PFC电路与BOOST电路设计实例解析

1BOOST电路功率因素校正（PFC）基于Boost电路的PFC变换器及其控制方法PFC典型芯片UC3854介绍基于Boost电路的PFC变换器设计实例2功率因素校正-谐波的危害直流变换器负载baViIi3功率因素校正-谐波的危害传统的AC-DC变换器和开关电源，其输入电路普遍采用了全桥二极管整流，输出端直接接到大电容滤波器。虽然不可控整流器电路简单可靠，但它们产生高峰值电流，使输入端电流波形发生畸变，使交流电网一侧的功率因素下降到0.5~0.65，无功损耗过大。因此我们必须引入功率因素较正4功率因数和功率因数校正coscoscos11rms1rmsrmsrmsrmsrmsIIIVIVPPPF＝视在有功功率因数的定义功率因数校正的任务正弦化，使电流失真因数同相位，使相移因数11cos＝5功率因素校正（PFC）功率因素校正PFC是十几年电源技术进步的重大领域，它的基本原理是：是电源输入电流实现正弦波，正弦化就是要使其谐波为零，电流失真因数保证电流相位与输入电压保持同相位，两波形同相位，相移因数最终实现功率因素PF=1的设计工作目标cos116功率因素校正（PFC）两种主要的功率因素校正的方法1)无源PFC技术2)有源PFC技术7功率因素校正（PFC）单管功率因素校正变换器的概念只用一个主开关管，可使功率因数校正到0.8以上，并使输出直流电压可调，这种拓扑结构称为单管单级PFC变换器。8功率因素校正（PFC）单管功率因素校正变换器的电路类型BuckBoostBoost-BuckZetaCukSepic9BOOST电路功率因素校正（PFC）基于Boost电路的PFC变换器及其控制方法PFC典型芯片UC3854介绍基于Boost电路的PFC变换器设计实例10功率因素校正（PFC）基于Boost电路的PFC变换器的提出Boost用于PFC的优势1.Boost可工作在三种模态CCM,BCM,DCM2.储能电感又是滤波器，可抑制电磁干扰EMI和射频干扰RFI电流波形失真小3.输出功率大4.共源极可简化驱动电路等优点11基于Boost电路的PFC变换器及其控制方法-概述CCMDCMBCM12基于Boost电路的PFC变换器及其控制方法——DCMDCM假定在稳态条件下，在一个开关周期内，MOS管的导通时间为Ton，输入电压为Ui，电感电流为i，电感电流峰值为，电感量为L，电感电流达到峰值时，对应的输入电压为。则在MOS管导通期间，有：其中，，因此iudtdiLonTidtdimaxionULTimaxmaxi如果输入周期内各开关周期的占空比近似不变时，电感电流的峰值与输入电压成正比。因此，输入电流波形自然跟随输入电压波形，电路不需要电流控制环即可实现PFC功能。13基于Boost电路的PFC变换器及其控制方法——DCMDCM的关键要想保证电路在一定电压范围内处于断续模式，关键是电感量的设计，下面给出电感量设计的最终公式：d1其中为MOS管导通占空比，d2为续流二极管导通占空比，L为电感量，fs为开关频率，Po为输出功率，mmin为Vo/Vin)(2)sin(minmin2min21mfPfLtmVmdddoso0min2minsin11sin)(tdtmtmf14基于Boost电路的PFC变换器及其控制方法——DCM要保证电感电流断续，必须满足d1+d21随着mmin=Vo/Vin的增加，d1+d2先减小后增大因此在输入电压较小与较大时均会使电感电流趋于连续通常在断续模式下的电感量设计中按最低输入电压时确参数。41.0540.7533.1621.15)(minmdminmDCM的d参数与mmin的关系曲线15基于Boost电路的PFC变换器及其控制方法——BCMBCM一般采用变频控制，在固定功率开关管开启时间的条件下，调整开关管的关断时间，使电感始终处于临界导电模式，可获得单位功率因数，适用于中小功率场合。开关频率不固定（变频），功率管导通时间固定。16基于Boost电路的PFC变换器及其控制方法——CCMCCM电感电流连续时可以选择多种控制方法，如：峰值电流控制、滞环电流控制、平均电流控制和单周期控制等，适用于大功率场合，开关频率可以恒定（如平均电流控制等（定频）），也可以变化（如滞环控制（变频））。17基于Boost电路的PFC变换器及其控制方法-总结DCM输入电流自动跟踪输入电压，控制简单，仅需一个电压环，成本低，电感量小，主管ZCS，续流管无反向恢复问题,定频工作，适合小功率用电设备。BCM输入电流自动跟踪输入电压，电感量小，一般采用变频控制，在固定功率开关管开启时间的条件下，调整开关管的关断时间，使电感始终处于临界导电模式，可获得单位功率因数，但是滤波器设计困难，适用于中小功率场合。CCM常用的有电流峰值控制法、电流滞环控制法或平均电流控制法，可以定频，也可以变频，高功率因素，要用到乘法器，控制相对复杂，成本高。适用于大功率场合。18基于Boost电路的PFC变换器及其控制方法——CCM概述通常情况下，电感电流连续时的控制电路都需要有一个模拟乘法器和电流检测环路，与输出电压的反馈信号一起调制功率开关管的控制信号，其中模拟乘法器的精度将影响PF值和输入电流谐波含量THD。示意图图下，19基于Boost电路的PFC变换器及其控制方法——CCMCCM状态下控制方式1.峰值电流控制2.平均电流控制3.滞环控制4.单周期控制20PFC控制方法——CCM-PeakCurrentControl1.峰值电流控制峰值电流控制的原理框图如下:+VrefVerr＋－V_outGvolABAK**IrefB分压后整流电压IrefLi比较器电压环电流给定电流比较驱动21PFC控制方法——CCM-PeakCurrentControlitUgiLip•当电感电流达到电流基准以前，开关一直处于导通的状态•电流基准是由全波整流电压的采样值与电压环误差放大器的输出乘积决定的，一旦当电感电流达到电流基准，经比较器输出一关断信号，使开关管截止•以后由定频时钟再次开通开关，如此进行周期性变化•电感电流的峰值包络线跟踪整流电压Vdc的波形，使输入电流与输入电压同相位，并接近正弦波23PFC控制方法——CCM-AverageCurrentControl2.平均电流控制平均电流控制的原理框图入下24PFC控制方法——CCM-AverageCurrentControlitUgiLiref25PFC控制方法——CCM-AverageCurrentControl平均电流控制的优点电流环有较高的增益带宽跟踪误差小瞬态特性较好THD(5%)和EMI小对噪声不敏感开关频率固定适用于大功率应用场合，是目前PFC中应用最多的一种控制方式。26PFC控制方法——CCM-HystereticCurrentControl3.滞环电流控制滞环电流控制的原理框图如下27PFC控制方法——CCM-HystereticCurrentControlitUgiLimaximin电压外环的作用是为滞环控制单元提供瞬时电流参考信号，作为滞环逻辑控制器的输入所检测的输入电压经分压后，产生两个基准电流：上限值与下限值当电感电流达基准下限值时，开关管导通，电感电流上升，当电感电流达基准上限值时，开关管关断，电感电流下降电流滞环宽度决定了电流纹波大小.开关频率由环宽决定（变频）28PFC控制方法——CCM-HystereticCurrentControl优点电流环带宽高具有很强且具有很强的鲁棒性和快速动态响应能力电流跟踪误差小硬件实现容易。缺点负载大小对开关频率影响较大不利于设计输出滤波器的优化设计目前，关于滞环电流控制的改进方案研究还很活跃，目的在于实现恒频控制（通过实时的改变环宽），将其他控制方法与滞环电流控制相结合是发展方向之一29PFC控制方法——CCM-OneCycleControl4.单周期控制单周期控制是一种新型的非线性控制策略，首先用于BUCK变换器在输入或输出跳变时，单周期控制可以在一个开关周期实现控制目标，较大提高系统的动态性能进而扩展到各种应用场合，如功率因数校正、有源滤波、整流器等30PFC控制方法——CCM-OneCycleControl单周期控制的基本思想是在每个开关周期内令开关变量的平均值与控制参考量相等或成比例单周期控制的优点是能够自动消除一个周期内的稳态和瞬态误差，动态响应快；且由于频率固定，适宜于PWM控制31PFC控制方法——CCM-OneCycleControl单周期控制是一种不需要乘法器的控制方法，取而代之的是一个复位积分器，如上图所示。其中时间常数RC等于RS触发器的Clock时钟周期，因此有如下关系：（1）d为积分时间占空比。21UdU32PFC控制方法——CCM-OneCycleControl功率因素校正的目的是使输入电流跟踪输入电压，变化器等效电阻为线性，有：(2)为全波整流电压令（3）为电流采样电阻由上两式可得：（4）若输出滤波电容够大，输出电压Uo可视为恒定值，在一个开关周期内可看出Um也可视为定值因此由(4)可以看出，Boost输入电流与输入电压成比例，从而达到电流跟踪电压的目的eReiLRui11iuesomRRUUsRoimLsUuUiR133PFC控制方法——CCM-OneCycleControl一个开关周期内，Boost变换器输出电压与输入电压关系为：(5)为导通时间占空比由（4）（5）可得控制方程：（6）---------------------------------------------------------------------------------------如果U1＝Um，U2＝Um-RsiL即可用控制电路实现控制目标！oUmU111duUio1dLsmmiRUdU121UdULsmmiRUdU134PFC控制方法——CCM-OneCycleControl单周期控制电路如左图所示复位积分器如右图所示35PFC控制方法——CCM-OneCycleControl优点单周控制能优化系统响应减小畸变和抑制电源干扰反应快开关频率恒定鲁棒性强易于实现抗电源干扰控制电路简单36PFC控制方法——CCM-总结CCM模式下控制策略总结（1）峰值电流控制：优点是实现容易，缺点是当交流电网电压从零变化到峰值时，占空比变化太大。在占空比50%时，电流环会产生次谐波振荡现象。（2）平均电流控制：优点是电流环有较高的增益带宽、跟踪误差小、瞬态特性较好、THD(5%)和EMI小、对噪声不敏感、开关频率固定、适用于大功率应用场合，其缺点是参考电流与实际电流的误差随着占空比的变化而变化，从而可能会产生低次电流谐波。（3）滞环电流控制：优点是电流环带宽高，具有很强且具有很强的鲁棒性和快速动态响应能力，电流跟踪误差小，硬件实现容易。其缺点负载大小对开关频率影响较大，不利于设计输出滤波器的优化设计。（4）单周控制：能优化系统响应、减小畸变和抑制电源干扰，有反应快、开关频率恒定、鲁棒性强、易于实现、抗电源干扰、控制电路简单等优点。37上节内容回顾谐波污染的治理主要途径：无源电力滤波器（PPF）有源电力滤波器（APF）有源功率因数校正器（APFC）基于boost的PFCDCMBCMCCM平均电流控制峰值电流控制滞环控制单周期控制38BOOST电路功率因素校正（PFC）基于Boost电路的PFC变换器及其控制方法PFC典型芯片UC3854介绍基于Boost电路的PFC变换器设计实例39PFC典型芯片UC3854介绍概述各引脚功能构成内部结构性能设计特点极限工作条件功率级应用范围40PFC典型芯片UC3854介绍-概述1994年底UC公司推出了UC3854。随着Unitro