[论文设计]开关电源APFC电路的研究文献综述

开关电源APFC电路的研究文献综述摘要：功率因数校正技术是提高功率因数，减少谐波的重要手段，成为目前电力电子学领域研究的热点。本文首先介绍有源功率因数校正技术的发展及研究现状，说明有源功率因数校正的基本原理，对基本变换电路和控制策略进行了比较和分析，在此基础上，提出了本文研究的对象为平均电流控制的Boost型APFC电路。关键词：功率因数；UC3854BN； Boost PFC；平均电流控制随着电力电子技术的不断进步及社会发展的需要，几乎所有电器设备的电源装置部分都采用开关电源。开关电源时为计算机，通信和家用电子设备等提供直流电源的一种电力电子装置，具有体积小，效率高，功率密度大等优点，在电源领域中已占据主导地位，获得了越来越广泛的应用，但由此产生的网侧输入功率因素降低以及谐波问题等也日趋严重。目前，它迫使电力电子技术领域的研究人员要对这类问题给出有效的解决方案。人们最早是采用电感和电容构成的无源网络来进行功率因素校正的，但采用这种技术的设备体积庞大，对输入电流的谐波和抑制效果也并不十分理想，随着电力半导体器件的发展，开关变换技术突飞猛进，20世纪80年代，有源功率因素校正APFC(Aetive Power Factor Correction)应运而生。功率因数校正的目的，就是采用一定的控制方法，使电源的输入电流跟踪输入电压，功率因数接近为11。1前言1.1国内国外研究现状节能和环境保护是21世纪科技发展的主题之一，针对电磁污染对人们生活环境和供电质量的影响，许多国家和相关的国际组织制定了许多相关标准和颁布了许多相关法令，以限制电子设备的谐波污染和提高用电设备的功率因数。随着开关电源类电子产品的应用普及，为了改善供电线路的供电质量提高供电线路的功率因数、保护用电设备、世界上许多国家制定了相应的技术标准，用以限制谐波电流的含量。例如IEC 5552、IEC61000-3-2、EN60555-2等标准，它们规定了允许用电电器产生的最大谐波电流。我国于1994年颁布了GB/T145941993电能质量 公用电网谐波标准，也对用电电器允许产生的最大谐波电流作出了规定。欧共体的89/336/EEC指令规定从1996年1月1日起，所有进入欧共体市场的电器、电子产品均需符合EEC指令的要求，否则不允许进入欧共体市场。美国联邦通信委员会（FCC）颁布了有关EMC法规，并进行这方面的管理。对任何要出口到美国的通信设备、音视频设备、计算机、医疗设备等必须取得美国联邦通信委员会（FCC）的认可，否则就被视为非法，在日本也有类似的规定。目前，越来越多的国家已把电磁兼容（EMC）标准作为电子产品中必备的或产品性能的评价依据。随着电子电器设备的高速化、数字化，特别是欧共体根据89/336/EEC指令从1996年一月开始要强制执行EMC标准，在世界范围内掀起了对电子电器产品EMC的研究、学习热潮。为了适应我国加入WTO后与世界接轨的需要，2002年我国出台了CCC强制性认证制度的，把电磁兼容性能作为衡量电子产品安全的重要技术指标之一，从此电子产品的电磁兼容设计问题成为了中国电子工程技术人员所关注的焦点。目前世界上许多大的集成电路制造公司纷纷推出了用于有源功率因数校正用集成电路控制芯片。例如美国的德州仪器（TI）公司、安美森（Onsemi）公司、Fairchild公司、凌特（Linear）公司、国际整流器（IR）公司、意法SGS-THOMSON(ST）半导体公司和德国的英飞（Infineon）公司等都纷纷推出了许多有源功率因数校正用控制集成电路。它们具有控制特性优良、使用方便的优点。同时有的公司，如Onsemi公司、ST公司和Infineon公司等为了方便用户使用它们所推出的有源功率因数校正用集成电路，还推出了有关的计算机辅助设计软件，这些计算机辅助设计软件有的是基于Windows的图形化操作界面（如ST公司推出的有源功率因数校正电路的计算机辅助设计工具），有的是基于Microsoft的Excell设计表格（如Onsemi和Infineon公司推出的有源功率因数校正电路设计用计算机辅助设计工具），它们的共同特点是使用方便和直观，极大的方便了用户的有源功率因数校正电路的设计4。1.2 APFC技术的研究热点近年来，APFC技术的研究热点主要集中在以下几个方面：(1)软开关技术的应用。为了减小变换器体积，提高开关频率，降低开关损耗，将DC-DC变换器中的软开关技术应用到APFC变换器中。此举还可以减小开关管和二极管高频开关导致的EMI。(2)新的控制方法和控制方式。针对APFC变换器提出的一些新的控制方法，如单周期控制、滑模控制、非线性载波控制等等。可以简化控制过程，提高控制性能。(3)APFC电路的建模与仿真研究。(4)三相APFC的拓扑和控制方式的研究。主要集中在如何简化三相APFC变换器的主电路，各相之间的解耦控制，以及控制方式的简化。(5)单片机和DSP控制的有源功率因数校正技术。总之，成本低、结构简单、容易实现，并且具有高输入功率因数、高效率、低EMI的APFC变换器是研究人员追求的最终目标。2APFC技术研究综述2.1 APFC技术的主电路拓扑在前面已经谈到，功率因数校正技术的目的从本质上来讲是要使用电设备的输入端口针对交流电网呈现“纯阻性”，使输入电流与输入电压始终成正比。要用APFC技术来实现这一目的，原则上都必须用电感和电容组成一定的LC拓扑网络结构，同时利用功率开关管的开启和关断特性，使LC网络在不同的拓扑结构之间来回变化即功率开关管在开启时LC网络为一种拓扑结构，而功率开关管在关断时LC网络为另外一种拓扑结构。这样，当LC网络在不同的拓扑结构之间来回变化时，一方面可以实现能量的传输(DC-DC转换)，另一方面可以实现对输入电流的控制(使输入电流与输入电压始终成正比)，以实现功率因数校正的目的。电力电子技术中的六种基本变换器Buck、Boost、Buck-Boost、Zeta,、Sepic和Cuk在原理上都可以构成APFC电路，从拓扑结构上来说，Buck、Boost两种变换器最为基本，而其它的变换器结构都是由这两种基本结构演变而来的。下面就Buck、Boost、Buck-Boost和Cuk这四种基本变换器作一简单介绍7。2.1.1 Buck变换器Buck型变换器，也称降压变换器，、串联开关稳压器或三端开关型降压稳压器，其基本电路拓扑结构如图2-1所示，由开关管VT，二极管VD，变换电感L和蓄能电容C组成。工作原理是：在开关VT导通时，输入电源通过L平波和C滤波后向负载提供电流；当VT关断后，L通过二极管续留，保持负载电流连续。其输入和输出电压极性相同，输出电压总小于输入电压，数量关系为：，其中Uo为输出电压，Ui为输入电压，ton为开关管一周期内的导通时间，T为开关的导通周期。 图2-1Buck变换电路由电路原理可知，Buck变换器只能实现降压功能，并且电源输入电流不连续，因为当功率开关管VT关断时，电源Ui与LC拓扑网络之间相互隔离。这一方面限制了变换器的转换功率，另一方面使得输入电流的纹波较大，在一定程度上增加了对滤波电路的要求。因此Buck变换器并不适宜于直接用作APFC变换级。2.1.2 Boost变换器Boost变换器又名升压变换器，并联开关电路或三端开关型升压稳压器。其基本电路拓扑结构如图2-2所示，也是由开关VT，二极管VD，变换电感L和蓄能电容C组成。工作原理是：在VT导通时，电流通过L平波，输入电源对L充电。当VT关断时，电感L及电源向负载放电，输出电压将是输入电压加上输入电源电压，因而有升压作用。其输入和输出电压极性相同，输出电压总大于输入电压，数量关系为：，。这种电路的优点是输入电流完全连续，并且在整个输入电压的正弦周期都可以调制，因此可获得很高的功率因数；电感电流即为输入电流，容易调节；开关管门极驱动信号地与输出共地，驱动简单；输入电流连续，开关管的电流峰值较小，对输入电压变化适应性强，适用于网压变化特别大的场合。图2-2Boost变换电路其主要缺点为输出电压必须大于输入电压的最大值，所以输出电压比较高；不能利用开关管实现输出短路保护。但PF值高，总谐波失真（THD）小，效率高，。适用于75W2000W功率范围的应用场合，应用最为广泛。2.1.3 Buck-Boost变换器Buck-Boost变换器又名降压升压变换器，或反号变换器，主电路的元件也是由开关管VT，二极管VD，电感L，电容C等构成。输出电压的极性与输入电压相反。它是由Buck变换器后面串接一个Boost变换器演变而来，基本电路拓扑结构如图2-3所示，可以实现升压或降压的变化。工作原理是：在开关管VT导通时，电流流过电感L，L储存能量。在VT关断时，电感向负载放电，同时向电容充电。数量关系为：，。图2-3 Buck-Boost变换电路该电路的优点有：即可对输入电压升压，又可以降压，因此在整个输入正弦周期都可以连续工作；该电路输出电压选择范围较大，可根据后级的不同的要求设计；利用开关管可以实现输出短路保护。该电路的主要缺点有：开关管所受的电压为输入电压与输出电压之和，因此开关管的电压应力较大；由于每个开关周中，只有在开关管导通时才有输入电流，因此峰值电流较大；开关管门极驱动信号地与输出地不同，驱动比较复杂；输出电压极性与输入电压极性相反，后级逆变电路较难设计。用作APFC变换级时，其效率和输出功率都比不上单一的Boost型APFC变换器，一般只应用在中小输出功率的场合。2.1.4 Cuk变换器1980年前后，美国加洲理工学院的Slobodna Cuk进行了一系列Boost-Buck串联变换器的研究，并不断完善，终于完成了以他的名字命名的变换器，即Cuk变换器。其基本思路是把Boost和Buck变换器串联起来进行演变，因而Cuk变换器又名Boost-Buck串联变换器,其基本电路拓扑结构如图2-4所示。可以实现升压或降压的变化。图2-4 Cuk变换电路Cuk变换器保持了Boost变换器输入电流可以连续的特点，通过增加电感L1和L2的值，可以使得交流纹波电流的值很小，这一特点使得它在应用中常常不需要附加抗电磁干扰(EMI)的滤波器，使体积小型化，同时，它和Buck-Boost变换器一样，可以实现降压或升压输出。另外，Cuk变换器的显著特点是，它虽然不用变压器，但其特性非常接近一个匝比可调的DC-DC变换器。能量的储存和传递，同时在两个开关周期和两个环路中进行。这种对称性是这种变换器高效率的原因所在。前面讲过了四种基本型DC-DC变换元件，Cuk电路比前三者复杂，但它能达到输入/输出电流连续之效。而且通过将输入/输出电感耦合，可以达到“零纹波”达到体积小型化。另外，前三种是用电感作为传送能量的元件，最后一种Cuk除了用电感外还可以用电容作为传送能量的元件。因此对这一电容的质量要求较高。也正是因为如此尽管Cuk变换器有诸多优点，但在实际应用中并不广泛。2.2 APFC电路的工作模式根据电路输入电流检测和控制方式，APFC电路的工作模式可分成两种：电感电流连续（Continue Current Mode,CCM）和电感电流不连续工作(Discontinue CurrentMode,DCM)两大类。DCM控制的方法又称为电压跟踪法，是APFC控制中一种简单而又实用的方法，应用较为广泛。DCM控制方法的一个基本特点就是电感能量的完全传输，即在每一个开关周期中，转换电感都必须把从电源中获得的能量完全转移到蓄能电容(输出电容)中去。DCM模式的输入电流自动跟踪电压，功率管实现零电流开通，不承受二极管的反向恢复电流。但是由于变换器工作在不连续导电模式下，需要较大的输入滤波器。开关不仅要导通较大的通态电流，而且将关断更大的峰值电流并引起很大的关断损耗，使开关的使用寿命降低，同时还会产生严重电磁干扰，DCM模式可以采用恒频控制、变频控制、等面积控制等控制方法，这种工作模式的APFC一般功率小于200W。CCM模式的电感电流连续，输入电流纹波和输出电流纹波小、EMI小，滤波器体积小，电流峰值比DCM模式要小，器件的应力相对也更小。但是它的控制方法比较复杂，开关损耗较大，制作成本也比较高，通常需要使用乘法器，采用电流闭环控制，且开关管工作于变频或PWM控制方法。这种工作模式一般适用于大功率、大电流的产品中。2.3 APFC技术的控制策略2.3.1 APFC技术的经典控制策略按照测量控制输入电流方法的不同，APFC可以有多种控制策略，在电流连续情况下，经典控制策略中又主要有三种基本的控制方式：峰值电流控制，滞环电流控制，和平均电流控制。表2-1给出这三种方法的基本特点。表2-1常用的三种APFC控制方法峰值电流控制方式如下图2-5所示，控制开关管Tr的电流Is被检测，所得信号IsRi送入比较器。电流基准值由乘法器输出Z提供，Z=XY。X是输出电压/H与基准电压Vref之间的误差信号，Y是电压检测值，因此电流基准为双半波正弦电压，使输入电感电流的峰值包络线跟踪输入电压Vdc的波形。在上述系统中存在两种频率的电流：基准电流为工频，被控制调节的输入电流为高频。在该控制方式下控制开关管在恒定的时钟周期导通，当输入电流上升到基准电流时，控制开关管关断。图2-5 峰值电流法控制，Boost功率因数校正器原理图。滞环电流控制方式如下图2-6所示，在该控制方式下，控制开关管导通时电感电流上升，上升到上限值时，滞环比较器输出低电平，控制开关管关断，电感电流下降；下降到下限值时，滞环比较器输出高电平，控制开关管导通，电感电流上升，如此周而复始地工作。滞环电流控制和峰值控制的区别在于：前者检测的电流是电感电流，并且控制电路增加了一个滞环逻辑控制器。所检测的电压经分压后，产生两个基准电流：上限值和下限值。当电感电流达到基准下限值Imin时，控制开关管导通，电感电流上升；当电感电流达到基准上限值Imax时，控制开关管关断，电感电流下降。图2-6 滞环电流法控制，Boost功率因数校正器原理图平均电流控制方式如下图2-7所示。平均电流控制的主要特点是用电流误差放大器CA代替电流比较器，以输入整流电压和电压误差放大输出信号的乘积为电流基准；并且电流环调节输入电流的平均值，使与输入整流电压同相位，并接近正弦波。输入电流信号被直接检测，与基准电流比较后，其高频分量的变化通过电流误差放大器，被平均化处理。放大后的平均电流误差与锯齿波斜坡比较后给控制开关管Tr驱动信号，并决定了其应有的占空比，于是电流误差迅速而精确地被校正。由于电流环有较高的增益-带宽，使跟踪误差产生的畸变小于1%，容易实现接近1的功率因数。图2-7平均电流法控制功率因数校正器原理图在该控制方式下，电感电流信号与锯齿波信号相加。当两信号之和超过基准电流时，控制开关管关断，当其和小于基准电流时，控制开关管导通。图2-8给出了平均电流控制时电感电流波形图。图中实线为电感电流，虚线为平均电流。图2-8平均电流法控制时电感电流波形图平均电流控制的特点是：工频电流的峰值是高频电流的平均值，因而高频电流的峰值比工频电流的峰值高。功率因数较高，THD较小，对噪声不敏感，电感电流峰值与平均值之间的误差小，原则上可以检测任意拓扑、任意支路的电流，比如，除了可检测Boost变换器的电流外，也可检测Buck、Flyback变换器的输入电流，或Boost、Flyback变换器的输出电流等。并且两种工作模式CCM和DCM都可以用；开关频率固定适用于中大功率应用场合。以上的三种控制方法都可有效地实现Boost电路在电流连续状态下的APFC功能，其中平均电流控制利用了乘法器校正技术，具有电流及电压双环控制、噪声抑制能力强、无须斜坡补偿等优点，是目前APFC中应用最多的一种控制策略。2.3.2 APFC技术的新型控制策略传统连续电流模式下需要采用乘法器以及检测输入电压和电感电流，控制电路变得复杂，乘法器也增加了电流的谐波分量，而且动态响应较慢，抗干扰能力较差。因此，近年来提出了许多新型的非线性控制策略，并逐渐开始得到应用。（1）.非线性载波控制(NLC)非线性载波控制不需要采样电压，内部电路作为乘法器，即载波发生器为电流控制环产生时变参考信号。这种控制方法工作在CCM模式，可用于Flyback,Cuk,Boost等拓扑中，其调制方式有脉冲前沿调制和脉冲后沿调制。（2）.单周期控制技术(OCC)单周期控制是一种非线性控制技术。该控制方法的突出特点是，无论是稳态还是暂态，它都能保持受控量(通常为斩波波形)的平均值恰好等于或正比于给定值，即能在一个开关周期内，有效地抑制电源侧的扰动，既没有稳态误差，也没有暂态误差，这种控制技术可广泛应用于非线性系统的场合，不必考虑电流模式控制中的人为补偿。（3）.电荷泵控制技术(CC)利用电流互感器检测开关管的开通电流，并给检测电容充电，当充电电压达到控制电压时关闭开关管，并同时放掉检测电容上的电压，直到下一个时钟脉冲到来使开关管再次开通，控制电压与电网输入电压同相位，并按正弦规律变化。由于控制信号实际为开关电流在一个周期内的总电荷，因此称为电荷控制方式。3结语通过对APFC控制技术的理论研究，系统地比较了APFC主电路拓扑的各种形式及特点，阐述了APFC电路的工作模式，分析比较了AFPC技术的控制策略，根据Boost变换电路的特点与要求，明确了要将平均电流控制的功率因数校正思路应用到Boost变换器的控制中。参考文献1万遇良电力电子技术的发展趋势及应用M电工电能新技术，1995，14(1)：12152陈道炼，严仰光有源功率因数校正技术及其应用J电工技术杂志，1997，(2)：463 严百平，刘健，程红丽不连续导电模式高功率因数开关电源M科学出版社，2002：18254刘希禹开关电源的功率因数和输入谐波电流R邮电设计技术，1996，3(2)：25295谢章贵单相桥式整流滤波负载的功率因数分析D第十三届全国电源技术年会论文集，1999：4084096 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