1、引言

　　開關(guān)電源已成為電網(wǎng)主要的諧波源之一。為了減小開關(guān)穩(wěn)壓電源對供電電網(wǎng)的污染和對外部電子設(shè)備的干擾，電源中普遍采用了功率因數(shù)校正（power factor correction, PFC）技術(shù)。PFC的英文全稱為“Power Factor Correction”，意思是“功率因數(shù)校正”，功率因數(shù)指的是有效功率與總耗電量（視在功率）之間的關(guān)系，也就是有效功率除以總耗電量（視在功率）的比值。 基本上功率因素可以衡量電力被有效利用的程度，當(dāng)功率因素值越大，代表其電力利用率越高。計算機(jī)開關(guān)電源是一種電容輸入型電路，其電流和電壓之間的相位差會造成交換功率的損失，此時便需要PFC電路提高功率因數(shù)。目前的PFC有兩種，一種為被動式PFC（也稱無源PFC）和主動式PFC（也稱有源式PFC）。

　　由于單一的電壓環(huán)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計方便，但是當(dāng)系統(tǒng)受到某種擾動時，例如，輸入電壓波動、元件參數(shù)變化和負(fù)載突變，系統(tǒng)中的各電氣變量均會發(fā)生變化。而這些變化只有等到輸出電壓發(fā)生變化以后，電壓控制環(huán)才起調(diào)節(jié)作用。

　　一般說來，開關(guān)變換器的小信號交流等效電路為二階電路。根據(jù)控制理論，實現(xiàn)全狀態(tài)反饋的系統(tǒng)是控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)動態(tài)響應(yīng)的誤差平方積分指標(biāo)。

　　基于雙環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能的優(yōu)點(diǎn)，本文中，基于功率因數(shù)校正和脈寬調(diào)制穩(wěn)壓變換一體的開關(guān)電源控制芯片UCC38500，設(shè)計了一臺輸出電壓48V，輸出功率300W的功率因數(shù)校正電源樣機(jī)。文中討論了該樣機(jī)的設(shè)計與控制方法，給出了電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)的設(shè)計過程。

　　2、工作原理

　　圖1給出所設(shè)計的樣機(jī)的電路原理框圖。前級采用Boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的PFC電路，在實現(xiàn)功率因數(shù)校正的同時把輸入電壓提升到直流385V；后級為應(yīng)用雙管正激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的PWM電路，把385V直流母線電壓降低到48V，實現(xiàn)輸入與輸出的電氣隔離。

　　前級功率因數(shù)校正環(huán)節(jié)基于平均電流控制原理，采用電壓控制環(huán)和電流控制環(huán)的雙閉環(huán)控制方式，其中電壓控制環(huán)使Boost電路輸出的直流母線電壓更穩(wěn)定；電流控制環(huán)使輸入電流接近正弦波?？刂七^程如下：經(jīng)取樣的直流母線電壓與基準(zhǔn)電壓信號相比較，通過電壓誤差放大器輸出電壓誤差放大信號。該信號與取樣后的電源正弦半波信號相乘，作為電流誤差放大器的基準(zhǔn)電流信號。

　　圖1 電路原理框圖

　　DC/DC是指將一個固定的直流電壓變換為可變的直流電壓，這種技術(shù)被廣泛應(yīng)用于無軌電車、地鐵列車、電動車的無級變速和控制，同時使上述控制獲得加速平穩(wěn)、快速響應(yīng)的性能，并同時收到節(jié)約電能的效果。用直流斬波器代替變阻器可節(jié)約電能（20~30）%。直流斬波器不僅能起調(diào)壓的作用（開關(guān)電源）， 同時還能起到有效地抑制電網(wǎng)側(cè)諧波電流噪聲的作用。

　　后級DC/DC功率級變換也采用雙閉環(huán)控制方式。電流內(nèi)環(huán)采用峰值電流控制模式，對開關(guān)電流的峰值進(jìn)行逐個脈沖采樣控制。電壓誤差放大器輸出信號，通過光耦隔離，產(chǎn)生電流參考信號。被采樣電阻檢測的開關(guān)電流與電流參考信號比較，經(jīng)驅(qū)動器輸出兩路隔離的驅(qū)動信號。

　　3、電路設(shè)計

　　電路設(shè)計基于UCC38500控制芯片，其PFC與PWM的開關(guān)頻率比為1：1。設(shè)計的主要電路參數(shù)為：輸入電壓，直流母線電壓，電路開關(guān)頻率，功率因數(shù)PF=1，輸出功率P0=300W，輸出電壓V0=48V,前級PFC中電感電流采樣電阻的大小，濾波電容大小為

　?。?）升壓電感的設(shè)計。

　　由于磁粉芯材料具有磁導(dǎo)率小，線性度高、飽和磁密大，工作頻率范圍寬。所以廣泛的被用于功率因

　　數(shù)校正電感的設(shè)計。所以在設(shè)計中電感的型號選用性價比較高的26#鐵粉芯。

　　2）電流控制環(huán)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計。

　　在平均電流模式中，如果電流補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的增益太大，就會造成補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的輸出電壓的值超過鋸齒波的峰值或者說輸出電壓的波形不會與鋸齒波相交，則放大器就工作在飽和的工作狀態(tài)，導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定。

　　在Boost-PFC系統(tǒng)中，假定Vm為鋸齒波的峰峰值，本設(shè)計中Vm=4.32V，則電感電流下降的斜率K1，和鋸齒波上升的斜率K2可以分別表示為：

　　在壞的情況下，即，故有，當(dāng)K1=K2時即電流補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的增益為：

　　所以中頻段的增益為：

　　取電流誤差放大器的穿越頻率為，由于補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)在穿越頻率處具有平坦的特性，提供了大于450的相位裕量。所以將零點(diǎn)設(shè)置在處，即，則有

　　由于Boost系統(tǒng)在穿越頻率處含有右半平面的零點(diǎn)，所以高頻極點(diǎn)設(shè)置在開關(guān)頻率處。所以前級PFC的開環(huán)傳遞函數(shù)為：

　　運(yùn)用MATLAB仿真，仿真結(jié)果見圖2（b）。可見，穿越頻率為8.63kHz，相位裕量為57°。所以補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計是合理的。

　?。╝） 電流誤差放大器結(jié)構(gòu)圖

　　（b） 幅頻特性和相頻特性

　　圖2 電流誤差放大器

　　為了使補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的中頻段有足夠的帶寬，以增加相位裕量，取：。所以根據(jù)上面的計算公式得出：，，

　　3）電壓控制環(huán)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計。

　　諧波產(chǎn)生的根本原因是由于非線性負(fù)載所致。當(dāng)電流流經(jīng)負(fù)載時，與所加的電壓不呈線性關(guān)系，就形成非正弦電流，從而產(chǎn)生諧波。諧波頻率是基波頻率的整倍數(shù)，根據(jù)法國數(shù)學(xué)家傅立葉（M.Fourier）分析原理證明，任何重復(fù)的波形都可以分解為含有基波頻率和一系列為基波倍數(shù)的諧波的正弦波分量。諧波是正弦波，每個諧波都具有不同的頻率，幅度與相角。諧波可以I區(qū)分為偶次與奇次性，第3、5、7次編號的為奇次諧波，而2、4、6、8等為偶次諧波，如基波為50Hz時，2次諧波為lOOHz，3次諧波則是150Hz。

　　圖3示出電壓誤差放大器的電路結(jié)構(gòu)圖。芯片內(nèi)部本身提供基準(zhǔn)，由于上的紋波是輸入電壓的二次諧波（100Hz），所以電壓外環(huán)的帶寬要求遠(yuǎn)小于100Hz的正弦半波頻率，電壓控制環(huán)的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的有效設(shè)計不僅有助于系統(tǒng)的穩(wěn)定。

　　輸出直流母線上的紋波電壓的峰值為：

　　假定電壓環(huán)對總諧波畸變的比重為0.75%，所以電壓誤差放大器的增益為：

　　圖3 電壓誤差放大器結(jié)構(gòu)圖

　　所以：

　　3.2 后級DC/DC設(shè)計

　　由圖1可見，后級DC/DC變換的主電路采用雙管正激變換電路。采用峰值電流控制模式，其主要優(yōu)點(diǎn)是具有良好的動態(tài)特性，同時實現(xiàn)降低功率損耗的目的。DC/DC變換采用后沿觸發(fā)的、同步于Boost和PWM電路中功率開關(guān)重疊時間的調(diào)制器，減小輸出端濾波電容上的紋波電流。

　　在本設(shè)計中斜坡補(bǔ)償信號取自芯片內(nèi)部的振蕩器。圖4示出本設(shè)計的斜坡補(bǔ)償方法。

　　圖4 斜坡補(bǔ)償方法

　　電流誤差放大器和電壓誤差放大器的設(shè)計與前級PFC電路的設(shè)計基本類似。電流內(nèi)環(huán)由采樣電阻得到峰值電流信號；電壓外環(huán)亦采用常規(guī)零、極點(diǎn)補(bǔ)償，電壓外環(huán)帶寬取為1kHz。實現(xiàn)較好的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)效果。

　　4 試驗結(jié)果與結(jié)論

　　對本文設(shè)計的樣機(jī)進(jìn)行了實驗研究，其中交流輸入電壓。圖5（a）給出了PFC電路開關(guān)管的驅(qū)動電壓和漏源電壓波形。圖5（b）給出了滿載時電網(wǎng)測電壓與電網(wǎng)測電流的波形。

　　圖6（a）給出后級DC/DC功率級雙管正激開關(guān)管的漏源電壓。圖6（b）給出高頻變壓器測電壓波形。圖6（c）給出DC/DC級輸出電壓波形。

　?。╝） 雙管正激開關(guān)管波形

　　（b） 高頻變壓器測電壓波形

　?。╟） DC/DC級輸出電壓波形

　　圖6 雙管正激開關(guān)管、高頻變壓器測電壓和DC/DC級輸出電壓波形

　　實驗結(jié)果表明，本文所設(shè)計的基于雙閉環(huán)控制策略的功率因數(shù)校正電源，其性能指標(biāo)達(dá)到設(shè)計要求，控制電路設(shè)計明顯簡化?；趶?fù)合控制芯片的卓越控制能力和極低的價位為提高中小功率的開關(guān)電源的功率因數(shù)，抑制諧波污染，實現(xiàn)綠色用電革命，開辟了新前景。