基于自主均流技术的功率因数校正电路的研究*

蒋　林，王海唐，吴　俊

（西南石油大学 电气信息学院，四川 成都 610500）

基于自主均流技术的功率因数校正电路的研究*

蒋林，王海唐，吴俊

（西南石油大学 电气信息学院，四川 成都 610500）

针对现有的功率因数校正电源模块（PFC）直接并联后均流精度差的问题，提出一种基于自主均流技术的功率因数校正电路。该策略在电源模块的输出端引入负电压采样电路和自主均流电路，实现了功率因数校正电源模块的自动均流，提高了电源模块并联后的均流精度。基于Saber仿真软件搭建了基于自主均流技术的功率因数校正电路。仿真结果不仅验证了该电路的有效性，而且也表明了电源模块的均流精度在轻载并联时能控制在5%以内。

均流精度；功率因数校正电源；自主均流

0　引言

均流技术是解决在现有功率器件受限的情况下，增加电源的输出功率和减少研发成本的有效手段。特别是在通信电源、电镀电源和雷达电源等上得到了广泛的应用[1-3]。

现有的均流技术主要分为：自主均流技术和主从均流技术。从本质上讲，电源的均流都是通过调整输出电压来达到均流的目的。电源模块在并联运行的过程中，很小的输出电压都会引起输出电流的巨大变化，所以必须限制电源模块的输出电压调节量[1]。

AC/DC功率变化电路在工业中得到了广泛的应用，但随着大量整流电路的应用，给电网造成了很大的谐波污染，影响电网的稳定运行。现有治理谐波的方法有集中治理和分布治理，最好的方式都是通过有源功率因数校正（PFC）电路实现源头治理[4]。功率因数校正电路一般采用Boost电路作为电源的主拓扑，所以电源的效率非常高（大于 96%），高功率密度的功率因数校正电源模块在国外应用得很成熟，国内还处于起步阶段。由于军备国产化的要求，国内许多电源模块厂家开始研究功率因数校正电源模块。国内推出的功率因数校正电源模块大多只能单模块运行，不能多电源模块并联运行。本设计利用自主均流技术来实现功率因数校正电源模块的并联运行，对增大电源输出功率、减少研发成本和缩短研发周期等有重要意义[2]。

1　PFC校正电源设计

功率因数校正电路设计的两个关键是高频率开关和高功率密度，但是这本身是相互矛盾的，高频率会增大开关损耗，影响电源散热，进而影响电源功率密度。在实际应用中，功率变换系统的安放空间是首要考虑的问题，而效率是其次的。因此，在电源设计时对高功率密度的重视程度要超过高工作频率。

通常，根据电感中电流的波形，功率因数校正电源有 3种工作模式：连续电流工作模式（CCM）、临界电流工作模式（BCM）和断续电流工作模式（DCM）。有研究表明，在许多小功率应用中，基于 Boost功率因数校正电路运行于临界电流工作模式或断续电流工作模式。这是因为对于CCM工作模式，需要对电感电流进行精确的采样，然而对于BCM和DCM来说是不需要精确采样的。对于临界电流工作模式来讲，需要在电感上额外添加一个副边绕组来检测电流的过零点，然而对于DCM来说，这个电流过零检测是完全不需要的。

一般处于临界或断续电流工作模式的功率因数校正电源小于500 W，而本文所设计的电源功率为2 kW，所以选用连续电流工作模式[4]。本文利用交错并联技术来设计单电源模块的主电路，其电路结构如图1所示。此电路不仅可以提高电源的输出功率，也能减小电源的输出纹波，并能防止电源出现次谐波震荡。

图1　两项交错式的BOOST功率因数校正电路结构

在设计中，最为主要的是储能元件和开关器件的选择。开关器件的选择应满足足够的电压和电流裕量，更低的功耗。储能器件的选择影响到电源的功率、动态响应和冲击响应等，下面给出储能器件的选择原则。

1.1电感的设计

BOOST变换拓扑中电感的设计是十分重要的，已经在大量的文献中予以讨论。设计的第一步是确保功率因数校正电路正常运行所需要的电感量，这就必须要求即使在最大功率的运行状况下，电感也不能够达到饱和状态。基于连续电流工作模式下的电感选择可以根据下式计算[8]：

式中，UO为电源输出的直流电压；fS为开关管的工作频率；△Ipk为电感电流的峰峰值，依靠电感电流的平均值(Iavg)来进行设定：

然后，磁性的材质和尺寸都必须满足匝数和温度的要求。在实际应用中，由于铁氧化体磁性材料的高频损耗低，在开关电源中得到了广泛的应用。图2给出了电感的设计步骤。

图2　BOOST电路中电感的设计步骤

1.2滤波电容的设计

输出滤波电容决定了电源的功率密度和功率等级，由于直流母线上的电压为一个直流电压叠加一个幅值很小的交流纹波电压。纹波电压由输出的功率Po和交流电源的输入频率 ω决定[8]：

为了确保功率因数校正电路的正常运行，设计参数必须要满足以下两个条件：

(1)输出电压 uo必须大于输入电压的最大值，这是为了确保功率因数校正电源的输入电流波形跟随输入电压波形的变化而变化。

(2)输出电压 uo必须小于电容、开关管和二极管的最大耐压值，这样才能确保功率因数校正电路的安全运行。

这样就规定电容的最小容量要求和最小耐压要求。

1.3基于BOOST的PFC电路数学模型

基于平均电流控制模式，电源系统的动态数学模型为：

令D′=1-D，假设占空比(D)不变的情况下，可得到系统输出电压UO(s)对输入电压Vi(s)的传递函数为：

假设输入电压(Vi)不变的情况下，输出电压 UO(s)对系统占空比D(s)的传递函数为：

2　电源均流方案设计

要实现电源的均流控制，首先要对电流进行精确的采样。目前最简单的方法是通过电阻取样，测量电阻两端的电压来检测电流的大小。为了降低损耗，一般采样电阻为毫欧级，这就要求对取样电压进行放大处理，同时要求运算放大的偏置电流极低。因此，我们选用LTC6102作为电流的放大器，并设计单电源供电，其中电流采样电路和放大电路分别如图3、图4所示。

在取得电流信号之后，讨论均流电路的设计。在设计时，选用UCC29002作为自主均流控制芯片，最为重要的输出电压调节量和均流环带宽。自主均流技术时，需要将每个电源的均流线LS连在一起，每个电源模块会主动跟随LS最大的电源模块运行，如图5所示。

图3　电流采样电路图

图4　电流放大电路

图5　多电源并联应用

首先，由于UCC29002的最大可调节电流为6 mA，采用二极管隔离输出，输出电压的调节量需要大于10 V以上，则采样回路的调节电阻为：

其次，均流带宽的确定。因功率因数校正电路的电压外环带宽一般为15～20 Hz，那么均流带宽必须设置在此带宽的1/5处。这样不仅能够保证系统的快速动态响应，也保证了系统的均流精度。图6给出了电流闭环控制的结构框图，其中电流采样反馈为比例大惯性环节，而对环路的补偿采用比例积分环节G(s)来完成。

图6　电流闭环控制框图

于是，整个电流环的开环传递函数为：

在补偿器的设计中，必须要保证均流环系统的开环传递函数的截止频率在3 Hz以内，要预留出足够的相位余量（需大于45°）。

均流精度是衡量均流电路的重要指标，以两个电源并联为例，均流精度定义为：

式中：η为均流精度，I1和 I2代表两模块的输出电流。

3　仿真结果及分析

利用 saber仿真平台，搭建了基于自主均流技术的功率因数校正电路仿真模型，如图7所示。当进行单个电源仿真时，直接采用图7所示的仿真模型；当进行多个电源并联仿真时，需要将图7中单电源的输出端口并联，并且每个电源模块的LS端口连在一起。均流控制电路如图8所示，单个电源仿真参数如表1所示。

图7　基于自主均流技术的功率因数校正电路仿真模型

图8　均流控制电路

表1　单个电源的仿真参数

当采用单个电源运行时，仿真结果如图9所示。由图可知，单个电源能够可靠稳定地运行。

图9　单电源仿真的输入侧波形

当采用两个电源并联运行时，分别在负载为30%、50%和100%进行仿真研究，仿真结果如表2所示。由表2可知，在负载超过30%以后，均流精度小于5%。

表2　两电源模块并联时的电流仿真结果

4　结论

通过理论分析和仿真实验表明，本文所设计的PFC校正电路及控制电路和均流电路均可行，且并联电源在轻载运行时的电流均流精度小于5%，满足工程实际应用要求。

[1]张军明，谢小高，吴新科，等.DC/DC模块有源均流技术研究[J].中国电机工程学报，2005，25(19)：31-36.

[2]丘东元，张波，韦聪颖.改进式自主均流技术的研究[J].电工技术学报，2005，20(10)：41-47.

[3]高玉峰，胡旭杰，陈涛，等.开关电源模块并联均流系统的研究[J].电源技术，2011，35(2)：210-212.

[4]姚凯.高功率因数 DCM Boost PFC变换器的研究[D].南京：南京航空航天大学，2010.

[5]FIGUEIREDO J P M，TOFOLI F L，SILVA B L A.A review of single-phase PFC topologies based on the boost converter[C].IEEE/IAS International Conference on Industry Applications，2010：1-6.

[6]杨喜军，陈红平，叶芃生.单相有源 AC-DC变换器的综述[J].变频器世界，2005(2)：11-16.

[7]DAS P，PAHLEVANINEZHAD M，DROBNIK J，et al.A nonlinear controller based on a discrete energy function for an AC/DC boost PFC converter[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2013，28(12)：5458-5476.

[8]NUSSBAUMER T，RAGGL K，KOLAR J W.Design guidelines for interleaved single-phase boost PFC circuits[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics，2009，56(7)：2559-2573.

Research on power factor correction circuit based on autonomous current sharing technique

Jiang Lin，Wang Haitang，Wu Jun
(Electrical Information Institute，Southwest Petroleum University，Chengdu 610500，China)

In order to solve the problem of low accuracy for the PFC in parallel,putting forward a power factor regulating circuit basing on automatic current averaging.This idea is aim to achieve automatic current averaging of the power factor regulator,introducing a negative voltage sampling from the output and automatic current averaging circuit.Saber simulation is performed to test the power factor regulator with automatic current.The result of simulation not only proves the practicability of this circuit,but also shows this design can reliably control the accuracy of average current of this power module within 5%when slight load in parallel.

average flow accuracy；power factor correction power supply；automatic current sharing

TM461

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.05.035

国家自然科学基金（51204139）；四川省教育厅自然科学基金（13ZB0199）

2015-12-04)

蒋林（1974-），男，博士，副教授，主要研究方向：电力电子与电力传动、智能控制、新能源变换与控制，E-mail：jlin57@163.com。

王海唐（1989-），男，硕士研究生，主要研究方向：电源变换、新能源变换与控制。

吴俊(1991-)，男，硕士研究生，主要研究方向：模糊控制、电机控制。

中文引用格式：蒋林，王海唐，吴俊.基于自主均流技术的功率因数校正电路的研究[J].电子技术应用，2016，42(5)：128-130，134.

英文引用格式：Jiang Lin，Wang Haitang，Wu Jun.Research on power factor correction circuit based on autonomous current sharing technique[J].Application of Electronic Technique，2016，42(5)：128-130，134.