基于ML4803的兩級PFC變換器研究

摘要：兩級功率因數校正(PFC) 變換器因其較高的功率因數而廣泛應用于功率因數校正場合。近年來，隨著PFC/PWM 復合控制芯片的應用，兩級功率因數校正技術得到了很大的發展。傳統兩級PFC 采用后緣/ 后緣調制方法( Trai2ling Edge Modulation / Trailing Edge Modulation ，TEM/ TEM) 。而現今廣泛使用前緣/ 后緣調制方法(Leading Edge Mod2ulation / Trailing Edge Modulation ，L EM/ TEM) 可有效減小流經連接前級PFC 和后級DC/ DC 階段的直直連接電容的電流有效值，但尚未有詳細的理論推導。文章在兩種調制方法下對流經直直連接電容的電流有效值進行了詳細的理論分析，并給出了仿真驗證。最后，利用復合控制芯片ML4803 設計了一臺具有功率因數校正功能的兩級PFC 變換器，對理論仿真分析進行了實驗驗證。

　　0 　引　言

　　近年來，隨著電力電子設備(非線性設備) 的廣泛使用，導致電網電源輸入電流含有大量諧波，造成電源品質惡化，電源污染越來越嚴重。為了抑制諧波及降低電磁污染，功率因數校正(PFC) 技術正成為電力電子技術研究的重要領域。目前，PFC 技術有單級和兩級之分，單級PFC 變換器主要應用于中小功率場合，電路結構簡單，成本低廉，但PF 值較低。兩級PFC 變換器是在整流濾波和DC/ DC 功率級之間串入一個有源PFC 電路作為前置級，具有PF 值高、PFC 級輸出電壓恒定等優點，適用于中大功率場合的應用。但是兩級PFC 結構需要兩套控制電路，增加了變換器成本、重量以及復雜度。近年來，隨著PFC/ PWM 復合控制芯片的發展，兩級PFC 變換器得到了很大的發展。

　　在兩級PFC 變換器中， 連接前級PFC 和后級DC/ DC 的直流連接電容占整個變換器的很大一部分體積，傳統兩級PFC 常用的后緣/ 后緣調制方法不利于減小直流連接電容的大小。現今廣泛使用的前緣/后緣調制方法可有效減小直流連接電容的紋波電流和紋波電壓，但是一直未有詳細的理論推導。本文在兩種調制方法下對直流連接電容的紋波電流進行了詳細的理論推導和仿真，證明了前緣/ 后緣方法的有效性。最后，通過使用復合控制芯片ML4803 進行了兩級功率因數校正的實驗，其前級采用平均電流控制模式的Boost 型PFC 電路，以提高電源的功率因數值;后級采用雙管正激PWM 電路，實現DC2DC 變換功能。

　　1 　兩級PFC中直流連接電容的分析

　　在如圖1 所示的兩級PFC 變換器結構中，前級PFC 屬于有源濾波，使輸入電流與輸入電壓波形、相位一致， 提高功率因數， 減小諧波畸變率， 常采用Boost 電路做PFC 電路。后級DC/ DC 起隔離和電壓變換的作用。在傳統兩級PFC 電路中，通常對PFC和DC/ DC 部分各自進行獨立控制，現在多將PFC 與DC/ DC 的控制相結合。

圖1 　兩級PFC變換器結構框圖

　　交流220 V 輸入時，經前級Boost PFC 電路后，輸出電容電壓的預設值較高，接近400 V 左右。且為保證功率校正電路的輸出電壓Uc紋波小，直流連接電容C1 的電容值較大。我們知道，電容的體積與電容值以及耐壓值成正比，大體積的電容將導致整個兩級PFC變換器體積龐大。因此減小直流連接電容的體積有利于減小整個變換器的體積。

　　同步即要使前級功率開關管的導通與后級功率開關管的關斷同時進行，需在前級PFC 階段采取前緣調制(L EM) 方法， 后級DC/ DC 階段采取后緣調制( TEM) 方法。正確的同步前后兩級，能有效地減小直流連接電容的紋波電流和紋波電壓，進而減小直流連接電容的體積。

　　圖2 (a) 為前緣調制，功率開關管在每個開關的時鐘周期開始時關斷，當誤差放大器電壓輸出信號與斜坡調制信號相等時，開關管開通，并且一直保持到當前周期結束。圖2 (b) 為后緣調制，功率開關管在每個開關周期的時鐘周期開始時開通，當誤差放大器電壓輸出信號與斜坡調制信號相等時，開關管關斷，直到當前時鐘周期結束。

圖2 　兩種調制方法

　　在兩級PFC 的傳統控制方案中， PFC 級與DC/DC 級均采用后緣調制，即在時鐘開始時同時導通前后兩級的功率開關管。此時，當變換器處于前級開關管關斷、后級功率開關管也關斷狀態時，前級PFC 階段將出現一個瞬間的無負載狀態，此時電容紋波電流最大，補償網絡設計困難。

　　2 　兩種調制方法下直直電容紋波電流推導

　　下面在PFC 和DC/ DC 兩級均工作在相同開關頻率的條件下，對兩種調制方法下電容電流有效值的大小進行詳細的理論分析。

　　圖3 為設計的兩級PFC 電路原理圖， 前級為Boost PFC 電路，后級為雙管正激DC/ DC 電路。

圖3 　兩級PFC變換器原理圖