PFC電路的雙閉環(huán)控制

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。 基本上功率因數(shù)可以衡量電力被有效利用的程度，當(dāng)功率因數(shù)值越大，代表其電力利用率越高。

功率因數(shù)是用來衡量用電設(shè)備用電效率的參數(shù)，低功率因數(shù)代表低電力效能。為了提高用電設(shè)備功率因數(shù)的技術(shù)就稱為功率因數(shù)校正。

PFC 基本電路及控制機(jī)理

開關(guān)電源的功率因數(shù)定義為輸入有功功率與輸入視在功率的比值 ，而一般的整流濾波電路只在輸入電壓的峰值處有脈沖電流 ，即只在輸入電壓的峰值處獲得電能 ，這種脈沖電流含有大量的諧波分量 ，它們產(chǎn)生大量的無功功率 ，導(dǎo)致設(shè)備的功率因數(shù)很低 ，一般在 017 以下 ，功率因數(shù)校正電路的基本原理就是使設(shè)備在整個(gè)正弦周期內(nèi)獲得電能而不是局部 ，并且通過調(diào)整周期內(nèi)能量的分布使得輸入電流呈與輸入電壓同相的正弦波形 ， 圖 1 是功率因數(shù)校正基本電路。

基本 PFC 電路的核心是電流控制環(huán) ，它由一個(gè)電流誤差放大器 ，一個(gè) PWM 比較器 ，一個(gè)乘法器以及高頻提升電路組成 ，它迫使輸入電流跟蹤輸入電壓波形而呈正弦波形。

電流 IPR （它正比于輸入整流電壓） 和誤差放大器輸出電壓 VEAOU T在乘法器中相乘 ，產(chǎn)生電流 IMO ，通過電阻 Rc ，在其上產(chǎn)生一個(gè)電壓 ， （它具有與輸入整流電壓相同的波形） ，輸入電流 IL 通過取樣電阻 RS 產(chǎn)生一個(gè)電壓 VS ，它與 RC 上的電壓相減后加在電流誤差放大器的輸入端 ，由于電流環(huán)是無差的 ，它必將迫使 RC 和 RS 上的電壓差等于 0 ，即迫使主回路電流跟蹤輸入整流電壓的波形 ，呈正弦波整流波形 ，因而輸入電流就呈正弦波形 ，這一結(jié)果的實(shí)現(xiàn)是靠 PWM 開關(guān)電路來完成的 ，電流誤差放大器輸出電壓與一個(gè)三角波電壓在 PWM 比較器中比較后產(chǎn)生一個(gè) PWM 觸發(fā)脈沖 ，去驅(qū)動(dòng) MOSFET ，脈寬調(diào)制的高頻開關(guān)電流在提升電感 L 的作用下全周期向負(fù)載提供電能 ， 而不是象普通整流電路那樣 ，只在電壓峰值時(shí)提供電能。

有代表性的 PFC 產(chǎn)品是 UNITRODE 公司的 UC3854 和 MICROLINEAR 公司的 ML4821 ，后來又出現(xiàn)軟開關(guān)型控制芯片 UC3855 和 ML4822。從控制系統(tǒng)的角度來看 ，這些控制芯片組成的 PFC 電路都不外乎是一個(gè)電壓 - 電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng) ， 其中包含一個(gè)關(guān)鍵部件 ———模擬乘法器。

2 電流控制環(huán)

雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)是一個(gè)電流控制環(huán) ， 它由電流調(diào)節(jié)器、PWM 比較器和功率轉(zhuǎn)換電路組成 ，其作用是迫使輸入電流跟蹤輸入電壓的波形?？蓪?dǎo)出電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖如圖 2 所示。

可見這是一個(gè)二階無差系統(tǒng) ，它可以無差地跟蹤正弦波輸入函數(shù) ，從而使輸出電流 IL 無差地跟蹤 LMO的波形。

3 電壓控制環(huán)雙

閉環(huán)控制系統(tǒng)的外環(huán)是一個(gè)電壓控制環(huán) ， 其作用是使輸出電壓保持在高于輸入電壓峰值的電平上 ，這是 PFC 所必需的 ，并且可以起到穩(wěn)定輸出電壓的作用。

包含電流環(huán) ，乘法器在內(nèi)的電壓環(huán)結(jié)構(gòu)圖如圖 4 所示。

前向通道傳遞函數(shù) ： GVOL 由于電流環(huán)是無差的 ，

得電壓環(huán)結(jié)構(gòu)圖如圖 5 所示。

PFC 芯片中都有一個(gè)電壓放大器 VA ，由它組成如圖 6 所示的積分調(diào)節(jié)器。

可見 ，這是一個(gè)一階無差系統(tǒng) ，它可以無差地跟蹤單位階躍函數(shù) ，因此 ，對(duì)于給定 VREF （定值） ， 輸出是穩(wěn)定不變的。

4 乘法器

乘法器是 PFC 芯片中一個(gè)關(guān)鍵部件 ， 在 ML4821 中 ，乘法器輸出 IMO為

電流環(huán)的給定 ，使系統(tǒng)既跟蹤輸入電壓波形又穩(wěn)定輸出電壓。由電流環(huán)可知 ， IL 無差地跟蹤了 IMO ，而 IMO中含有 VEAOU T和 ISINE的乘積且 ISINE = VIN/ RL ，故 IMO與輸入整流電壓 VIN波形相同 ， 因此 ，輸入電流 IL 具有與 VIN相同的波形。

另一方面 ，由 （ 10） 式可知 ，引入乘積項(xiàng) 1/ V 2 RMS可抵消輸入電壓 V 2 RMS對(duì) GVOL的影響。

5 結(jié)束語

本文給出了 PFC 電路的雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)圖及各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù) ，對(duì)于一個(gè)具體的實(shí)際 PFC 電路 ，可用傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì) ，筆者用 ML4821 設(shè)計(jì)了一個(gè) 3 Kw 的 PFC 整流器 ，效果良好。