基于双环控制策略的功率因数校正电源的研制

0 引言

开关电源已成为电网最主要的谐波源之一[1]。为了减小开关稳压电源对供电电网的污染和对外部电子设备的干扰，电源中普遍采用了功率因数校正(power factor correction，PFC)技术。功率因数校正技术的作用是在电网与负载之间插入校正环节，使输入电流波形逼近输入电压波形，以提高功率因数并限制开关电源的谐波电流对电网的污染[2]。

在目前广泛应用的通信电源中，功率级电路拓扑一般分为两级，前级是功率因数校正电路，后级是DC/DC变换电路[3]。这种对功率分别进行两级变换的控制会造成控制电路设计复杂。

本文中，基于功率因数校正和脉宽调制稳压变换一体的开关电源控制芯片UCC38500，采用电压和电流的双闭环控制方式设计了一台输出电压48 V，输出功率300 W 的功率因数校正电源样机。文中讨论了该样机的设计与控制，给出了试验结果。

1 工作原理

图1给出所设计的样机的电路原理框图。前级采用Boost拓扑结构的PFC 电路，在实现功率因数校正的同时把输入电压提升到直流385 V;后级为应用双管正激拓扑结构的PWM 电路，把385 V直流母线电压降低到48 V，实现输入与输出的电气隔离。

前级功率因数校正环节基于平均电流控制原理，采用电压控制环和电流控制环的双闭环控制方式，其中电压控制环使Boost电路输出的直流母线电压更稳定;电流控制环使输入电流接近正弦波。控制过程如下：经取样的直流母线电压与基准电压信号相比较，通过电压误差放大器输出电压误差放大信号。该信号与取样后的电源正弦半波信号相乘，作为电流误差放大器的基准电流信号。被检测的电感电流，在电压误差放大器中与基准电流相比较，经电流误差放大器后与给定的锯齿波比较，提供某一数值的占空比信号，经驱动器输出驱动信号，驱动开关管，这就形成了电流环。电流误差能被迅速而精确地校正，从而保证电流控制精度。

后级DC/DC 功率级变换也采用双闭环控制方式。电流内环采用峰值电流控制模式，对开关电流的峰值进行逐个脉冲采样控制。电压误差放大器输出信号，通过光耦隔离，产生电流参考信号。被采样电阻检测的开关电流与电流参考信号比较，经驱动器输出两路隔离的驱动信号。

2 电路设计

电路设计基于UCC38500 控制芯片，其PFC 与PWM的开关频率比为1∶1。设计的主要电路参数为：

输入电压uin=100~265 V;直流母线电压VBoost=385 V;

电路的开关频率为fS=50 kHz;功率因数PF≈1;输出功率PO=300 W;输出电压VO=48 V。

2.1 前级PFC设计

2.1.1 升压电感的设计

升压电感的大小由PO、纹波电流驻I、占空比D、fS及Vin(min)确定。有如下关系式

驻I=1.2 A，Dmax=0.63，LBoost=1.48 mH。

2.1.2 电压控制环的设计

要求电压外环的带宽远小于100 Hz的正弦半波频率fR，实际设计的电压外环带宽为fVI=8.7 Hz。电压控制环的有效补偿可以使得系统更加稳定，而且可以减小系统的总谐波畸变[6]。电压误差放大器的增益GVA=0.014。图2是电压误差放大器的电路结构图。

电压误差放大器中各元件参数由式(4)、式(5)和式(6)确定

2.1.3 电流控制环设计

2.2 后级DC/DC设计

由图1可见，后级DC/DC 变换的主电路采用双管正激变换电路。采用峰值电流控制模式，其主要优点是具有良好的动态特性，同时实现降低功率损耗的目的。DC/DC 变换采用后沿触发的、同步于Boost和PWM电路中功率开关最小重叠时间的调制器，以减小输出端滤波电容上的纹波电流[4]。

相比于平均电流模式，峰值电流模式有可能会产生次谐波振荡，因此需要在电流误差放大器的输入端加入斜坡补偿信号[5]。

在本设计中斜坡补偿信号取自芯片内部的振荡器。图4示出本设计的斜坡补偿方法。

电压误差放大器和电流误差放大器的设计与前级PFC 电路的设计基本类似。电流内环由采样电阻得到峰值电流信号;电压外环亦采用常规零、极点补偿，电压外环带宽取为1 kHz。实现了较好的动态和稳态效果。

3 试验结果

对设计的样机进行了实验研究，其中交流输入电压Uin=220 V。图5(a)给出了PFC 电路开关管的驱动电压ug s和漏源电压ud s波形。图5(b)给出了满载时电网侧电压uin与电网侧电流iin的波形(电流的采样通过在输入端串联5.1 Ω 的电阻, iin为采样电阻上的电流波形)。

图6(a)给出后级DC/DC 功率级双管正激开关管的漏源电压ud s。图6(b)给出高频变压器一次侧电压波形。图6(c)给出DC/DC 级输出电压波形。

4 结语

实验结果表明，本文所设计的基于双闭环控制策略的功率因数校正电源，其性能指标达到设计要求，控制电路设计明显简化。该复合控制芯片以其卓越的控制能力和极低的价位为提高中小功率的开关电源的功率因数，抑制谐波污染，实现绿色用电革命，开辟了新前景。