单周期控制BoostPFC变换器参数设计与仿真验证-宋久旭

计算机工程应用技术ComputerKnowledgeandTechnology电脑知识第11卷第10期(2015年4月)单周期控制BoostPFC变换器参数设计与仿真验证宋久旭，高小龙，杨志龙（西安石油大学电子工程学院，陕西西安710065）摘要：基于单周期控制技术的功率系数校正电路具有结构简单、响应速度快等优点，已成为开关电源的研究热点。论文在分析单周期控制BoostPFC变换器工作原理的基础上，完成了基于IR1155S控制器的单周期PFC变换器设计，并使用Saber软件进行了仿真验证。结果表明单周期控制技术能有效降低PFC变换器的复杂程度，同时获得良好的功率系数校正效果，在单相大功率电源中具有良好的应用前景。关键词：单周期控制；功率系数校正；参数设计；仿真验证中图分类号：TP301文献标识码：A文章编号：1009-3044(2015)10-0228-03ParametersDesignandSimulationVerificationofBoostPowerFactorCorrectionConverterwithOne-cycleControlMethodSONGJiu-Xu,GAOXiao-Long,YANGZhi-Long(SchoolofElectronicEngineering,Xi’anShiyouUniversity,Xi’an710065,China)Abstract:Powerfactorcorrection(PFC)convertersbasedonone-cyclecontrolmethodhavetheadvantagesofsimplecircuitandhighresponsespeed,whichhavebecomeahotresearchtopicinswitchingpowersupplies.First,theworkingprincipleoftheone-cyclecontrolBoostPFCconverterisanalyzed.Then,parametersdesignfortheBoostPFCconverterbasedonIR1155Scontrollerisrealized.Final,simulationverificationisimplementedwithSabersoftwarepackage.Resultsindicatethattheone-cyclecontrolmethodcanreducethecomplexityofthePFCconverterandachievegoodresultsinpowerfactorcorrection.Ithasagoodapplica⁃tionprospectinsingle-phasehighpowerswitchingsupply.Keywords:One-cyclecontrol;powerfactorcorrection;parametersdesign;simulationverification1概述近年来，单相大功率电源在高性能图形工作站、变频空调和纯电动汽车等领域得到了越来越广泛的应用。这些电源通常使用整流桥进行交流/直流（AC/DC）变换，转换过程中产生的谐波，不仅会降低电能的转换效率，还会污染电网，影响其安全运行[1-2]。功率系数校正技术（PowerFactorCorrection，PFC）可有效抑制谐波污染，效降低开关电源功耗、提高开关电源效率，降低对电网的谐波电流污染，在实际中得到了大量应用[3-5]。输入电流纹波小、结构简单等诸多优点使Boost变换器在PFC电路中有广泛的应用。根据变换器电感电流是否连续，其工作模式可以分为断续导通模式、临界导通模式和连续导通模式。前面两种模式主要在小功率场合应用，而连续导通模式变换器则主要应用在功率大于250W的电源中，特别是单相大功率开关电源中[6]。传统的单相功率系数校正技术需要检测输入电压、电感电流和输出电压，使用乘法器来实现输入电压和电流相位的追踪，如基于UC3854研发的PFC电路，这使得PFC变换器的控制复杂，抑制动态扰动的性能欠佳，很难取得很好的连续功率系数调节效果。单周期控制技术是一种新型的非线性控制技术，通过控制开关的占空比，使每个开关周期中开关变量的平均值严格等于或正比于控制参考量[7]。单周期技术最初应用于DC/DC变换器[8-9]，也在PFC电路中取得了很好的效果[10-12]，特别是InternationalRectifier(IR)公司推出的IR115x系列单周期控制器。论文以单周期控制PFC变换器为研究对象，首先，分析单周期BoostPFC变换器的工作原理；然后，完成基于IR1155S控制器的单周期BoostPFC变换器的设计；最后，对设计的变换器使用Saber软件进行仿真验证，以期为单相大功率开关电源的研发提供必要的支持。2单周期控制BoostPFC变换器工作原理单周期控制BoostPFC变换器原理图如图1所示[13]，图中虚线方框内为Boost变换器，控制回路由误差放大器、积分器、比较器和RS触发器四部分构成。为了简化变换器稳态分析，有如下假设：1）开关频率远高于电源频率，输入电压和输入电流收稿日期：2015-03-20基金项目：获得“陕西省大学生创业训练计划项目”对论文工作的支持作者简介：宋久旭（1979—），男，河北衡水人，讲师，博士，研究方向为电力电子技术与新型半导体器件；高小龙（1991—），男，陕西榆林人，本科生，研究方向为电力电子技术；杨志龙（1989—），男，陕西咸阳人，研究生，研究方向为电力电子与电力传动。228DOI:10.14004/j.cnki.ckt.2015.0461计算机工程应用技术ComputerKnowledgeandTechnology电脑知识第11卷第10期(2015年4月)在几个开关周期内认为近似不变；2）忽略开关管的导通压降和开关损耗，以及器件分布参数影响，不考虑引起的损耗。图1单周期BoostPFC电路原理图在理想情况下，Boost变换器电感L的电流与输入电压同相，也就是其功率系数为1，则变换器可以等效为电阻ReVg=Re×ig(1)其中ig电感电流的瞬时值，Vg为整流后半波正弦输入电压瞬时值。对于DC/DCBoost变换器输入电压和输出电压有如下关系：Vg=Vo×(1-d)(2)式中d为占空比。根据公式(1)和公式(2)有：Re×ig=Vo×(1-d)(3)假设Rs为变换器电感电流采样电阻Rs×ig=VoRsRe×(1-d)(4)令Vm=VoRsRe，可以简化为：Vm-igRs=Vmd(5)公式(5)为单周期控制BoostPFC变换器最重要的数学模型，Vm是与变换器成比例的输出电压(控制电压)，通过调整正空比d可以使得电感电流ig与半波输入电压Vg同相，实现功率系数校正。假设开关管开关周期为T，可以构造单周期控制BoostPFC变换器的方程为[14,15]：ìíîïïV1(t)=Vm-igRsV2(t)=1T∫0dTVmdt(6)从图1可以看出单周期控制器的核心是带有复位开关的积分器，它取代了传统BoostPFC变换器中的乘法器和输入电压检测。单周期控制PFC变换器的工作过程大致如下：每个开关周期的开始，开关管导通；输出电压Vo经过采样并与参考基准电压Vref进行比较，得到控制电压Vm。控制电压Vm被分成两路，一路通过积分器进行积分，从而获得1T∫0dTVmdt；另一路与采样电阻Rs上的电压igRs做减法，得到Vm-igRs。将两路信号进行比较，如果控制电压的积分达到阈值Vm-igRs，则RS触发器复位，关断开关管，同时积分器进行复位，待下一个时钟周期到来变换器重复以上的过程。3参数设计IR1155S是IR公司近年推出的单周期PFC控制器，控制器只需要对开关管的电流进行采样，极大的简化了PFC变换器设计，典型应用电路如图2所示。IR1155S控制器采用平均电流模式控制，工作在连续电流下，同时控制器还集成了输入过压/输入欠压保护、软启动和开环保护等功能。设计变换器的输入电压为90V到270V（交流），输出电压为400V（直流），最大输出功率为300W，开关管的开关频率为100kHz，过压保护启动电压为426V。ACLINECOMGATEFREQVCCISNSVFBOVPCOMPCINCMOS12348765CSFRSFRSNSLBSTCTRGVCCVCCMBSTDBSTIR1155SCPCZRgmCVCCRVFB1RVFB2ROVP1ROVP2ROVP3RVFB3COUTVOUTRTN图2基于IR1155S的单周期BoostAPFC变换器对变换器的参数设计分两步进行，主电路参数设计和控制回路参数设计。3.1主电路参数设计PFC变换器的主电路主要由输入电容、升压电感和输出电容组成。1)升压电感选择峰值输入电流是选择升压电感的基础，输入电流最大值出现在负载最大且输入电压最低的情况下，假设变换器最低效率为92%，则相应的输入功率为PIN(MAX)=PO(MAX)ηMIN=3000.92=326 W最大输入电流的有效值为IIN(MAX)=PO(MAX)ηMIN×(VIN(RMS)MIN)×PF=3000.92×90×0.998=3.63 A则输入电流的峰值为IIN(PK)MAX=2IIN(MAX)=5.13A升压电感的纹波系数kΔIL为20%，在交流输入电流最大时，电感电流的纹波为ΔIL＝0.2×IIN(PK)MAX＝1.03A，则升压电感峰值电流为IL(PK)MAX=IIN(PK)MAX+ΔIL2=5.65 A最低输入电压的峰值为VIN(PK)MIN=2VIN(RMS)MIN=127 V，则变换器的最大占空比为d=VO-VIN(PK)MINVO=0.68则升压电感的电感量为LBST=VIN(PK)MIN×dfSW×ΔIL=127×0.68100k×1.03=838μH，可以选择电感量为850μH的电感作为升压电感。2)高频输入电容选择高频输入电容可以按下面公式进行估算CIN=kΔILIIN(RMS)MAX2π×fSW×r×IIN(RMS)MIN其中kΔIL为电感的纹波系数，r为高频输入电压的波动系数，这两个参数取值分别为0.2和6%，计算得到输入高频电容229计算机工程应用技术ComputerKnowledgeandTechnology电脑知识第11卷第10期(2015年4月)为0.21μF，可以选择0.25μF耐压630V的电容。3)输出电容选择输出电容根据保持时间进行估算，在断电20mS后输出电压下降到320V：COUT(MIN)=2×PO×ΔtV2O-V2O(MIN)=208 μF若考虑电容容量有20%的裕量，则电容的容量为250μF，选择270μF的电容。3.2控制回路参数设计变换器的控制回路主要包括电感电流采样电阻、输出电压和过压保护采样电阻以及定时电容等。1)电感电流采样电阻选择电感电流采样电阻上的最大压降为VISNS(MAX)=VCOMP(EFF)(MIN)×(1-d)gDC其中VCOMP(EFF)(MIN)为控制器COMP端电压有效值的最小值，gDC为电流环放大器的跨导，从IR1155S数据手册中可以查出这两个参数的取值为4.6和3.1，从而估算最大压降为0.46V。流过采样电阻的最大电流为IIN(PK)OVL=IL(PK)MAX×(1+KOVL)式中KOVL为电感电流的过载系数取值5%，最大电流为5.93A。则采样电阻为RSNS,MAX=VSNS(MAX)IIN(PK)OVL=0.078Ω与ISNS端相连接的还有RSF和CSF构成的低通滤波器，滤波器截至频率为1.6MHz，可以变换器的要求，则电阻和电容分别为100Ω和1000pF。2)输出电压采样电阻和过压保护电阻选择输出采样电阻RFB1和RFB2选择499kΩ的电阻，则可以估算RFB3为RFB3=VREF×(RFB1+RFB2)Vout-VREF=5.0×(499×2)3