基于平均电流的双闭环APFC电路的设计

梁永清，李占龙，杜承蔚，韦淦予

（广西大学 电气工程学院，广西 南宁 530004）

有源功率因数校正（APFC）技术是在整流和滤波电容之间增加DC/DC开关变换器。通过一定的控制策略使电网输入端的电流波形逼近正弦波，并与输入的电网电压同相位。

CCM模式下Boost变换器的平均电流控制策略是目前应用最多的控制方式。将输入电压信号与输出电压误差信号相乘后作为乘法器的两个输入来控制电流控制器，而电流控制器控制输入电流按给定信号变化。UC3855是一种定频平均电流模式功率因数预调节器，将零电压过渡(ZVT)技术应用于有源功率因数校正前置变换器中，有效地降低了升压MOSFET的开通损耗和二极管的反向恢复损耗，减小了EMI，显著提高变换器的开关频率，获得了更高的效率[1-2]。

1 平均电流型Boost APFC结构与控制原理

1.1 设计指标

最大输出功率：PO=1.5 kW；输入电压范围：160~270 V；频率：47~65 Hz；功率因数：PF>0.99；波形畸变：THD<5%；输出电压:400 V；开关频率 fs：50 kHz。

1.2 主电路

由单相桥式整流器和DC-DCBoost变换器组成。控制电路由电压误差放大器、参考电压、电流误差放大器、乘法器、PWM调制器和驱动器组成。采用平均电流型功率因数校正专用控制芯片UC3855。电路结构如图1所示。

1.3 控制电路

由稳压控制环（外环）与输入电流波形控制环（内环）组成。两个控制环路通过乘法器联系在一起，电流乘法器实际上是一个工作频率正比于正弦线电压频率的电流源。该电流源充当PWM比较器的基准信号，并与回路电流信号进行比较，将其误差转换成驱动高频开关管V的一系列脉冲控制信号，如图2所示。使输入电流波形正弦化，与输入电压波形同相位[2]。

1.4 乘法器设置

图1 功率因数校正电路结构图Fig.1 The structure diagram of power factor correction circuit

图2 平均电流控制的升压电感电流波形Fig.2 Boosting inductive current waveform by average current control

乘法器是功率因数校正电路的核心，其输出信号通过流环来控制输入电流从而得到高的功率因数。乘法器有3个输入：标准电流Iac、输入的前馈电压Vrms、电压误差放大器的输出电压 Vaout。 乘法器输出电流

2 功率因数校正电路双闭环系统的设计

2.1 电流环设计

2.1.1 电流环传递函数推导

电流控制环由功率级、PWM比较器、电流调节器组成，电流环结构图如图3所示。

图3 电流环控制系统框图Fig.3 The block diagram of current loop control system

（DON（s）为占空比信号，V0为输出电压，VS（S）为取样电阻RS上电压）

将机电一体化技术应用到工程机械设备中，通过该技术的信息控制系统，可对机械的作业过程进行自动化控制，如此一来，极大地提高了作业的精准度。例如，将机电一体化技术应用到沥青的摊铺机中，就可以实现自动找平、自动供料，不仅提高了施工的质量，也提高了施工的效率。可以说，通过机电一体化技术的应用，基本上实现了工程机械的半自动化 操作，进一步降低了人工操作中出现的误差现象，提高了施工作业的精准度，满足了现代工程施工的要求[3]。

电流环总开环传递函数：

2.1.2 电流误差放大器的补偿

（式中，V为直流输出电压，Vs为振荡器三角波的峰-峰值）。

Rcz取 20 kΩ，Rci取 1.5 kΩ。在剪切频率处放置零点，CCZ=1/（2πfciRcz）=500 pF，Ccz选择稍大一点可为系统提供稍大一点的相角裕度。在电流误差放大器的开关频率处放置一个极点，使系统有较好的抗干扰性

2.1.3 电流环幅频、相频特性

系统电流环的Bode图由Matlab仿真软件做出。如图4所示。

从图中可看出，电流环截止频率高，系统响应快，使输入电流快速跟踪电压变化，中频段以－20分贝/十倍频程穿过零分贝线，满足系统稳定性要求[3-4]。

2.2 电压环设计

电压控制环由电压误差放大器和升压级组成，电压环结构图如图5所示。

图4 电流环幅频、相频特性Fig.4 The characteristic curves of current loop magnitude-frequency and phase-frequency

图5 电压环控制系统框图Fig.5 The block diagram of voltage loop control system

2.2.1 电压环传递函数推导

1）升压级传递函数包括乘法器、除法器、平方器在内的升压级增益。

式中PIN为平均输入功率，ΔVVEA为电压误差放大器范围，V0为输出直流电压。

3）电压控制环开环传递函数：

2.2.2 电压误差放大器的补偿

对电压环的要求是使输入失真达到最小。环的频宽要小，足以衰减输出电容上的二次线频谐波成分，使其对输入电流的调制信号比较小。但电压误差放大器又必须有足够大的相移，使调制量和输入电压同相位。

RVI取 660 kΩ， 选择反馈电容 CVF=1/（2π frRVIGva），取0.047μF，这样相角裕量度会增大，增加的失真度会很小。电压环的剪切频率RVF=1/（2π fVICVF）=220 kΩ （式中 Pin为平均输入功率，C0为输出电容的容抗，ΔVrea为电压误差放大器输出电压的范围，V0为直流输出，fr为纹波电压的频率）。

2.2.3 电压环幅频、相频特性

图6为系统电压控制环的Bode图。 图中电压环的穿越频率为75 Hz，与开关频率相比非常小。电压误差放大器用电容以负反馈来减慢响应速度，保证电流基准信号波形稳定。剪切频率附近相位裕量大概为50度，较好地满足系统稳定性了要求；系统增益在高频段以-40 dB/dec的斜率衰减，使系统拥有较强的抗干扰能力。系统的动、稳态性能良好，验证了计算的正确性[2，5]。

图6 电压控制环幅频、相频特性Fig.6 The characteristic curves of voltage loop magnitude-frequency and phase-frequency

3 Boost PFC电路实验波形

在前述基础上，安装制作了一台1.5 kW的带功率因数校正的DC/DC变换器实验装置，对其运行特性进行了测试，主要检测APFC电路输入电压和电流的波形。图7~9分别为重载、半载、轻载时输入电压与输入电流的波形。可以看出，加入有源功率因数校正后，电路的输出电压保持恒定，电流跟踪电压变化。

图7 重载时输入电压和电流波形Fig.7 The waveforms of input voltage and current with heavy load

图8 半载时输入电压和电流波形Fig.8 The waveforms of input voltage and current with half load

根据接入APFC后不同负载情况下输入电压电流波形。由图可以看出，开关频率相同时，重载的电流波形比轻载时电流波形毛刺少，更接近正弦化，即重载时的校正效果要好于轻载。原因是重载时主开关管的触发脉宽大于轻载时的主开关管的触发脉宽，频率不变，脉宽越宽，采样时间越长，输入电流对输入电压的跟踪效果就越好，校正效果也就越好[6-7]。

图9 轻载时输入电压和电流波形Fig.9 The waveforms of input voltage and current with light load

4 结束语

功率因数校正是减小谐波干扰、实现“绿色电源”的重要手段。本文基于UC3855设计了APFC变换器。通过MATLAB对电压误差放大器、电流误差放大器进行了仿真。最后通过实验装置测出了不同负载下输入电压和输入电流的波形，可以看出加入有源功率因数校正后，电路的输入电压与电流保持同相位，大大提高了功率因数。

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