一种非线性控制方法的PFC技术

开关电源

第３１卷第２期

２０１０年３月

吉首大学学报（自然科学版）

ＪｏｕｒｎａｌｏｆＪｉｓｈｏｕ

Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅ

Ｖ０１．３１

Ｅｄｉｔｉｏｎ）

Ｎｏ．２

Ｍａｒ．２０１０

文章编号：１００７—２９８５（２０１０）０２—００７２—０３

一种非线性控制方法的ＰＦＣ技术

荣

军１，李一呜２

（１．湖南理工学院信息与通信工程学院，湖南岳阳４１４００６；２．湖南理工学院计算机学院，湖南岳阳４１４００６）

摘要：区别于传统的单相功率因数校正电路采用的控制芯片，一种新的连续导通模式（ＣＣＭ）的非线性功率因数校正控制芯片ＩＣＥＩＰＣＳ０１被采用，设计了一种全新的单相功率因数控制电路．与传统的ＰＦＣ解决方案比较，这种新的集成芯片

（Ｉｃ）无需直接来自交流电源的正弦波参考信号．该芯片采用了电流平均值控制方法，使得功率因数可以达到１．在保证了功率因数和谐波分量达到要求的前提下，大大降低了ＰＦＣ变换器的设计成本，在中小功率场合下低成本的ＰＦＣ电路中有广阔的应用前景，也为功率因数校正提供了一个新的思路．

关键词：功率因数校正；ＩＣＥｌＰＣＳＯｌ；控制电路中图分类号：ＴＮ８６

文献标识码：Ａ

传统的用于电子设备前端的二极管整流器，因为导致电源线的脉冲电流，从而干扰电网线电压，产生向四周辐射和沿导线传播的电磁干扰，电源的利用效率下降．近几年来，为了符合国际电工委员会６１０００—３—２的谐波准则，有源ＰＦＣ电路正

越来越引起人们的注意．对于小于２００Ｗ的小功率装置，不连续调制模式（ＤＣＭ）因其低廉的价格受到普遍欢迎．另外，它的

控制电路块中只有１个电压控制环，因而采用ＤＣＭ的ＰＦＣ设计简单易行．然而，由于它固有的电流纹波较大，ＤＣＭ很少应用于大功率场合．在大功率场合，ＣＣＭ的ＰＦＣ更具有吸引力．在ＣＣＭ的拓扑结构中，它的传输函数存在电压环和电流环２个控制环路．因而ＣＣＭ的控制电路设计复杂，ＣＣＭＰＦＣ控制器的管脚数目比较多，比较常用的控制芯片是ＵＣ３８５４．本文控

制电路采用英飞凌公司的１种新的非线性控制芯片ＩＣＥｌＰＣＳ０１，这种新的ＰＦＣ控制器，是为了降低设计费用和难度而开发

的，它仅有８个管脚．此外，根据故障模式影响分析（ＦＭＥＡ），很多的保护电路被集成在这块芯片中．本文将对此ＩＣ的控制

电路进行设计，实验结果验证了它的可行性．

１

芯片ＩＣＥｌＰＣＳ０１

传统的ＰＦＣ电路［１］如图１所示，图２中存在２个控制

１．１无直接参考正弦波传感信号的均值电流控制

环：电压环被用来调整输出电压；电流环被用来控制输入电

流．误差放大器的输出Ｕ。决定了输入电流Ｊ。的幅值大小．

Ｖ。乘以正弦波参考信号Ｖ’。得到正弦输入电流．在传统的ＣＣＭＰＦＣ中，Ｖ’．。是必不可少的，它用于产生电流控制环中的正弦波输入电压．

基于非线性控制芯片ＩＣＥｌＰＣＳ０１控制器的设计电路瞳３立ｎｇｆｌ２所示．它仪有８个管脚，也没有直接馈入芯片的正弦

图１

传统的ＣＣＭ有源ＰＦＣ电路

波传感信号．芯片ＩＣＥｌＰＣＳ０１仅有８个管脚，－ｑＵＣ３８５４的电流平均值控制方式相比，具有外围器件少，动态响应快，保护功能更完备的优点．该芯片的基本原理如下所述：假设电压环正处于工作状态，输出电压保持恒定，则一个ＣＣＭ升压型

＊收稿日期：２００９—１２—２６

作者简介：荣军（１９７８一），男。湖南岳阳人，湖南理工学院信息与通信工程学院讲师，硕士，主要从事开关电源技术教学研究．

开关电源

第２期荣军，等：一种非线性控制方法的ＰＦＣ技术

ＰＦＣ控制系统的ＭＯＳＦＥ＇Ｉ’关断占空比为

７３

ＤⅢＦ＝粤。

ｒ

ｒ

（１）

Ｌ，ｒ痄｝

其中Ｄ。ｍ，正比于Ｖｔ。．电流环的目的在于调整电感电流的平

均值，使得它正比于关断占空比Ｄｒ”，从而正比于输入电压

Ｖ¨，即

ｆＩＮ。￡Ｄ‘）ＦＦＯＣＵＩＮ．

（２）

１．２增强动态响应

由于ＰＦＣ的固有属性，ＰＦＣ动态环路总是用低带宽进

行补偿，目的是不对频率为２ד波纹响应．这里ｆＬ指的是

交流电源线的频率．所以当负载突变时，调整电路不能作出

图２基于ＩＣＥｌＰＣＳ０１的控制电路

快速响应。从而引起输出电压起落过大．为了解决这个ＰＦＣ

应用中的问题，在芯片中采用了增强动态响应．一旦输出电压超出正常值的５％，ＩＣ将跳过慢补偿运算放大器，直接作用于内部非线性增益块而影响占宅比．输出电压能够在一个短时间内回复到正常值．１．３软启动

具有高效的软启动功能，从而可以控制启动电流，使其

输入电流幅度连续而渐进地｝升到较高的值，直至输出电压达到额定电压的８０％．然后进入正常的控制模式，这一启动过程中的电流波形，如图３所示．相对于一般的的软启动系统，该系统仅控制占夺比，输入电流保持正弦，不激活峰值电流限幅．因此升压二极管小会受到因高占空比而形成的大电流的冲击．这个高的浪涌电流将会危及升压二极管。特别对碳化硅升压二极管，因为相对硅二极管来说，碳化硅二极管的峰值电流能力更小．

ｔ／Ｓ

毫

图３软启动控制电流波形

２

设计指标及主电路参数选择

设计指标：交流输入８５～２２０Ｖ；输出电压为３８０Ｖ；输出功率为３００Ｗ；效率为９５％；变换器工作频率为１００ｋＨｚ．

２．１输入电感Ｌ的选择

Ｂｏｏｓｔ临界电感的计算必须是在最差的情况下得到，即输入电压最低输出满载的时候来确定，］．输入电流为

卜拉×窘＝厄×番‰乩２５

ｙ＾ｊ．

Ｕ．Ｈ０＿：Ｊ（巧ａ

Ａ．（３）

允许的纹波电流一般是取输入电流的２０％来确定，即

Ａｌ＝０．２１．一０．２×５．２５＝１．０５Ａ．

（４）

最大导通时间为

Ｌ。＝紫ｔ一错ＵＦ＝器３８０淼１００××３…一…’１０＝６．…０＿６

１“

ｓ，

Ｕ（Ｊ—

（５）…

ｎ。

由电磁感应的基本公式推导出临界电感的计算公式为

坚：＜ｉ墨！！丕！：！圣！Ｑ．！

△』

１．０５

（６）

因此可取升压电感Ｌ为１ｍＨ．２．２输出电容ｃ的选择

选择输出电容时，电容的输出电压维持时间非常重要．当输入能匿截止时，要求电容电压仍呵维持在某特定范围内．典

型维持时间为１５～５０容电容ｃ为

ＩＴＩＳ．３００

Ｗ输出的离线式电源中，通常要求每瓦输出１～２肛Ｆ的电容来达到维持时间的要求，输出电

………’ｃ＝｛黻＝互兰，＿坠３塑８０害毛；掣８５＝１０４＿：）（１０“Ｆ．

。ＵＡ一【，‰ＩＮ

２—２

（７）…

其中维持时间ｆ“为２４ｍｓ，为了方便选取电容，取Ｃ＝３３（１“Ｆ．２．３功率器件的选择

根据功率器件流过的最大电流和需承受的最大电压来选择功率器件．整流选择耐压值为４００Ｖ的整流桥ＲＳ６０４，二极管Ｄ选择ＭＵＲ８６０１、，ＭＯＳＦＥＴ选择ＩＲＦＰ４６０．

开关电源

７４

吉首大学学报（自然科学版）第３１卷

３

实验结果及分析

功率因数校正电路输入电压和输入电流波形如图４所

示，图中Ｕ。：８０Ｖ／格；，．：１Ａ／格，且上面为Ｌ，．曲线，下面为

Ｊｉ曲线．由图４可知，输入交流电流与输入交流电压相位基本相同，输入电流波形为正弦波，实现了系统的高功率因数．电压上由于功率管的开关及分布参数的影响还存在一些毛

刺，可以通过共模电感加以抑制．

４

结语

新型低成本的ＣＣＭＰＦｃ控制器ＩＣＥＩＰＣＳ０１，与传统的

平均值电流控制器相比，无需直接来自交流电源的正弦波参考信号，外围器件少，外围电路简单，具有更快速的动态响圈４交流输入电压Ｕ。和电流Ｉｌ波形

应、独特的软启动方式和更加完善的各种保护功能，应用于ＢｏｏｓｔＰＦＣ电路中，适应宽输入电压范围，采用的电流平均值控

制方法，使得功率因数近似为１．

参考文献：

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Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ：ＩＣＥｌＰＣＳ０１２ＳｔａｎｄａｌｏｎｅＰｏｗｅｒＦａｃｔｏｒＣｏｒｒｅｃｔｉｏｎＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒｉｎＣｏｎｔｉｎｕｏｕｓＣｏｎｄｕｃｔｉｏｎ

Ｍｏｄｅａｐ—

ｐｌｉｃａ２

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ＰｏｗｅｒＳｕｐｐｌｙ

Ｄｅｓｉｇｎ

Ｓｅｍｉｎａｒ

ＭａｎｕａｌＳＥＭ７００．１９９０．

Ｓｔｕｄｙｏｆ

ａ

Ｎｏｎ—ＬｉｎｅａｒＣｏｎｔｒｏｌｏｆｔｈｅＰＦＣＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ

ＲＯＮＧＪｕｎｌ．ＬＩＹｉ—ｍｉｎ９２

（１．ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈ

ｕｎａｎ

ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，

Ｙｕｅｙａｎｇ４１４００６，ＨｕｎａｎＣｈｉｎａ；２．ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＣｏｍｐｕｔｅｒ，ＨｕｎａｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄ

Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｙｕｅｙａｎｇ４１４００６，ＨｕｎａｎＣｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｅｉｎｇｄｉｆｆｅｒｅｎｔｆｒｏｍｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｓｉｎｇｌｅ－ｐｈａｓｅＰＦＣｃｉｒｃｕｉｔｃｈｉｐｓｕｓｅｄｔｏ

ｃｏｎｔｒｏｌ，ｆｌｎｅｗＣＣＭ

ｎｏｎ—ｌｉｎｅａｒＰＦＣｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ＿ＩＣＥｌＰＣＳ０１

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ｎｅｗｓｉｎｇｌｅ－ｐｈａｓｅＰＦＣｃｏｎｔｒｏｌｃｉｒｃｕｉｔｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄ．

ＣｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌＰＦＣｓｏｌｕｔｉｏｎｓ，ｔｈｅｎｅｗＩＣｄｏｅｓｎ＇ｔｎｅｅｄｔｈｅｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓｉｎｅｗａｖｅｓｉｇｎａｌｄｉ—ｒｅｃｔｌｙｆｒｏｍＡＣｐｏｗｅｒ．Ｔｈｅｃｈｉｐ

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ｃｉｒｃｕｉｔ，ａｎｄａｌｓｏｐｒｏｖｉｄｅｓ

ｆｌ

ｎｅｗｗａｙｏｆｔｈｉｎｋｉｎｇｆｏｒＰＦＣ．

’

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＰＦＣ；ＩＣＥｌＰＣＳ０１；ｃｏｎｔｒｏｌｃｉｒｃｕｉｔ

（责任编辑陈炳权）

开关电源

一种非线性控制方法的PFC技术

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：

荣军， 李一鸣， RONG Jun， LI Yi-ming

荣军,RONG Jun(湖南理工学院信息与通信工程学院,湖南,岳阳,414006)， 李一鸣,LI Yi-ming(湖南理工学院计算机学院,湖南,岳阳,414006)吉首大学学报（自然科学版）

JOURNAL OF JISHOU UNIVERSITY(NATURAL SCIENCE EDITION)2010,31(2)

参考文献(4条)

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