王琪，高田，王航宇

（1.西安工業(yè)大學電子信息工程學院，陜西西安710032；2.西北工業(yè)大學電子信息學院，陜西西安710072；3.西安航空職業(yè)技術學院電子工程系，陜西西安710089）

電力電子裝置的諧波污染是電力電子技術發(fā)展的一個障礙，因此，減小電力電子裝置，尤其是AC/DC整流器對電網的污染，改善網側電流波形，提高功率因數日益受到重視[1-2]。傳統(tǒng)的有源功率因數校正電路（APFC，active power factor corrector）可以把電源的輸入電流變換為與輸入市電同相位的正弦波，從而提高電器設備的功率因數，減少對電網的諧波污染[3]。但其電流控制需要乘法器以及檢測輸入電壓與輸入電流，控制電路復雜，乘法器的非線性失真也增加了輸入電流的諧波含量，因此，不帶乘法器的控制方式成為APFC研究中的一個熱點。90年代初期美國學者Keyue M Smedley提出了一種不需要乘法器的新穎控制方法即單周期控制[4]。單周期控制的理念是基于實時控制開關的占空比，使每個周期內開關整流器二極管輸出的脈沖波形的平均值恰好等于或者正比于控制參考量，平均輸入電流跟蹤參考電流且不受負載電流的約束，即使負載電流具有很大的諧波也不會使輸入電流發(fā)生畸變。因而將單周期控制技術應用于PFC整流器中可以實現低電流畸變和高功率因數，這種控制方法取消了傳統(tǒng)控制方法中的乘法器，使整個控制電路的復雜程度降低，是一種很有發(fā)展前景的控制方法。本文基于單周期控制原理，以IR1150為控制核心，設計一種200 W的功率因數校正電路，可把功率因數提高至0.98以上。

1 單周期控制原理

單周期控制是一種大信號、非線性PWM控制技術，它具有許多傳統(tǒng)控制方法無法比擬的優(yōu)點，如：較快的動態(tài)響應速度、良好的抗電源干擾能力以及開關誤差校正等。該控制技術的突出優(yōu)點是：無論是穩(wěn)態(tài)還是暫態(tài)，它都能保持受控量的平均值恰好等于或正比于給定值，即能在一個開關周期內，有效的抵制電源側的擾動，既沒有穩(wěn)態(tài)誤差，也沒有暫態(tài)誤差。這種控制技術可以廣泛應用于非線性系統(tǒng)的場合，比如脈寬調制、諧振、軟開關的變換器等。下面以Buck變換器為例來說明單周期控制技術的原理[5]。

圖1所示為單周期控制變換器原理圖。為分析方便，假定直流輸入電壓為νg，開關頻率fs為常數。其控制電路的工作原理如下：當開關S導通時，二極管截止，其兩端電壓Vd等于直流輸入電壓νg，當開關S關斷時，二極管D導通，其兩端電壓Vd為零。因此二極管上電壓的平均值為：

圖1 單周期控制Buck變換器原理圖Fig.1 Diagram of one cycle controlled Buck converter

電路開始工作時，由控制器產生恒定頻率的開關脈沖，開通開關S，二極管上的電壓νd經積分器開始積分，當積分器的輸出電壓νint達到給定值νref時，比較器輸出翻轉，觸發(fā)器發(fā)出關斷信號關斷開關S，同時發(fā)出復位信號使實時積分器復位為零。由上面分析，得出：

在單周期控制中，占空比D由下式決定：

采用單周期控制時νd電壓的平均值在每一個開關周期內都與νref完全相同，并且與輸入電壓的大小無關。

通過以上分析可知，采用單周期控制系統(tǒng)完全抑制了輸入電壓的干擾，具有良好的直流電壓調節(jié)特性，當開關頻率足夠高時，系統(tǒng)可以得到高質量的直流輸出電壓。這就是單周期控制的基本思想。

2 基于IR1150的單周期控制APFC設計

本文應用IR公司的PFC控制芯片IR1150進行設計[6]。設計的主要指標如下：交流輸入電壓：220 V±10%：；直流輸出電壓：380 V；輸出功率200 W；功率因數0.98；變換器效率≥90%。

電路如圖2所示，拓撲為BOOST結構。這種PFC變換器適用于國際通用的AC線路輸入，DC輸出為380 V，用作開關電源或電子鎮(zhèn)流器的前端電路。C2用于高頻電感電流旁路，從而得到低頻（50 Hz或60 Hz）平均電流（即AC輸入電流）?？紤]到市電輸入的電流不穩(wěn)定性，為保護整個系統(tǒng)不會因過大的沖擊電流燒毀，采用250 V/3 A的保險絲。IR1150引腳2上的R2（75 kΩ）用作設置開關頻率（100 kHz），RS1（0.1Ω）為電流檢測電阻器。IR1150引腳3上的R1和C4組成預濾波電路。IR1150引腳5上的R4和C5、C6提供電壓環(huán)路補償。由R9、R10和R11組成的電阻分壓器用作輸出電壓反饋采樣。在正常工作狀態(tài)下，饋入VFB引腳的電壓VFB為7 V（等于VFB引腳內部電壓誤差放大器同相端上的參考電壓VREF）。由R12、R13、R14組成的電阻分壓器用作輸出過電壓保護取樣。IR1150引腳4上的過電壓保護門限電平為7.385 V（即105.5%VREF）。當PFC升壓變換器輸出電壓超過412 V時，反饋到IR1150引腳4上的電壓就會超過7.385 V的閾值電平,器件則進入過電壓保護模式。IR1150的VCC電壓（15～20 V）可以從電感器L1的附加繞組和二極管組成的輔助電源獲得。

圖2 基于IR1150控制的200 W APFC電路原理圖Fig.2 200W APFC circuit controlled by IR1150 IC

主要功率元件參數計算如下：

1）升壓電感計算功率開關占空比取決于輸入電壓最小值峰峰值VIN（PK）min（取為198VAC）

2）輸出電容計算輸出電容設計通常取決于延遲時間。根據工程經驗，延遲時間取30 ms。則最小輸出電容容量為：

實際電容容量取值為：Cout=220 μF

3）功率開關管計算開關管的選擇應考慮實際流過的電流值乘以1.5～2倍裕量，管子的耐壓為電路輸出電壓乘以1.5～2倍的裕量，根據設計指標，選用4 A、600 VMOS管IRFP460。

3 試驗

在交流輸入為220 V，輸出功率200 W的條件下，用示波器測量交流輸入電壓、電流波形如圖3所示。

圖3 交流輸入電壓（V）、電流（A）波形Fig.3 Waveform of ac input voltage（V）and current（A）

示波器通道1（縱軸）采集的是輸入電壓，通道2(縱軸)采集的是輸入電流，橫軸為時間（10 ms/格）。交流輸入電流基本為正弦波形，與電壓波形幾乎同相。在輸出功率200 W的情況下，其輸入電流與電壓波形相位變化最大為1.06°。經計算位移因數為：0.99。功率因數提高到0.987，總諧波失真THD僅約4%，符合IEC1000-3-2標準要求，變換器效率達到92%。在198 V～242 V的輸入電壓范圍內得到類似的結果，可見該電路基本消除了諧波對電網的污染[7]。

4 結論

通過上述實驗可以看出，應用單周期控制可以很好的實現功率因數校正。在某半橋結構的鉛酸電池充電系統(tǒng)中增加了利用IR1150芯片設計的功率因數校正電路后，明顯地提高了系統(tǒng)的功率因數，在保持原輸出功率不變的情況下，輸入回路的峰值電流可下降40%左右，從而提高了元件的利用率。同時，系統(tǒng)的EMC指標也得到了改善，達到了GB17625.1-1998所規(guī)定的標準。

[1]張占松,蔡宣三.開關電源的原理與設計[M].電子工業(yè)出版社,1998.

[2]楊旭，裴元慶，等.開關電源技術[M].北京:機械工業(yè)出版社，2004:206-262.

[3]劉勝利.現代高頻開關電源實用技術[M].北京:電子工業(yè)出版社,2001.

[4]Smedley K M,Cuk.S.One-cycle control of switching converter[J].IEEE Trans on Power Electronics,1995,10(6):625-633.

[5]Brown,R Soldano.M PFC Converter design with IR1150 one cycle control IC[Z].International Rectifier,2005.

[6]International Rectifier.IR 1150 Demo Board Users Guide[Z].2002.

[7]劉華伸.多補償繞組多調諧濾波器的研究[J].陜西電力,2009,37（4）:15-19.

LIU Hua-shen.Study on multi-tuned filter with multiple compensation windings[J].Shaanxi Electric Power,2009,37（4）:15-19.