交叉式升压PFC数字电流平衡

集成控制解决方案

第二代数字控制器，例如：TI UCD3138 等，为我们提供了一种不一样的解决方案。它是一种完全可编程数字控制器，但控制环路通过固件实现。这种控制环路基于比例积分导数（PID），是一种双极、双零数字补偿器。所有环路计算均由固件完成，并且速度可达2MHz。固件只需对PID系数进行配置。它允许使用一颗低速CPU，因为其只需完成低速任务，例如：内务处理和通信等。另外，UCD3138 在芯片内拥有3个独立的环路，因此可以在没有使用任何额外硬件或者高速CPU的情况下，实现双电流控制环路。图7显示了使用UCD3138 实现的这些双控制环路的配置情况。需对每个相位的电流反馈信号进行测量。正常情况下，可以使用放置于MOSFET上方的CT。由于不需要分流器，因此这种配置还可提高效率。



因为CT放置于每个开关的正上方（图7），所以它仅检测开关电流。它只是电感电流的上升部分，然而每个电流环路都控制平均电感电流。仍然在PWM“导通”时间的中间位置，对CT电流信号进行采样（图3）。它是一个瞬间值，在图8和图9中表示为ISENSE。仅当电流连续时，采样的开关电流（ISENSE）才等于平均PFC电感电流（图8）。当电流变得不连续时（图9）。ISENSE不再等于平均PFC电感电流。为了控制平均电感电流，需推导出采样ISENSE的中间点与开关期间的平均电感电流之间的关系，并同时适用于CCM和DCM。





对于稳态运行的升压型转换器来说，升压电感的伏秒在每个开关期间均保持平衡：



其中，tA为电流升时间（PWM“导通”时间），tB为电流降时间（PWM“关断”时间），VIN为输入电压，而VOUT 为输出电压，并假设所有功率器件均为理想状况。由图8和图9，可根据ISENSE 计算出平均电感电流（IAVE）：



其中，t为开关时间。组合方程式1和2得到：



利用方程式3，我们可以通过瞬时开关电流（ISENSE） 解释平均电感电流（IAVE ）。IAVE 为期望电流，而ISENSE 为电流控制环路的电流基准。检测出真实瞬时开关电流，然后与该基准比较，最后将误差发送至电流控制环路。

图10显示了这种方法的测试结果。如图4所示，即使两-个电感电流具有较宽的方差，在使用电流平衡以后它们也能几乎完全重叠。同时，总AC电流保持平顺和干净。



结论

我们对交叉式升压PFC使用的三种电感电流平衡数字控制方法进行了评估。通过比较电流差异和逐周期调节占空比，可以非常好地平衡电流。但是，这种方法还给总输入电流注入了高频噪声。每个半AC周期仅调节一次占空比消除了高频噪声，但即使总AC电流为正弦曲线，每个单独电感电流还是失真。更好的方法是使用两个电流环路，每个环路单独控制一个相。由于两个电流环路共用相同的电流基准，因此电流被自动平衡。利用一个数字控制器，第二环路的成本仅为一些额外的代码。测试结果表明，第三方法获得了最佳的性能。