单相PFC变换器中电流型控制的发展

时间：05-20 来源：互联网点击：

摘要：传统的电压型控制是一种单环控制系统，是一种有条件的稳定系统。因而出现了双环控制系统即电流型控制系统。从原理、应用方面系统地论述了单相PFC变换器中电流型控制的发展，阐述了各种控制方法的优缺点。

关键词：单相功率因数校正变换器；电流型控制；双环控制

1引言

电流型控制与传统的电压型控制相比有很多优点，即：响应速度更快、有效的过载和短路保护、可并联性以及具有输入电压扰动前馈补偿。但是,电流控制型开关变换器也有缺点：因需要双环控制，这就增加了电路设计和分析的难度；因电流上升率不够大，在无斜波补偿且占空比大于50％时，控制环变得不稳定，抗干扰性能差；因控制信号来自输出电流，功率级电路的谐振会给控制环带来噪声。因而人们不断地寻求解决这些问题的办法，并由此推动了电流型控制的发展。

很多电路拓扑适用于单相AC/DC变换器的功率因数校正（PFC），包括工作在连续电流模式（CCM）下的Buck、Boost、Flyback、Cuk、及Sepic变换器以及工作在不连续电流模式（DCM）下的Boost和Flyback变换器。在DCM中，峰值电感电流的包络线自动跟随整流进线电压波形，因此不需控制输入电流也能达到单位功率因数及低电流谐波。然而高的电流应力限制了这种工作模型只适合低功率应用。对于中高功率，用带电流控制环的恒频CCM输入电流整形更为广泛。为了减少控制环的复杂性，又出现了单周期控制及其无电流传感器控制等。

2峰值电流型控制

2.1双基准开关控制技术

双基准开关控制技术也称变频峰值电流控制技术，其原理图如图1所示。工作原理为:输出电压与电压基准比较后,作为电流基准再与电流采样信号比较,然后控制开关管的通断,达到提高功率因数的目的。

该技术的缺点是：开关频率受负载影响较大，输

图1双基准开关控制的Boost电路原理图

图2定频峰值电流控制的Boost电路原理图

出滤波器优化设计困难。

2.2定频峰值电流控制技术

定频峰值电流控制原理图如图2所示。工作过程为：当电感电流达到电流基准以前，开关一直处于导通状态。电流基准为全波整流电压的取样值与参考电压的误差经放大器放大后的输出。一旦电感电流达到电流基准，比较器输出关断信号，使开关截止。以后定频时钟再次接通开关，重复上述过程。当交流电网电压从零变至最小值时，占空比也由最大值（通常为0.95）变至最小值（峰值电压附近），因此可能产生谐波振荡现象。为克服这一缺点，在比较器的输入端应加入斜波补偿函数。定频峰值电流模式（PCM）技术克服了变频峰值电流控制技术的缺点，但在电网电压零点附近输入电流波形失真较大。

3平均电流型控制

平均电流控制原理图如图3所示。由整流桥输出电压Udc的检测信号和电压误差放大器输出信号的乘积产生基准电流信号，此基准电流信号与电感电流采样信号经电流误差放大器比较放大后输出，然后与锯齿波比较后，给开关管输出PWM信号。

峰值和平均电流型控制[1]是单相PFC中应用最频繁的两种电流控制方法。这两种方法的实现都需要一个乘法器为电流控制环产生半波正弦参考信号[3]。两个相乘的信号是整流半波线电压和串级输出电压补偿器的输出。两种方法中，因为平均电流控制以其不需斜波补偿就有较好的噪声免疫力，较低的电流THD以及稳定工作而更具吸引力。但当这两种方法需要控制开关电流而不是电感电流的Buck型拓扑中就有很多缺陷了。

4非线性载波控制

非线性载波控制(NLC)不需取样线电压而用内部电路作乘法器，即负载发生器为电流控制环产生时变参考信号。非线性载波控制通过控制二极管电流iD或者电感电流iL或开关电流is以产生电流的积分电压信号与周期载波比较。这种控制方法要求工作于连续电流模式，可用于所有工作在CCM下的二阶变换器如Flyback、Cuk、Sepic等。其调制方法通常用脉冲后沿调制或脉冲前沿调制。

4.1脉冲后沿调制

脉冲后沿调制原理图如图4所示。传统的脉冲后沿调制方法中，开关通过时钟信号在固定的时刻瞬间导通，导通时间可控。因为二极管电流的平均值直到一个开关周期结束后才能求得，所以不能用来控制开关的关断。

4.2脉冲前沿调制

脉冲前沿调制原理图如图5所示。针对后沿调制

图4脉冲后沿调制NLC的Boost电路原理图