单相PFC变换器中电流型控制的发展

关键词：单相功率因数校正变换器；电流型控制；双环控制

1引言

电流型控制与传统的电压型控制相比有很多优点，即：响应速度更快、有效的过载和短路保护、可并联性以及具有输入电压扰动前馈补偿。但是,电流控制型开关变换器也有缺点：因需要双环控制，这就增加了电路设计和分析的难度；因电流上升率不够大，在无斜波补偿且占空比大于50％时，控制环变得不稳定，抗干扰性能差；因控制信号来自输出电流，功率级电路的谐振会给控制环带来噪声。因而人们不断地寻求解决这些问题的办法，并由此推动了电流型控制的发展。

很多电路拓扑适用于单相AC/DC变换器的功率因数校正（PFC），包括工作在连续电流模式（CCM）下的Buck、Boost、Flyback、Cuk、及Sepic变换器以及工作在不连续电流模式（DCM）下的Boost和Flyback变换器。在DCM中，峰值电感电流的包络线自动跟随整流进线电压波形，因此不需控制输入电流也能达到单位功率因数及低电流谐波。然而高的电流应力限制了这种工作模型只适合低功率应用。对于中高功率，用带电流控制环的恒频CCM输入电流整形更为广泛。为了减少控制环的复杂性，又出现了单周期控制及其无电流传感器控制等。

2峰值电流型控制

2.1双基准开关控制技术

双基准开关控制技术也称变频峰值电流控制技术，其原理图如图1所示。工作原理为:输出电压与电压基准比较后,作为电流基准再与电流采样信号比较,然后控制开关管的通断,达到提高功率因数的目的。

该技术的缺点是：开关频率受负载影响较大，输

图1双基准开关控制的Boost电路原理图

图2定频峰值电流控制的Boost电路原理图

出滤波器优化设计困难。

2.2定频峰值电流控制技术

定频峰值电流控制原理图如图2所示。工作过程为：当电感电流达到电流基准以前，开关一直处于导通状态。电流基准为全波整流电压的取样值与参考电压的误差经放大器放大后的输出。一旦电感电流达到电流基准，比较器输出关断信号，使开关截止。以后定频时钟再次接通开关，重复上述过程。当交流电网电压从零变至最小值时，占空比也由最大值（通常为0.95）变至最小值（峰值电压附近），因此可能产生谐波振荡现象。为克服这一缺点，在比较器的输入端应加入斜波补偿函数。定频峰值电流模式（PCM）技术克服了变频峰值电流控制技术的缺点，但在电网电压零点附近输入电流波形失真较大。

3平均电流型控制

平均电流控制原理图如图3所示。由整流桥输出电压Udc的检测信号和电压误差放大器输出信号的乘积产生基准电流信号，此基准电流信号与电感电流采样信号经电流误差放大器比较放大后输出，然后与锯齿波比较后，给开关管输出PWM信号。

峰值和平均电流型控制[1]是单相PFC中应用最频繁的两种电流控制方法。这两种方法的实现都需要一个乘法器为电流控制环产生半波正弦参考信号[3]。两个相乘的信号是整流半波线电压和串级输出电压补偿器的输出。两种方法中，因为平均电流控制以其不需斜波补偿就有较好的噪声免疫力，较低的电流THD以及稳定工作而更具吸引力。但当这两种方法需要控制开关电流而不是电感电流的Buck型拓扑中就有很多缺陷了。

4非线性载波控制

非线性载波控制(NLC)不需取样线电压而用内部电路作乘法器，即负载发生器为电流控制环产生时变参考信号。非线性载波控制通过控制二极管电流iD或者电感电流iL或开关电流is以产生电流的积分电压信号与周期载波比较。这种控制方法要求工作于连续电流模式，可用于所有工作在CCM下的二阶变换器如Flyback、Cuk、Sepic等。其调制方法通常用脉冲后沿调制或脉冲前沿调制。

4.1脉冲后沿调制

脉冲后沿调制原理图如图4所示。传统的脉冲后沿调制方法中，开关通过时钟信号在固定的时刻瞬间导通，导通时间可控。因为二极管电流的平均值直到一个开关周期结束后才能求得，所以不能用来控制开关的关断。

4.2脉冲前沿调制

脉冲前沿调制原理图如图5所示。针对后沿调制

图4脉冲后沿调制NLC的Boost电路原理图

图3平均电流型控制的Boost电路原理图

单相PFC变换器中电流型控制的发展

图5脉冲前沿调制NLC的Boost电路原理图

图6输入电流整形技术的Boost电路原理

图7电荷控制框图图8电荷控制的Buck电路原理图

图9准电荷控制框图图10准电荷控制的Flyback

电路原理图

的不足，文献[4]中提出了一种可行的解决方法即脉冲前沿调制。其通过保持平均值并用它来决定下一周期的导通时间。然而这将引进一个开关周期的延迟给控制环并增加了控制电路的复杂性。 5输入电流整形技术

输入电流整形原理图如图6所示。输入电流整形是以前沿调制为基础，通过取样输出电压和二极管电流而实现PFC。与前几种方法的主要区别是：这种方法不需要产生载波。传统的平均电流控制中，电流环产生整流正弦波形作为控制信号，此控制信号与周期斜波信号相比较以产生期望的占空比。然而，输入电流整形技术是先假定变换器为电阻性负载，因此输入线电流跟随输入电压波形。知道电流信号为整流正弦波形，则增益为电流A倍的电压信号与斜波(反馈信号与参考信号差值的积分)相比较。因此，这种控制方法类似于传统平均电流控制的逆过程。

6电荷控制

电荷控制框图如图7所示。在第一开关周期的开始处,用定频时钟开通功率级的有源开关,对开关电流取样和积分,当积分电容上的电压达到控制电压时,关闭功率开关,同时开通另一辅助开关,使积分电容迅速放电,这一状态一直维持到出现下一个时钟脉冲为止。由于控制信号实际上为开关电流在下一个周期内的总电荷,因此称为电荷控制。图8为电荷控制的Buck电路原理图。

7准电荷控制

准电荷控制与电荷控制不同的是利用了附加电阻RT与积分电容CT并联如图9所示。由于RT的存在，准电荷控制中的开关电流的纹波成分会影响电容端的电压，但提高了控制精确度。图10为准电荷控制的Flyback电路原理图。

图11单周期控制的Buck电路原理图

图12无传感器的电流控制的Boost电路原理图

8单周期控制单周期控制原理图如图11所示。单周期控制是一种大信号非线性控制技术。通过控制开关的占空比以使在每周中开关变换器的开关变量的平均值在静态或瞬态时等于参考信号或与控制参考成比例。电路基本原理是：在忽略电感内阻的情况下，系统稳定是使输出电压满足u0=uddt，电路采用积分器完成，积分器输出电压与参考电压uref比较，控制开关S1使uref=uddt在每个开关周期内成立，输出与输入电压的变化无关。单周期控制是一种实用的非线性控制，它可以抑制输入电压的扰动，使系统具有良好的跟随特性和较强的抗扰动性。但它不能应用于Boost类变换器中。

9无传感器的电流控制无需传感器的电流型控制（SCM）是一种观测方法。这种方法不需取样电流而是通过对电感电压积分直接重构电感电流，其原理图如图12所示。Us代表有源开关导通时的正向压降。考虑到实际变换器中电容电压UC不是真正作为静态变量，它应与特定的参考值匹配。在直流情况下，参考值Uref可用于代替UC。因此考虑电感电压UL时，电感电压积分（Uin－S1Us－S2Uref）dt表示流量误差必须为零。基于电流控制的恰当的控制律是在开关周期开始时设置锁存器使开关导通，然后积分开始计算。当其值增加到一个值（由外部稳定斜波Uref给出或为零电平），锁存器重置，开关关断。SCM比传统的峰值和平均电流型控制技术在噪声敏感和动态范围上有显著的优势。这种方法支持线性调整和负载宽范围调整并减少了控制的复杂性。其主要优点是：

1）电感电压属于大信号波形，横越变换器的输入输出电压的全范围。与1％的单位电阻传感器相比，信号大概高达40dB。

2）因为取样是基于电压而不是电流，所以信号的幅值与直流电流的幅值和负载无关。 3）积分过程本身抗噪声能力强。因此SCM方法固有抗噪声能力而无时间延迟。

SCM的缺点是电流信号实际上不是交流信号。这一缺点影响了对过流情况反映的能力以及电流分流能力。

10结语

各种控制方法都有其优缺点，针对不同的拓扑以及不同的设计要求而选用最佳的控制方法。寻求更加简化的控制策略、降低PFC成本、减少THD和EMI、降低开关应力、提高整机效率是今后PFC控制策略的发展趋势。

参考文献

[1]C.Zhou,M.M.Jovanovic.Designtrade?offsincontinuous

current?modecontrolledboostpower?factorcorrectioncircuits[J].ConferenceProceedingsofHFPC'92,：209－220.

[2]J.B.Williams.Designoffeedbackloopinunitypowerfactor

ACtoDCconverter[J].Rec.ofPESC'89,959－967.

[3]WeiTang.ChargeControl:Modeling,Analysis,andDesign

[J],IEEETrans.OnPE.1993,8(4).

[4]PallabMidya.SensorlessCurrentModeControl—An

Observer?BasedTechniqueforDC－DCConverters[J],IEEETrans.OnPE.2001,16(4)