一种改进型固定关断时间PFC电路的研究

图 2 FOT 控制时，Boost 电感电流示意图
在 CCM 部分，电感电流的变化减小，则开关 导通时间变大，开关关断时间固定，故开关频率在 正弦信号峰值处最大，在 CCM/DCM 边界处达到 频率最小值，在 DCM 部分开关频率恒定。
3 FOT 峰值电流模式的输入电流畸变
输入电流过零畸变根本原因在于输入电流的
种方法为一种前馈补偿，并不影响固定关断时间
峰值电流控制基本性能。Toff（归一化处理后的值） 在半个输入电压周期内的变化如图 3b 所示。
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第 45 卷第 9 期 2011 年 9 月
电力电子技术 Power Electronics
Vol.45， No.9 September 2011
图 3 补偿电路及 Toff 变化曲线
关 键 词 ：功率因数校正；电流畸变；固定关断时间；电压前馈
中 图 分 类 号 ：TM714.3
文 献 标 识 码 ：A
文 章 编 号 ：1000-100X（2011）09-0098-04
Study of an Improved FOT-PFC Circuit
GE Jian， JIN Long， XU Jie
模式控制的调节器，输入电流平均值存在尖峰形
电流畸变，具体分析如下：
在选取运行频率时，需考虑开关最小导通时
间 T 。T onmin onmin 发生在输入电压峰值处，由升压电感 的伏秒特性 （即电感电压一周期内的积分平均值
为零）可得：
uinTon=（Uo-uin）Toff
（1）
4 输入电流尖峰畸变的补偿电路
t2，经数学运算得：
% # $ Toff=-R1C ln
UZCDtrigger Umult+Ube
+ R2 · R1+R2
! "& ln
（Umult+Ube）R2 UZCDclamp（R1+R2）-（Umult+Ube）R1
（5）
一旦 Umult/Uin 设定，通过合理选择 R1 和 R2 的
数值，可使整个调节器的运行范围内 Ton>Tonmin。此
可调的 FOT 峰值电流模式。电感能量在关断时间 放完，电路运行于 DCM/临界电流模式，否则电路 运行于 CCM模式。为实现 CCM 运行优点，电路参 数设计应考虑在较大范围内实现电感电流的连 续。单相 PFC 电路输出电压环的剪切频率通常远 低于工频周期，则乘法器输出可表示为 Iref=g uin ， 电感电流的包络线为正弦信号，如图 2 所示。
Pchg=
5 开环电压和功率增益特性波动
5.1 开环电压增益特性波动
误差信号控制输出电压传递函数的增益随输
入电压有效值的平方而变化，即：
Udc = kuin2/Udc Uerr jωCdc
（6）
故 uin=90 V 的开环增益仅为 uin=270 V 的 1/9
（-19 dB）。由于传递函数的增益以-20 dB/dec 斜
Ube），电容 C 通过 R1，R2 放电，UZCD（t）满足：
! " UZCD（t）=
U - ZCDclamp
R1 R1+R2
（Umult+Ube）·
e !-
t （R1//R2）C
" +
R1
R1+R2
（Umult+Ube）
（3）
当 UZCD（t）<（Umult+Ube）时，VT 关断，C 通过 R1 放
分析了电路的工作原理，推导了改进电路的参数和设计方法。实验结果表明，经补偿后的 FOT-PFC 电路减小了
输入电流波形的畸变，有效抑制了输出电压的瞬变，同时响应特性很快。输入电压有效值和负载功率在较大范
围变化时，输入电流总谐波畸变率 THD<25%，满足 EN61000-3-2 Class-D 的要求。
第 45 卷第 9 期 2011 年 9 月
电力电子技术 Power Electronics
Vol.45， No.9 September 2011
一种改进型固定关断时间 PFC 电路的研究
葛 健， 金 龙， 徐 捷 （东南大学，电气工程学院，江苏 南京 210096）
摘 要 ：为满足高性能功率因数校正（PFC）的需求，提出一种新型含补偿电路的固定关断时间（FOT）-PFC 电路。
率穿越 0 dB 线，传递函数的穿越频率 fc 也正比于 开环增益。故 uin=90 V 时 fc 也为 uin=270 V 的 1/9。
为保证在宽电压输入范围 120～220 V 内开关
能避免切换时刻的较大波动。误差放大器增益特
性的 fc 应在 uin 最大值 270 V 处设定为 20 Hz（输 入电流畸变的限制规定了穿越频率的最大值）。当
率会瞬间超出范围，导致输出电压产生电压过冲。
电 流 参 考 产 生 电 路 输 出 都 存 在 限 幅 电 路 ，则
电感电流存在最大值的限制（电路在 110%～120%
满负载最小输入电压情况下时电感最大电流值）。
然而在宽电压输入范围的场合，若输入电流
限制得过小，则电路的负载功率波动范围较小；过
大则会产生大的功率突增，导致输出电压的过冲。
图 1 FOT-PFC 控制框图
调节器由电压外环和电流内环组成，电压外 环输出与输入电压采集信号经乘法器，给定电流 峰值的参考信号，以控制开关关断；关断同时给定 时器触发信号，定时器经一断时间后开启开关，进 入下一个开关周期控制，从而实现 FOT、导通时间
一 种 改 进 型 固 定 关 断 时 间 PFC 电 路 的 研 究
会产生最大频率运行点，此时保证 FOT 模式运行
的开关导通时间小于最小限制值，导通时间被箝
位，导致电感的伏秒特性不再满足原有平衡要求，
导通时间比要求的时间长，电感的平均电流会随
之产生累积增长。从而导致了平均电流顶部不是
严格正弦信号，而是一个尖峰信号，此尖峰会恶化
电流 THD 值，同时限制输入电压的范围。
电源运行于 90 V 输入电压，fc 降低至 2.2 Hz。由 于低频环增益特性的穿越频率太小，控制的动态
特性变得很慢，此时直流母线电压 Udc 波动的最 小值会超出要求的范围。
5.2 功率增益特性的波动
当负载功率突增时，为补充电容 Cdc 上能量， 控制电路会快速增加电感电流参考值（一般为几个
半周时间）。电压取最大值 Uinmax 时，有：
Tonmin=（1-kmax）Toff/kmax
（2）
式 中 ：kmax= Uinmax/ Uo
由于最小导通角的限制，在宽输入电压运用
场合关断时间也有最小值的限制，即最大频率有
一定限制。电路参数优化设计确定后，电路运行于
最大输入电压、最大负载时，输入平均电流峰值处
输入电流尖峰畸变产生的主要原因为导通时
间有最小值的限制，若在要求导通时间最小的情
况下，改变原有的伏秒平衡，将固定的关断时间适
当增大，则导通时间可适当增大，这样就使得导通
时间始终在限制以上，从而克服了输入电流尖峰
畸变的问题。补偿电路如图 3a 所示。
开关关断时间受输入电压瞬时值调制，开关
处 于 关 断 状 态 时 ， 若 ZCD 引 脚 电 压 UZCD>（Umult +
（8）
另 k1=kmkinki，则有：
iin=k1uinUerr /Rsense
（9）
则输入功率与电压外环输出控制信号的传递
函数为 Pin=iinuin=k1uin2Uerr /Rsense，可知，uin 的变化直接 导致功率环增益的变化，为解决此问题，可引入前
馈因子 uin2，使功率环传递函数变为：
定 稿 日 期 ： 2011-03-02 作 者 简 介 ： 葛 健 （1987- ）， 男 ， 江 苏 盐 城 人 ， 硕 士 研 究 生 ， 研究方向为电力电子与电力传动。
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2 FOT 峰值电流模式分析
FOT 是一种变频控制方式：在不同负载和线 电压条件下通过反馈控制调节开关的导通时间， 实 现 对 电 路 输 入 电 流 和 输 出 电 压 的 调 节 。 FOTPFC 框图如图 1 所示。
（Nanjing Southeast University，Nanjing 210096，China） Abstract：A new fix-off time control circuit with compensating cells is proposed to meet requirements for the higher characteristics of power factor correction.The working principle is analyzed and the method of deriving parameters are given.The designed experiment shows that after inserting the compensation：the current distortion of the FOT-PFC circuit is reduced，the sudden change of the output voltage can be fast controlled and even in the circumstances of large input voltage range and large load range，the THD of the input current can be limited under 25% ，which meets the requirement of EN61000-3-2 Class-D. Keywords：power factor correction；current distortion；fix-off time；voltage forward