单周期控制的功率因数校正技术

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1、单周期控制的功率因数校正赖喆仁，KeyueM.Smedley摘要：本文的单周期控制方法运用于功率因数ac-dc变换器中。这种控制方法是在一个恒定开关频率下，不需要电流传感器，控制电路简单，在交流端输入电阻纯电阻。当输出电压纹波忽略不计时回馈电路设计得到最小电流畸变。通过实验论证理论预测。关键字：开关变换器；功率因数校正；脉宽调调制。Ⅰ介绍许多整流器采用非线性负载，他们利用电抗元件的基本原理和高阶谐波。这些组件并非都是很好的，因为(1)产生电磁干扰和线电压畸变；(2)不会影响负载功率但是会在输电线路上增加电流有效值，产生额外损耗。在理想状态下，整流器

2、上的线电流应该和线电压同相，传输给负载最大有功功率，达到功率因数校正。通过使用dc-dc变换器得到输入电流不畸变，这个有可能达到功率因数校正：在过去的几年中有好几种方法被提出。其中，Boost变换器是最常用拓扑，因为其简单而高效。在Boost变换器运行在断续模式(DCM)下，开关频率恒定、占空比为常量，将自动获得正弦电流。由于其控制方法简单这种方法非常受到关注。其缺点是输入电流会失真。当Boost变换器工作在高压兑换率时，会轻微失真。因此，非常适合运用在高压场合。Boost运行在电流连续模式(CCM)和DCM模式下可以消除电流失真，但是需要变量开关

3、频率和一个含乘法器的复杂控制电路。开关频率和线电压在一个范围内变化在很多场合是不适合的。一些其他办法如二阶谐波注入需要一个复杂的自适应调制电路，有时候实际控制非常困难。同时使输入电流和输入电压同相是有可能。Boost变换器为非线性载波控制就是一个很好的例子。这种方法需要电流采样，所以他们更适合在高功率场合并运行在CCM模式下。本文旨在运用单周期控制方法进行功率因数校正，以下为其特点：1)整流器输入端为纯电阻；2)不需要高压转换率；3)运行在恒定开关频率；4)不需要电流采用；5)没有像乘法器那样负载电路；6)易于集成；本文阐述Boost变换器原理。首

4、先，这种控制方法介绍在第二部分。然后影响输出电压纹波讨论在第三部分。实验验证在第四部分。最后第五部分为总结。Ⅱ工作原理Boost变换器拓扑广泛运用在功率因数校正电路。当Boost变换器运行在DCM模式下、恒定开关频率而且占空比为常数，线电流将会失真。这一章将回顾畸变的原因，然后纠正这种畸变，提出一种新的控制方法。A．电流畸变的原因并且纠正图1Boost电路运行在DCM模式由图1，当电路变换器运行在恒定开关频率和占空比时，峰值电感电流在每一个开关周期内是：(1)则(2)占空比d就是导通时间ton和开关频率T的比值。电感电流iL下降到0的时间间隔由下面

5、公式决定(3)因此(4)在每个开关周期中平均电感电流就是(5)当占空比d是常量时与成比例，所以整流器输出电流谐波失真。作为补偿，我们可以在一个线周期内通过调整占空比d来消除上述谐波失真，如(6)Re定义为整流器仿真输入电阻。代入公式（5）和（6）得(7)开关频率。通过控制占空比d，线电流与线电压成正比。我们可以通过使用放大器或者除法器、得到的运算平方根与锯齿载体做比较而获得占空比。在本文中，单周期控制技术采用的是调制脉冲宽度，这是一个时间常量，以满足在每一个时间周期内的占空比。B.单周期控制技术在公式2）占空比d已经定义了。我们重新结合公式（2）和

6、（7）可得：(8)因为输出电压v0保持稳定状态，可以被假定为一个常量。然后我们要确定每个开关周期导通时间ton如公式：(9)K的取值是通过电压传感器得到vin与v0的比值；(10)电路图如图3-1所示：包含一个时钟发生器、触发器、比较器、两个积分器和两(a)(b)图4-1(a)单周期控制电路（b）运行波形图个重置开关。开关频率由时钟发生器的固有频率决定。当一个时钟脉冲发射一个上升沿时，触发器置位，也是就逻辑Q为“1”。主动开关在功率级上打开，两个置位开关S1、S2关断。加入一个恒定控制电压vc，第一个积分器输出电压为：(11)第二个积分器输出电压为

7、：(12)当电压v2到达K(v0-vin)，比较器输出高压脉冲重置触发器，Q变成逻辑“0”。主动开关T打开，两个置位开关也打开。所有的集成电容器放电，直到，为下次的开关周期做准备。比较公式（9）和（12），我们可以假设：(13)在公式（7）中我们应该注意到是可以为任何波形，与成正比例的。因此，整流器的输入阻抗是纯阻抗，可以用等效电阻来代替。代入公式（10）和（13）可以得到：(14)可以推导出：(15)式中。因此，与控制电压成正比例。整流器的输入功率被变化的控制电压所控制，所以直流输出电压能被控制。把换能效率代入计算，一个低频大信号如图3所示，平且

8、可以获得一个反馈电路，是一个补偿器。用控制输出电流源来代替电源。则输出电压为：(16)式中R为负载电阻，vg,rms为vg