檢測電阻，使電流檢測電路減化。雖然Rs 在工作時會產(chǎn)生一定損耗，但只要阻值選擇合適，檢測電阻的損耗占整個功率損耗的百分比很小。這樣交直流側(cè)共地，達到抑制共模干擾的目的。

4、雙二極管式無橋拓撲工作原理雙二極管式無橋電路工作過程如下：

(1)電源電壓正半周時，如圖4所示，圖4中粗黑線所示即為輸入電壓正半周時電流路徑。

模態(tài)一：二極管VD1，VD2 反偏截止。控制開關管VT1導通，輸入電流從電源正極經(jīng)L1，VT1，VD4回到電源負極形成電流通路，給電感L1 儲能。負載由儲能電容C提供能量。

模態(tài)二：開關管VT1 關斷，電感電流突變時產(chǎn)生的感應電動勢使二極管VD1 正偏導通，電流經(jīng)電感L1，VD1，VD3構(gòu)成回路。此時電感釋放能量，電容C 及負載RL 由電感和電源串聯(lián)供電。

(2)電源電壓負半周工作模態(tài)如圖5所示，圖5中粗黑線所示即為輸入電壓負半周時電流路徑。

模態(tài)三：VD1，VD2截止?？刂崎_關管VT2導通，輸入電流從電源正極經(jīng)L2，VT2，VD3回到電源負極形成電流通路，給電感L2 儲能。負載由儲能電容C 提供能量。

模態(tài)四：開關管VT2關斷，VD2導通，電流經(jīng)電感L2，VD2，VD4構(gòu)成回路。此時電感釋放能量，電容C 及負載RL 由電感和電源串聯(lián)供電。

APFC 控制方案

功率因數(shù)校正傳統(tǒng)的控制方案有三種即峰值電流控制、滯環(huán)電流控制、平均電流控制。但傳統(tǒng)的控制方案必須以乘法器為核心，使得控制電路復雜。

本文選用無需乘法器的新控制方法-單周期控制。

單周期控制的最大特點是：通過控制開關的占空比，讓電路無論處在穩(wěn)態(tài)還是瞬態(tài)都能使受控量的平均值恰好等于或正比于給定VREF，從而在一個周期內(nèi)有效地抑制了電源側(cè)的擾動。單周期控制技術在控制回路中不需要誤差綜合，具有系統(tǒng)響應快、開關頻率恒定、電流畸變小、易于實現(xiàn)等優(yōu)點，在APFC電路的新型控制技術應用廣泛。

IR1150是一種CCM 控制芯片，它采用了IR公司特有的單周期控制技術，為APFC電路提供了一種低成本、設計簡單的解決方案。該芯片內(nèi)部主要由電壓誤差放大器、電流檢測放大器、復位積分器、PWM比較器以及RS 觸發(fā)器組成，另外還有7 V 參考電壓和一些保護電路。核心電路為積分復位器，如圖6所示。