数字控制提高无桥接PFC拓扑结构性能

间 Ta 的 PWM 中间测量该开关电流信号。它是一个瞬时值，在图 3-4 中以 Isense 表示。仅当该电流为连续电流时，测得开关电流 Isense 才等于平均 PFC 电感电流（请参见图 3）。该电流变为如图 4 所示非连续电流时，Isense 不再等于平均 PFC 电感电流。为了计算电感平均电流，应该建立某个开关时间期间中间点检测电流 Isense 和平均电感电流之间的关系，并且这种关系应该同时适用于连续导通模式 （CCM） 和非连续导通模式 （DCM）。就一个稳态运行的升压型转换器而言，升压电感的第二电压应在所有开关期间都保持平衡：

方程式 （1）其中，Ta 为电流上升时间（PWM 导通时间），Tb 为电流下降时间（PWM 关闭时间），VIN 为输入电压，而 VO 为输出电压，并假设所有电源器件均为理想状态。由图 3-4，我们可以通过 Isense 计算出电感平均电流 Iave：

方程式 （2）其中，T 为开关时间。将（1）和（2）组合，我们得到：

方程式 （3）通过方程式 3，平均电感电流 Iave 表示为瞬时开关电流 Isense。理想电流 Iave 和 Isense 为电流控制环路的电流基准。检测到现实瞬时开关电流后，将其与该基准对比，误差被发送至一个快速误差 ADC （EADC），最终将数字化的误差信号发送至一个数字补偿器，以关闭电流控制环路。动态调节环路补偿器总谐波失真 （THD） 和功率因数 （PF） 是两个判定 PFC 性能非常重要的标准。一个好的环路补偿器应该具有较好的 THD 和 PF。但是，PFC 的输入范围如此之宽，其可以从 80 Vac 扩展至高达 265 Vac。低线压状态下拥有较高性能的补偿器，在高线压状态下未必能够较好地工作。最佳方法是根据输入电压相应地调节环路补偿器。这对一个模拟控制器来说可能是一项不可能完成的任务，但对于如 UCD3020 等一些数字控制器来说，则可以轻松地实现。这种芯片中的数字补偿器是一种数字滤波器，其由一个与一阶 IIR 滤波器级联的二阶无限脉冲响应 （IIR） 滤波器组成。控制参数即所谓的系数，均保存在一组寄存器中。该寄存器组被称作记忆槽。共有两条这种记忆槽，每条可存储不同的系数。只有一条记忆槽的系数有效，用于补偿计算，而另一条则处于未激活状态。固件始终都可以向未激活的记忆槽加载新的系数。在 PFC 运行期间，可在任何时候调换系数记忆槽，以便允许补偿器使用不同的控制参数，适应不同的运行状态。有这种灵活性以后，我们可以存储两个不同的系数组（一个用于低线压，另一个用于高线压），并根据输入电压调换系数。环路带宽、相位余量和增益余量都可在低线压和高线压下得到优化。利用这种动态调节控制环路系数，并使用固件来对变流器可能出现的偏移量进行补偿，可以极大地改善 THD 和 PF。

图 5-6 是一些基于 1100W 无桥接 PFC 的测试结果，低线压时 THD 为 2.23%，高线压时 THD 为 2.27%，而 PF 分别为 0.998 和 0.996。

图 5 低线压的 VIN和IIN 波形（VIN = 110V， 负载= 1100W， THD = 2.23%， PF = 0.998）

图 6 高线压的VIN和IIN波形（VIN = 220V， 负载= 1100W， THD = 2.27%， PF = 0.996）改善轻负载 PF每个 PFC 在输入端都有一定的电磁干扰 （EMI） 滤波器。

EMI 滤波器的 X 电容器会引起 AC 输入电流引导 AC 电压，从而影响 PF。在轻负载和高线压状态下，这种情况变得更糟糕。PF 很难满足严格的规范。要想增加轻负载的 PF，我们需要相应地强制电流延迟。我们如何实现呢？我们都知道，PFC 电流控制环路不断尝试强制电流匹配其基准。该基准基本上为 AC 电压信号，只是大小不同。因此，如果我们能够延迟电压检测信号，并将延迟后的电压信号用于电流基准生成，便可以让电流延迟来匹配 AC 电压信号，从而使 PF 得到改善。这对一个模拟控制器来说很困难，但对数字控制而言，只需几行代码便可以实现。首先，输入 AC 电压通过 ADC 测量。固件读取经测量的电压信号，增加一些延迟，然后使用延迟后的信号来生成电流基准。图 7-8 显示了基于 1100W 无桥接 PFC 的测试结果。在这种测试中，Vin = 220V，Vout = 360V，而负载 = 108W（约全部负载的 10%）。通道 1 为 Iin，通道 2 为 Vin，通道 4 为带延迟的测量 VIN 信号。图 7 中，经测量的Vin没有增加延迟，PF=0.86，THD=8.8%。图 8 中，测量 Vin 信号被延迟了 300us，PF 改善至 0.90。进一步改善PF是可能的，但付出的代价是 THD，因为进一步延迟电流基准在 AC 电压交叉点产生更多的电流失真。图 9 中，测量 Vin 被延迟了 500us，PF 改善为 0.92。但是，电流在电压交叉点出现失真。结果，THD 变得更糟糕，达到 11.3%。

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