一款基于無橋APFC電路的單周期控制方案與應用

引言

隨著電力電子技術的發(fā)展，電網(wǎng)中整流器、開關電源等非線性負載不斷增加。這些存在沖擊性的用電設備，將引起網(wǎng)側輸入電流發(fā)生嚴重畸變，產(chǎn)生大量諧波污染，導致電網(wǎng)功率因數(shù)過低，所以提高功率因數(shù)勢在必行。

早期功率因數(shù)校正采用在整流器后加濾波電感電容實現(xiàn)，功率因數(shù)一般只有0.6左右；在20世紀90年代，有源功率因數(shù)校正（APFC）產(chǎn)生，是在整流器和負載之間接入一個DC/DC開關變換器，其基本原理是通過控制電路強迫交流輸入電流波形跟蹤交流輸入電壓波形，從而實現(xiàn)交流電流波形正弦化，并與交流輸入電壓波形同步，功率因數(shù)可提高到0.99以上。

APFC電路拓撲

1、傳統(tǒng)有橋APFC拓撲

傳統(tǒng)Boost APFC電路組成由整流橋和PFC組成，如圖1所示。工作時流通路徑有三個半導體工作，功率因數(shù)低。當變換器功率和開關頻率提高時，系統(tǒng)通態(tài)損耗明顯增加，整體效率低，且控制電路較復雜。

2、基本無橋APFC拓撲

針對傳統(tǒng)有橋電路的問題，本文提出了既能提高PF而且通態(tài)損耗低的無橋電路，如圖2所示。表1為有橋拓撲和無橋拓撲的對比。

從表1看出，當MOSFET導通和關斷時，無橋APFC相對于有橋APFC都節(jié)省了一個二極管。經(jīng)過理論計算后得出，無橋拓撲APFC在全功率輸入時，可提高約1%的效率。而且無橋拓撲更利于電路集成化。但基本無橋Boost APFC電路存在共模干擾嚴重、電流采樣難的問題。

3、雙二極管式無橋APFC拓撲

為了解決基本無橋Boost APFC電路EMI嚴重、電流采樣難的問題，對基本無橋Boost APFC電路加以改進，如圖3所示，在基本無橋Boost APFC電路上增加兩個快恢復二極管VD3和VD4.

圖3中，電阻Rs為電感中的電流檢測電阻，使電流檢測電路減化。雖然Rs在工作時會產(chǎn)生一定損耗，但只要阻值選擇合適，檢測電阻的損耗占整個功率損耗的百分比很小。這樣交直流側共地，達到抑制共模干擾的目的。

4、雙二極管式無橋拓撲工作原理雙二極管式無橋電路工作過程如下：

（1）電源電壓正半周時，如圖4所示，圖4中粗黑線所示即為輸入電壓正半周時電流路徑。

模態(tài)一：二極管VD1，VD2反偏截止?？刂崎_關管VT1導通，輸入電流從電源正極經(jīng)L1，VT1，VD4回到電源負極形成電流通路，給電感L1儲能。負載由儲能電容C提供能量。

模態(tài)二：開關管VT1關斷，電感電流突變時產(chǎn)生的感應電動勢使二極管VD1正偏導通，電流經(jīng)電感L1，VD1，VD3構成回路。此時電感釋放能量，電容C及負載RL由電感和電源串聯(lián)供電。

（2）電源電壓負半周工作模態(tài)如圖5所示，圖5中粗黑線所示即為輸入電壓負半周時電流路徑。

模態(tài)三：VD1，VD2截止?？刂崎_關管VT2導通，輸入電流從電源正極經(jīng)L2，VT2，VD3回到電源負極形成電流通路，給電感L2儲能。負載由儲能電容C提供能量。

模態(tài)四：開關管VT2關斷，VD2導通，電流經(jīng)電感L2，VD2，VD4構成回路。此時電感釋放能量，電容C及負載RL由電感和電源串聯(lián)供電。

APFC 控制方案

功率因數(shù)校正傳統(tǒng)的控制方案有三種即峰值電流控制、滯環(huán)電流控制、平均電流控制。但傳統(tǒng)的控制方案必須以乘法器為核心，使得控制電路復雜。

本文選用無需乘法器的新控制方法-單周期控制。

單周期控制的最大特點是：通過控制開關的占空比，讓電路無論處在穩(wěn)態(tài)還是瞬態(tài)都能使受控量的平均值恰好等于或正比于給定VREF，從而在一個周期內有效地抑制了電源側的擾動。單周期控制技術在控制回路中不需要誤差綜合，具有系統(tǒng)響應快、開關頻率恒定、電流畸變小、易于實現(xiàn)等優(yōu)點，在APFC電路的新型控制技術應用廣泛。

IR1150是一種CCM 控制芯片，它采用了IR公司特有的單周期控制技術，為APFC電路提供了一種低成本、設計簡單的解決方案。該芯片內部主要由電壓誤差放大器、電流檢測放大器、復位積分器、PWM比較器以及RS 觸發(fā)器組成，另外還有7 V 參考電壓和一些保護電路。核心電路為積分復位器，如圖6所示。

其控制環(huán)路包括電流內環(huán)和電壓外環(huán)，電流環(huán)采用了內嵌式的輸入電壓信號，通過脈寬調制調節(jié)與輸入電壓相關的占空比，使輸入平均電流跟隨輸入電壓且為正弦波，只要電路工作在連續(xù)模式，這種跟蹤關系就能維持。單周期工作波形如圖7所示。

無橋APFC 電路仿真

1、仿真電路

本文采用MATLAB Simulink中的SimPowersystems模塊集里的模塊搭建無橋有源功率因數(shù)校正仿真電路，如圖8所示。

仿真參數(shù)設計：輸入交流電壓15V，50Hz;輸出直如圖8所示，虛線框內為雙二極管式無橋APFC 主電路。其中：ui是輸入交流15V 電源，VD1~VD4 是快恢復二極管，VT1，VT2 是開關管。L1，L2 為升壓電感，Cout是輸出電容，RL 是直流負載，R1，R2 ，R3 是輸出電壓采樣電阻，Rs 是輸入電流檢測電阻，Subsystem1是功率因數(shù)測量子系統(tǒng)。示波器u/i，示波器i，示波器uo，示波器PF分別用來測量輸入交流電壓電流，輸入交流電流，輸出直流電壓，系統(tǒng)功率因數(shù)。

圖8實線框內為單周期控制的驅動電路，其控制原理是調制電壓Vm 由主電路輸出電壓經(jīng)分壓電阻R3 得到的反饋電壓與7 V基準電壓VREF 比較后所得，并分為兩路：

Vm 與電流檢測信號Iin Rs 經(jīng)過運算得到Vm - Iin Rs;積分器對調制電壓Vm 積分得到三角波∫Vm dt.

在脈沖來臨時，積分器工作，然后以上兩路信號進行比較，當Vm - Iin Rs >∫Vm dt 時，比較器輸出為1，驅動開關管開通;當Vm - Iin Rs <∫Vm dt 時，比較器輸出為0，開關管關斷。

2、仿真結果

圖9（a）為輸入電流波形，可以看到電路穩(wěn)定后，基本為正弦波。圖9（b）是對輸入電流在0.102~0.103 s的仿真時間內進行局部放大，可以清楚地看到輸入電流能及時地跟蹤輸入電壓，達到功率校正的目的。

經(jīng)過仿真分析，由圖10看出輸入電流波形為連續(xù)的正弦波，與輸入電壓波形同相位。由圖11看出系統(tǒng)穩(wěn)定后輸出直流電壓達到28 V，滿足設計要求。由圖12看出交流網(wǎng)側功率因數(shù)高達0.999.由圖13看出輸入電流諧波畸變率為6.82%，滿足諧波標準。所以，設計的單周期控制的無橋APFC達到設計目的。

結語

本文提出的基于無橋APFC電路的單周期控制方案。本方案中采用的單周期控制的無橋APFC，主電路所用開關器件少，電路效率高，而且利于電路集成化；而本文的控制方案不再需要乘法器，簡單易于實現(xiàn)。從仿真結果看，本方案達到了功率因數(shù)校正的目的。