无输入电压检测的平均电流型功率因数校正

摘要：在分析了现有平均电流型功率因数校正电路不足的基础上，提出了一种无输入电压检测的平均电流型功率因数校正技术。

关键词：功率因数校正；输入电压检测；线性

1    引言

    在中等功率和较大功率场合，平均电流型控制（ACMC）技术是最常用的一种，一般的CCM技术通过三个控制环实现功率因数校正，电流编程信号用来为高带宽、快速响应的电流环设定基准，电流编程信号的幅值由低带宽的输出电压误差信号的幅值和经过低通滤波器的线电压的有效值来调制，以确保输入和输出功率的平衡。为了能在负载和线电压变化时，保证功率平衡，还需要一个平方-除法-乘法器，如果电流编程信号不从线电压取样，那么，就可以省掉平方-除法-乘法器，并且可以减少外部无源元件的个数，因此可以大大简化电路。本文介绍一种无输入电压检测的平均电流型功率因数校正技术，并详细地说明了这种控制方法的原理。

2    线性PWM波形的获取

    我们以Boost电路为例，说明平均电流控制的功率因数校正电路是如何取得线性PWM波形的。

    图1为Boost电路拓扑，应用这种电路的主要目的是提供输入端高的功率因数和调节输出电压。

图1    Boost型功率因数校正电路原理图

    在平均电流控制时，

    <I_in>=（1）

式中：<I_in>为一个开关周期(T_s)输入电流的平均值；

      V_in为线电压的瞬时值；

      R_eq是等效阻抗，其幅值等于负载映射到输入端的等效电阻值。

    根据大信号平均PWM开关模型，

    <I_in>=<I_c>=    （2）

式中：<>表示一个开关周期相应电流的平均值；

      D主开关的占空比。

    在分析时，假定在一个开关周期中，输入电压是固定不变的，在稳态时，Boost拓扑的输入输出电压的关系为

     V_in=V_o(1－D)（3）

将式（2）和式（3）代入式（1），可以得到

    <I_in>=(1－D)（4）

    <I_a>=(1－D)D（5）

    <I_p>=(1－D)²（6）

    式（4）的物理意义如下：在每一个开关周期，如果功率开关关断，当输入电流的平均值等于，就实现了线性电阻。其具体波形如图2所示。

图2    PWM调制控制的PFC波形

    由图2可知，当输入电流的平均值等于PWM的斜坡值时，开关管关断。因此这种控制方法，要求一个开关周期的占空比由整个周期电流的平均值决定，这在一般的系统中是不可能实现的。但是，输入电压的变化和开关周期相比非常慢，这样我们可以利用前一个开关周期输入电流的平均值来决定下一个周期的占空比。这种技术是通过将上一个周期的平均电流值保持到下一个周期来实现的。其简化的功率级和控制级的电路框图如图3所示。

图3    功率级和控制级的简化电路框图

    在t=0时刻以前，电容C_c1被完全放电，其上电压等于零。放电完成以后，复位开关断开，在0≤t≤T_s期间，输入电感电流对电容C_c1充电，电阻检测网络给电流电压变换器（V2I）提供一个输入电压，电容C_c1上的电压为：

    V_c1=i_indt=（7）

式中：R_s是电流检测电阻的增益；

      g_m是电压/电流变换器的增益。

    在t=D_maxT_s时刻，充电控制电路对电容C_c2放电，并且设置T_s≤t≤2T_s期间的初始值，在t=T_s时刻，充电控制电路通过将S_p1和S_p2的门极信号分别保持为低电平和高电平，这样使得电容C_c1上的电压保持不变，在T_s≤t≤2T_s期间，电容C_c1上的电压值和PWM斜波值进行比较，以决定占空比的大小。PWM斜波由式（4）决定，三种电压误差信号情况下的动态信号波形如图4所示，这三种情况分别对应：

    1）大的输出电压误差信号；

    2）小的输出电压误差信号；

    3）更小的输出电压误差信号。

图4    功率级PFC电路主要工作波形

    应当注意，输出电压误差信号由输出电压控制环来决定，其单位增益转折频率为10～20Hz。

3    结语

    新颖的线性平均电流控制(ACMC)技术可获得高功率因数，这种方法不需要输入电压检测，因此简化了控制电路的设计。电路分析及试验结果均证明了这种控制方法的正确性。