【導(dǎo)讀】由于效率要求的不斷增長(zhǎng)，許多電源制造廠商開始將注意力轉(zhuǎn)向無橋功率因數(shù)校正 (PFC) 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。一般而言，無橋接 PFC可以通過減少線路電流通路中的半導(dǎo)體組件數(shù)目來降低傳導(dǎo)損耗。盡管無橋接 PFC 的概念已經(jīng)提出了許多年，但因其實(shí)施的難度和控制的復(fù)雜程度，阻礙了其成為一種主流。
一些專為電源而設(shè)計(jì)的低成本、高性能數(shù)字控制器上市以后，越來越多的電源公司開始為 PFC 設(shè)計(jì)選擇使用這些新型數(shù)字控制器。相比傳統(tǒng)的模擬控制器，數(shù)字控制器擁有許多優(yōu)勢(shì)，例如：可編程配置、非線性控制、低組件數(shù)目，以及最為重要的復(fù)雜功能實(shí)施能力（模擬方法通常較難實(shí)現(xiàn)）。
大多數(shù)現(xiàn)今的數(shù)字電源控制器，例如：TI 的融合數(shù)字電源 (Fusion Digital PowerTM) 控制器 UCD30xx 等都有許多集成電源控制外設(shè)和一個(gè)電源管理內(nèi)核，例如：數(shù)字環(huán)路補(bǔ)償器、快速模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)、內(nèi)置停滯時(shí)間的高分辨率數(shù)字脈寬調(diào)制器 (DPWM)、低功耗微控制器等。它們是如無橋接 PFC 等復(fù)雜高性能電源設(shè)計(jì)的較好選擇。
數(shù)字控制無橋接 PFC
在其他一些無橋接 PFC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中[1] [2]，圖 1 是一個(gè)已經(jīng)為業(yè)界所廣泛采用的無橋接 PFC 實(shí)例。它具有兩個(gè) DC/DC 升壓電路[3] [4]，一個(gè)由 L1、D1 和S1 組成，而另一個(gè)則由 L2、D2 和 S2 組成。D3 和 D4 為慢速恢復(fù)二極管。通過參考內(nèi)部電源接地單獨(dú)檢測(cè)線壓和中性點(diǎn)電壓，測(cè)量得到輸入 AC 電壓。通過對(duì)比檢測(cè)線壓信號(hào)和中性點(diǎn)信號(hào)，固件便知道其為一個(gè)正半周期，還是一個(gè)負(fù)半周期。在一個(gè)正半周期期間，第一個(gè) DC/DC 升壓電路即 L1-S1-D1 有效，同時(shí)升壓電流回到二極管 D4 的 AC 中性點(diǎn)。在一個(gè)負(fù)半周期期間，第二個(gè) DC/DC 升壓電路即 L2-S2-D2 有效，同時(shí)升壓電流回到二極管 D3 的 AC 線。像 UCD3020 這樣的數(shù)字控制器用于控制這種無橋接 PFC。
圖 1 數(shù)字控制無橋接 PFC
無橋接 PFC 基本都由兩個(gè)相升壓電路組成，但在任何時(shí)候都只有一個(gè)相有效。對(duì)比使用相同功率器件的傳統(tǒng)單相 PFC，無橋接 PFC 和單相 PFC 的開關(guān)損耗應(yīng)該是一樣的。但是，無橋接 PFC 電流在任何時(shí)候都只通過一個(gè)慢速二極管（正半周期為 D4，負(fù)半周期為 D3），而非兩個(gè)。因此，效率提高的多少取決于一個(gè)二極管和兩個(gè)二極管之間的傳導(dǎo)損耗差異。另外，通過完全開啟關(guān)閉的開關(guān)可以進(jìn)一步提高無橋接 PFC 效率。例如，在一個(gè)正周期期間，S1 通過 PWM 信號(hào)控制，而 S2 則可以完全開啟。當(dāng)流動(dòng)的電流低于某個(gè)值時(shí)，MOSFET S2 的壓降可能會(huì)低于二極管 D4，因此返回電流部分或者全部流經(jīng) L1-D1-RL-S2-L2，然后返回 AC 源。傳導(dǎo)損耗可以降低，電路效率也可以得到提高，特別是在輕負(fù)載的情況下。同樣，在一個(gè)負(fù)周期期間，S2 開關(guān)時(shí)，S1 被完全開啟。圖 2 顯示了 S1 和 S2 的控制波形。
圖 2 無橋接 PFC 的 PWM 波形
自適應(yīng)總線電壓和開關(guān)頻率控制
傳統(tǒng)上，效率指的是滿負(fù)載狀態(tài)下高線壓和低線壓的效率。現(xiàn)在，如計(jì)算服務(wù)器和遠(yuǎn)距離通信電源等大多數(shù)應(yīng)用，除滿負(fù)載狀態(tài)效率以外，還要求 10%-50% 負(fù)載范圍狀態(tài)的效率也必須滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。大多數(shù) AC/DC 應(yīng)用中，系統(tǒng)有 PFC 和下游DC/DC 級(jí)，因此我們根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)來測(cè)量效率。若想提高輕負(fù)載狀態(tài)下的總系統(tǒng)效率，一種方法是降低 PFC 輸出電壓和開關(guān)頻率。這要求了解負(fù)載信息，而這項(xiàng)工作通常是通過使用一些額外電路測(cè)量輸出電流來實(shí)現(xiàn)的。但是，利用數(shù)字控制器，便不再需要這些額外電路。輸入 AC 電壓和 DC 輸出電壓相同時(shí)，輸出電流與電壓環(huán)路輸出成正比。因此，如果我們知道電壓環(huán)路的輸出，我們便可以相應(yīng)地調(diào)節(jié)頻率和輸出電壓。使用數(shù)字控制器以后，電壓環(huán)路通過固件來實(shí)現(xiàn)，其輸出已知，所以實(shí)現(xiàn)這種特性便十分容易，并且成本比使用模擬方法要低得多。
通過變流器實(shí)現(xiàn)電流檢測(cè)
無橋接 PFC 的難題之一是如何檢測(cè)整流后的 AC 電流。如前所述，AC 返回電流（部分或者全部）可能會(huì)流經(jīng)處于非活動(dòng)狀態(tài)的開關(guān)，而非慢速二極管 D3/D4。因此，在接地通路中使用一個(gè)分路器來檢測(cè)電流（通常在傳統(tǒng) PFC 中使用），已不再適用。取而代之的是，使用一個(gè)變流器 (CT)，每相一個(gè)（圖 1）。這兩個(gè)變流器的輸出被整流，然后組合在一起，產(chǎn)生電流反饋信號(hào)。由于在任何時(shí)候都只有一個(gè)變流器整流輸出信號(hào)，即使在其組合時(shí)也是如此，因此任何時(shí)候都只有一個(gè)反饋電流信號(hào)。
圖 3 連續(xù)導(dǎo)通模式的檢測(cè)電流波形
圖 4 非連續(xù)導(dǎo)通模式的檢測(cè)電流波形
如圖 3-4 所示，由于變流器放置在開關(guān)的右上方，因此其只檢測(cè)開關(guān)電流（只是電感電流的上升部分）。數(shù)字控制實(shí)施時(shí)，在時(shí)間 Ta 的 PWM 中間測(cè)量該開關(guān)電流信號(hào)。它是一個(gè)瞬時(shí)值，在圖 3-4 中以 Isense 表示。僅當(dāng)該電流為連續(xù)電流時(shí)，測(cè)得開關(guān)電流 Isense 才等于平均 PFC 電感電流（請(qǐng)參見圖 3）。該電流變?yōu)槿鐖D 4 所示非連續(xù)電流時(shí)，Isense 不再等于平均 PFC 電感電流。為了計(jì)算電感平均電流，應(yīng)該建立某個(gè)開關(guān)時(shí)間期間中間點(diǎn)檢測(cè)電流 Isense 和平均電感電流之間的關(guān)系，并且這種關(guān)系應(yīng)該同時(shí)適用于連續(xù)導(dǎo)通模式 (CCM) 和非連續(xù)導(dǎo)通模式 (DCM)。
就一個(gè)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的升壓型轉(zhuǎn)換器而言，升壓電感的第二電壓應(yīng)在所有開關(guān)期間都保持平衡：
方程式 (1)其中，Ta 為電流上升時(shí)間（PWM 導(dǎo)通時(shí)間），Tb 為電流下降時(shí)間（PWM 關(guān)閉時(shí)間），VIN 為輸入電壓，而 VO 為輸出電壓，并假設(shè)所有電源器件均為理想狀態(tài)。
由圖 3-4，我們可以通過 Isense 計(jì)算出電感平均電流 Iave：
方程式 (2)其中，T 為開關(guān)時(shí)間。
將（1）和（2）組合，我們得到：
方程式 (3)通過方程式 3，平均電感電流 Iave 表示為瞬時(shí)開關(guān)電流 Isense。理想電流 Iave 和 Isense 為電流控制環(huán)路的電流基準(zhǔn)。檢測(cè)到現(xiàn)實(shí)瞬時(shí)開關(guān)電流后，將其與該基準(zhǔn)對(duì)比，誤差被發(fā)送至一個(gè)快速誤差 ADC (EADC)，最終將數(shù)字化的誤差信號(hào)發(fā)送至一個(gè)數(shù)字補(bǔ)償器，以關(guān)閉電流控制環(huán)路。
動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)環(huán)路補(bǔ)償器
總諧波失真 (THD) 和功率因數(shù) (PF) 是兩個(gè)判定 PFC 性能非常重要的標(biāo)準(zhǔn)。一個(gè)好的環(huán)路補(bǔ)償器應(yīng)該具有較好的 THD 和 PF。但是，PFC 的輸入范圍如此之寬，其可以從 80 Vac 擴(kuò)展至高達(dá) 265 Vac。低線壓狀態(tài)下?lián)碛休^高性能的補(bǔ)償器，在高線壓狀態(tài)下未必能夠較好地工作。最佳方法是根據(jù)輸入電壓相應(yīng)地調(diào)節(jié)環(huán)路補(bǔ)償器。這對(duì)一個(gè)模擬控制器來說可能是一項(xiàng)不可能完成的任務(wù)，但對(duì)于如 UCD3020 等一些數(shù)字控制器來說，則可以輕松地實(shí)現(xiàn)。
這種芯片中的數(shù)字補(bǔ)償器是一種數(shù)字濾波器，其由一個(gè)與一階 IIR 濾波器級(jí)聯(lián)的二階無限脈沖響應(yīng) (IIR) 濾波器組成。控制參數(shù)即所謂的系數(shù)，均保存在一組寄存器中。該寄存器組被稱作記憶槽。共有兩條這種記憶槽，每條可存儲(chǔ)不同的系數(shù)。只有一條記憶槽的系數(shù)有效，用于補(bǔ)償計(jì)算，而另一條則處于未激活狀態(tài)。固件始終都可以向未激活的記憶槽加載新的系數(shù)。在 PFC 運(yùn)行期間，可在任何時(shí)候調(diào)換系數(shù)記憶槽，以便允許補(bǔ)償器使用不同的控制參數(shù)，適應(yīng)不同的運(yùn)行狀態(tài)。
有這種靈活性以后，我們可以存儲(chǔ)兩個(gè)不同的系數(shù)組（一個(gè)用于低線壓，另一個(gè)用于高線壓），并根據(jù)輸入電壓調(diào)換系數(shù)。環(huán)路帶寬、相位余量和增益余量都可在低線壓和高線壓下得到優(yōu)化。利用這種動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)控制環(huán)路系數(shù)，并使用固件來對(duì)變流器可能出現(xiàn)的偏移量進(jìn)行補(bǔ)償，可以極大地改善 THD 和 PF。圖 5-6 是一些基于 1100W 無橋接 PFC 的測(cè)試結(jié)果，低線壓時(shí) THD 為 2.23%，高線壓時(shí) THD 為 2.27%，而 PF 分別為 0.998 和 0.996。
圖 5 低線壓的 VIN和IIN 波形（VIN = 110V, 負(fù)載= 1100W, THD = 2.23%, PF = 0.998）
圖 6 高線壓的VIN和IIN波形（VIN = 220V, 負(fù)載= 1100W, THD = 2.27%, PF = 0.996）
改善輕負(fù)載 PF
每個(gè) PFC 在輸入端都有一定的電磁干擾 (EMI) 濾波器。EMI 濾波器的 X 電容器會(huì)引起 AC 輸入電流引導(dǎo) AC 電壓，從而影響 PF。在輕負(fù)載和高線壓狀態(tài)下，這種情況變得更糟糕。PF 很難滿足嚴(yán)格的規(guī)范。要想增加輕負(fù)載的 PF，我們需要相應(yīng)地強(qiáng)制電流延遲。我們?nèi)绾螌?shí)現(xiàn)呢？
我們都知道，PFC 電流控制環(huán)路不斷嘗試強(qiáng)制電流匹配其基準(zhǔn)。該基準(zhǔn)基本上為 AC 電壓信號(hào)，只是大小不同。因此，如果我們能夠延遲電壓檢測(cè)信號(hào)，并將延遲后的電壓信號(hào)用于電流基準(zhǔn)生成，便可以讓電流延遲來匹配 AC 電壓信號(hào)，從而使 PF 得到改善。這對(duì)一個(gè)模擬控制器來說很困難，但對(duì)數(shù)字控制而言，只需幾行代碼便可以實(shí)現(xiàn)。
首先，輸入 AC 電壓通過 ADC 測(cè)量。固件讀取經(jīng)測(cè)量的電壓信號(hào)，增加一些延遲，然后使用延遲后的信號(hào)來生成電流基準(zhǔn)。圖 7-8 顯示了基于 1100W 無橋接 PFC 的測(cè)試結(jié)果。在這種測(cè)試中，Vin = 220V，Vout = 360V，而負(fù)載 = 108W（約全部負(fù)載的 10%）。通道 1 為 Iin，通道 2 為 Vin，通道 4 為帶延遲的測(cè)量 VIN 信號(hào)。圖 7 中，經(jīng)測(cè)量的Vin沒有增加延遲，PF=0.86，THD=8.8%。圖 8 中，測(cè)量 Vin 信號(hào)被延遲了 300us，PF 改善至 0.90。進(jìn)一步改善PF是可能的，但付出的代價(jià)是 THD，因?yàn)檫M(jìn)一步延遲電流基準(zhǔn)在 AC 電壓交叉點(diǎn)產(chǎn)生更多的電流失真。圖 9 中，測(cè)量 Vin 被延遲了 500us，PF 改善為 0.92。但是，電流在電壓交叉點(diǎn)出現(xiàn)失真。結(jié)果，THD 變得更糟糕，達(dá)到 11.3%。
圖 7 無測(cè)量 VIN 延遲
圖 8 測(cè)量 VIN 延遲 300us。
圖 9 測(cè)量 VIN 延遲 500us。
非線性控制
相比電流環(huán)路，電壓環(huán)路控制復(fù)雜度更低。數(shù)字實(shí)施時(shí)，輸出電壓 VO 通過一個(gè) ADC 檢測(cè)，然后同電壓基準(zhǔn)比較。我們可以使用一個(gè)簡(jiǎn)單的比例積分 (PI) 控制器來關(guān)閉該環(huán)路。
方程式 (4)其中，U 為控制輸出，Kp 和 Ki 分別為比例項(xiàng)和積分調(diào)節(jié)增益。E[n] 為 DC 輸出電壓誤差采樣。
如前所述，使用數(shù)字控制的諸多好處之一是它能夠?qū)崿F(xiàn)非線性控制。我們使用非線性 PI 控制的目的便是提高瞬態(tài)響應(yīng)。圖 10 顯示了非線性 PI 控制的一個(gè)實(shí)例。誤差更大時(shí)（通過出現(xiàn)在瞬態(tài)下），使用更大的 Kp。誤差超出設(shè)置限制時(shí)這樣會(huì)加速環(huán)路響應(yīng)，同時(shí)恢復(fù)時(shí)間縮短。使用積分器時(shí)，又是另外一種情況。眾所周知，積分器用于消除穩(wěn)態(tài)誤差。但是，它通常會(huì)引起飽和問題，并且其 90 度相位滯后也會(huì)影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。正因如此，我們使用了一個(gè)非線性積分調(diào)節(jié)增益[5]（圖 10）。誤差超出一定程度時(shí)，積分調(diào)節(jié)增益Ki減小，以防止出現(xiàn)飽和、過沖和不穩(wěn)定性等問題。
圖 10 非線性PI控制
數(shù)字電壓環(huán)路控制的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)被稱為積分抗飽和。它一般出現(xiàn)在 AC 壓降狀態(tài)下。當(dāng) AC 壓降出現(xiàn)，并且下游負(fù)載繼續(xù)吸取電流時(shí)，DC 輸出電壓開始下降，但是 PFC 控制環(huán)路仍然嘗試調(diào)節(jié)其輸出。因此，積分器積聚，并可能出現(xiàn)飽和，這種情況被稱為積分器飽和。一旦AC恢復(fù)，飽和積分器便可能會(huì)引起 DC 輸出電壓過沖。若想防止出現(xiàn)這種情況，則一旦探測(cè)到 AC 恢復(fù)，固件就重設(shè)積分器，同時(shí) DC 輸出達(dá)到其調(diào)節(jié)點(diǎn)。
數(shù)字控制器還可以做得更多，例如：頻率抖動(dòng)、系統(tǒng)監(jiān)控、通信等，并且可以為無橋接 PFC提供靈活的控制、更高的集成度以及更高的性能。在一些高端的 AC/DC 設(shè)計(jì)中，現(xiàn)在越來越多的設(shè)計(jì)正在使用數(shù)字控制器。
參考文獻(xiàn)
1. 2010 年 7 月《電源電子技術(shù)》文章《真正的無橋接 PFC 轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)了超過 98% 的效率 0.999 的功率因數(shù)》，作者：Slobodan Cuk。
2. 2007 年《IEEE》文章《無橋接 PFC 升壓整流器性能評(píng)估》，作者：Laszlo Huber、Yungtaek Jang、Milan M. Jovanovi?。
3. 1999 年 1 月第 1 卷第 8 節(jié)《國際電信能源大會(huì) (INTELEC) 草案》的《更低傳導(dǎo)及整流換向損耗的高功率因數(shù)整流器》，作者:A.F. Souza 和 I. Barbi。
4. 2004 年《電源電子（歐洲）》第 7 期33-35 頁《第二代 PFC 解決方案》，作者：T. Ernö 和 M. Frisch。
5. 2002 年 4 月《ISA 會(huì)刊》vol.41, no.2 p. 177-89，《線性到非線性控制方法：一種實(shí)用的改進(jìn)》，作者：Zhiqiang Gao。
作者：Bosheng Sun、System Engineer 以及 Zhong Ye，德州儀器 (TI) 系統(tǒng)工程經(jīng)理
Bosheng Sun 現(xiàn)任 TI 系統(tǒng)工程師，主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)和固件設(shè)計(jì)、TI Fusion 數(shù)字電源產(chǎn)品的開發(fā)與測(cè)試。Bosheng 畢業(yè)于克里夫蘭州立大學(xué) (Cleveland State University)，獲電子工程碩士學(xué)位。
Zhong Ye 現(xiàn)任 TI 高性能隔離產(chǎn)品系統(tǒng)工程經(jīng)理。Zhong 畢業(yè)于福州大學(xué) (Fuzhou University)，獲電子工程碩士學(xué)位，后又畢業(yè)于美國托萊多大學(xué) (Toledo University)，獲電源電子博士學(xué)位。
推薦閱讀：
