運(yùn)用單周控制來(lái)簡(jiǎn)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(lái)簡(jiǎn)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(chǎng)經(jīng)理   Stephen Oliver

關(guān)于電器設(shè)備對(duì)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(lái)越多地通過(guò)征收關(guān)稅來(lái)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(duì)于完美的功率因子校正，它的功率因子等于1，經(jīng)過(guò)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(wú)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(lái)，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(duì)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(duì)控制的要求就比較復(fù)雜。這是因?yàn)椋谶B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(duì)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(duì)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(duì)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(lái)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(jiǎn)稱(chēng)OCC）時(shí)，不需要正弦電流基準(zhǔn)信號(hào)。它假定，在一個(gè)開(kāi)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(kāi)關(guān)周期內(nèi)對(duì)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(duì)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(lái)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(duì)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(kāi)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(kāi)關(guān)周期結(jié)_時(shí)將積分器復(fù)位?！皢沃芸刂啤钡拿Q(chēng)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(kāi)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(mǎn)意。因?yàn)檫@個(gè)辦法大量地簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)過(guò)程，并且不需要體積很大的繞線(xiàn)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(lái)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(guò)它迅速地用IR1150控制器來(lái)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(guò)下面的設(shè)計(jì)步驟，對(duì)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(cè)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(cè)電流的電阻器
檢測(cè)電流的電阻器決定了電流軟過(guò)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(cè)電阻器RS的數(shù)值必設(shè)計(jì)成這樣：來(lái)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(lái)確定電流檢測(cè)電阻器的數(shù)值：計(jì)算檢測(cè)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(cè)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(lái)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(kāi)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(kāi)關(guān)頻率可以選擇
這個(gè)集成電路的開(kāi)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(duì)一定的應(yīng)用系統(tǒng)，用這個(gè)辦法，來(lái)選擇最優(yōu)的功率開(kāi)關(guān)技術(shù)。這需要在切換速度、開(kāi)關(guān)晶體管的柵極電荷和開(kāi)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(qián)這個(gè)角度看，IGBT晶體管是最好的開(kāi)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(yǔ)
 除了設(shè)計(jì)步驟簡(jiǎn)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).