峰值电流控制的单相BOOST PFC变换器工作原理分析

滨江学院

题 目

学年论文

峰值电流控制的单相BOOST PFC变换器工作原理分析院 系 滨江学院 专 业 电气工程与自动化 学生姓名 徐小松 学 号 20072340061 指导教师 毛鹏 职 称 讲师

二Ｏ一一年 二 月 十八 日

峰值电流控制的单相BOOST PFC变换器工作原理分析

徐小松

南京信息工程大学滨江学院电气工程与自动化，南京 210044

摘要：传统的电压型控制是一种单环控制系统，是一种有条件的稳定系统。因而出现了双环控制系统即电流型控制系统。从原理、应用方面系统地论述了单相PFC变换器中电流型控制的发展，阐述了各种控制方法的优缺点。峰值和平均电流型控制是单相PFC中应用最频繁的两种电流控制方法。因而对这两种方法的讨论得出一些结论。 关键词： BOOST变换器 ，功率因数PFC，峰值电流控制，平均电流控制

1 引言

峰值电流模式控制简称电流模式控制。它的概念在60年代后期来源于具有原边电流保护功能的单端自激式反激开关电源。在70年代后期才从学术上作深入地建模研究。直至80年代初期，第一批电流模式控制PWM集成电路（UC3842、UC3846）的出现使得电流模式控制迅速推广应用，主要用于单端及推挽电路。近年来，由于大占空比时所必需的同步不失真斜坡补偿技术实现上的难度及抗噪声性能差，电流模式控制面临着改善性能后的电压模式控制的挑战。误差电压信号送至PWM比较器后，并不是象电压模式那样与振荡电路产生的固定三角波状电压斜坡比较，而是与一个变化的其峰值代表输出电感电流峰值的三角状波形或梯形尖角状合成波形信号UΣ比较，然后得到PWM脉冲关断时刻。因此(峰值)电流模式控制不是用电压误差信号直接控制PWM脉冲宽度，而是直接控制峰值输出侧的电感电流大小，然后间接地控制PWM脉冲宽度。

2 Boost变换器及其工作原理

工程中常用的升压（Boost）变换器的原理图如图1所 示[5][6]，其中Vi为输入直流电源，Q为功率开关管，在外部脉冲信号的激励下工作于开关状态，Q导通，输入电流流经电感L和开关管Q，电感L储能； 开关管Q截止时，二极管D导通，直流电源Vi和电感L同时向负载R供电，输入电流经电感L、二极管D流向负载R，同时给电容C充电，电感L释放能量，在理 想情况下，该电路输出电压：

v?out??11?dvi

LDViQCRVout

图1 BOOST变换器

式中D为Boost变换器的占空比，因为占空比D<1，所以V（out）>Vi，故称升压式换器。Boost变换器的工作模式分为电 感电流连续工作模式（CCM）和电感电流断续工作模式（DCM），所不同的是电流断续模式比电流连续模式多出一个电感电流为零的工作状态。Boost变换 器的工作状态如图2所示。

LILCQRVoutLILDVoutLDRVoutViViCRViQC(a)开关状态1（Q导通）(b)开关状态2（Q关断）（c）开关状态3（电感电流为零）

图2 BOOST 变换器的工作状态

3 PFC变换器的工作原理及实现方法 3.1 PFC变换器工作原理分析

首先给出相关术语的基本定义：

功率因数（PF）是指交流输入有功功率（P）与输入视在功率（S）的比值。即 PS?PS?V1I1cos?V1Irms?I1cos?Irms??cos? （1）

式中：I1 表示输入基波电流有效值

Irms 表示输入电流有效值 ??I1Irms 表示输入电流失真系数

? 表示基波电压与基波电流之间的相移因数 cos

所以功率因数可以定义为输入电流失真系数（?）与相移因数（cos?）的乘积。

oc可见功率因数（PF）由流失真系数（?）和基波电压与基波电流之间的相移因数（cos?）。s?低

则表示用电电器设备的无功功率大，设备利用率低，导线、变压器绕组损耗大。同时，电流失真系数?值低，则表示输入电流谐波分量大，将造成输入电流波形失真，对电网造成污染[2]。 功率因数与总谐波失真系数（THD）的关系： 由 PF?PS?V1I1cos?V1Irms?I1cos?Irms?I1cos?? （2）

?I12n??I及 THD=

22nI1 （3）

有

I1??2n11?TDH2 （4）

?I1即 PF?11?TDH2cos? （5）

因此，提高功率因数可以大大减少输入线路的谐波失真，提高电源的利用率。

3.2 功率因数校正的实现方法

功率因素的定义，PF??cos?可知，要提高功率因素有两个途径： 1.使输入电压、输入电流同相位。此时cos??1，PF??。

2.使输入电流正弦化。即Irms?I1（谐波为零），有I1Irms?1即PF??cos??1

从而实现功率因数校正。利用功率因数校正技术可以使交流输入电流波形完全跟踪输入电压 波形，使输入电流波形成正弦波，并且和输入电压同相位

4.峰值电流控制的PFC BOOST变换器的工作原理

基于峰值电流控制的PFC BOOST变换器的电路框图如图3所示。

vinLD+QViCvR—PvcpiSSETQVOUT 图3 基于峰值电流控制的BOOST PFC变换器原理图

为实现PFC功能与输出电压的稳定调节，图中ui为正弦交流输入电压，其幅值为um,周期为T，角频率为

?，i为流过电感 L的电流,u为电容C两端电压；iref 为i 的参考电流；uin 为桥式整流输出电压；uref为u的参考电压；pv 和pe分别为输入电压前馈增益和输出电压反馈误差增益；开关管s的占空比为d时钟脉冲周期为Ts 。控制电路由2个闭环组成，在电流内环，电感电流i和参考电流iref比较后作为开关管S 的控制信号。在稳态时，输出电压是脉动很小的直流电压，而参考电流由输入电压采样信号和输出电压误差信号的乘积提供，因此参考信号是正向半波正弦信号。当电流内环控制电感电流跟踪参考电流变化时，就可以使系统达到近似单位功率因数。电压外环的主要作用是减少输出电压纹波，保持输出电压稳定。根据开关管S与二极管D的工作状态，得到变换器的3中工作模式为； 工作模式1，当S导通与D关断，此时有

-iref+RCLRQ乘法器PcVref

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