单周期控制连续导电模式PFC 原理和应用

R5:short
4.2 实验波形 (1)ＡＣ100Ｖ 200Ｗ输出
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(2)ＡＣ240Ｖ 200Ｗ输出
Ch2 : IIN [2A/div] Ch1 : Vin [100V/div]
Ch2 : IIN [2A/div] Ch1 : Vin [100V/div]
6 FB
反馈端子
定电压控制信号输入
7
VCC
电源端子
控制电路电源输入
单周期控制部分原理ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ图为：
COMP
Ccomp
VFB
Vcomp
OTA
－
＋
Integlator
Vm
Vref
OSC
SQ RQ
ISNS
+
SUM
-
图 7 单周期控制电路
单周期控制(SCC)电路的核心是在每个开关周期末可复位的积分器，其构成如图7所示。
负载A
Vm
负载B
Vm dt
T
积分器时间常数=Vm/T
图 5 积分器输出波形
单级 PFC 电路的控制目的是要使输入电路 Iin 的低频波形(50Hz)跟随全波整流后的输入电压波
形 Vin 同时又要保持输出电压 Vo 恒定。若控制电路的控制策略满足了输入电流和输入电压成正，
整个变换器可以等效为一个电阻 Re，则有：Iin=Vin/Re
图 3 Boost 拓扑结构
图 3 是一个 Boost 拓扑结构，PFC 就是基于这个电路结构实现的。
开关 ON 时： ΔI = (Vo - Vin) *Toff ；开关 ON 时： ΔI = (Vo - Vin) *Toff ；
L
L
因此有： Vin = Toff = Toff
Vo Ton + Toff T
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PWM 周期 积分器输出电压
COMP 端子电压 （重负载时）
Vm dt
COMP 端子电压 （轻负载时）
图 8．积分器输出（斜坡波形）电压特性
PWM 周期
Vm-Gca*Vsns
COMP 端子电压
SUM.AMPout
积分器输出
ON
OFF
Gate Drive
(3) 实际动作波形(整体)
(Institute of Automation ECUST, Shanghai 200237,China)
Abstract: Single Cycle Control(SCC) is a new nonlinear control technology developed recently, Single Cycle Control continuous conduction mode PFC shows the advantage of simple in topology and robust in reliability. In this paper, the basic principle of SCC-CCM-PFC was introduced, and SRX2000series IC were applied. From this example, we can see that SCC-CCM-PFC own a high PF value, besides, the schematic the outside devices,thus the cost.
调制电压 Vm 变化得非常缓慢，一个开关周期内可视为常数。 积分器的重要特性是：各周期结束时，为了使 Vm 和积分器保持一致，积分器的时间常数必须和 开关周期一致。即积分器的时间常数=Vm/T。
积分器输出=(1/T)∫Vmdt，到一个开关周期的 Turn-off 时积分器输出=Vm·Ton/T=Vm·D。
+
３ GND
图 6 SXR2000 系列 IC 内部框图
各端子功能说明
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编 号
符号
名称
功能描述
1
D
漏极
MOSFET 漏极
2
S
源极
MOSFET 源极
3 GND
地
地
4
ISNS
过电流保护输入端 子
过电流检测信号输入
5 COMP
相位校正端子
误差放大器输出/反馈相位 校正
如图 9 所示，设定 Vsns=Rs·Is 为电感电流的比例量，Vm 为与负载相关的误差放大器的输出。
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MOSFET 的 OFF 条件：Vm-Gca*Vsns= (1/T)∫Vmdt，Vm-Gca*Vsns=(Ton/T)*Vm。
于是：(Toff/T) *Vm=Gca*Vsns。
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入电流波形来说开关频率纹波可以忽略，则 Iin 可通过采样输入电感电流 ILin 获得[3]。
Single-cycle-control 的核心电路是可以复位的积分器(如图 4,图 5)。这个模块将调制电压(误 差放大器输出电压 Vm)积分，在各开关周期结束时复位归零。
GND DCM
ID CCM
GND
IL
图 1．连续模式和不连续模式
Vin.ac
IL IL.avg IL.DCovlp
Gate Drive
ON
OFF
图 2．PFC 电路的电感电流
1.2 Boost电路结构和连续模式动作
Iin
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Vin
Vo
ΔI
ON
OFF
连续模式 PFC 下，振荡周期和输出电压 Vo 一定时，Vin 和 Toff 成正比。即有：
Vin＝(Vo/T)*Toff∝Toff
2. SCC（单周期控制）PFC动作原理分析——核心是积分器
IL检测
Gca*Vsns
Vm
振荡器
－ ＋
Vm dt
Vm
－ ＋
图 4 单周期控制 PFC 动作原理
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Keywords: power factor correction; single cycle control; continuous conduction mode; SRX2000
传统的功率因素校正(PFC)技术复杂，设计步骤繁琐、所需元器件多、体积大而且成本高，因此， 在设计时往往要在性能和成本之间进行折衷。
又因为连续模式 Boost 的条件是：Toff/T=Vin/Vo。结合上式，可得到： Vin × Vm = Gca × Vsns Vo
在 Vo、Vm 不变时，电感电流的检测电压 Vsns 和 Vin 成正比，即： Vin ∝ Is 。除此之外， ①按照这个 PWM 信号的产生方法，电感电流和 Vin 相同，也是正弦波。 ②不需要检测 AC 输入电源电压。
关键词：功率因素校正(PFC)；单周期控制(SCC)；连续电流导电模式(CCM)；SRX2000
Single Cycle Control Continuous Conduction Mode PFC Principle and Application ZhangXiangdong, QianFeng
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单周期控制连续导电模式 PFC 原理和应用
作者：张祥东,钱峰 上海华东理工大学自动化研究所
摘要：单周期控制是近年来发展起来的新的非线性控制技术，单周期控制连续导电模式 PFC 也 呈现出原理和电路结构简单、可靠性强的优势。本文介绍了单周期控制连续导电模式 PFC 的基 本原理，并介绍了 sanken 电气的典型产品 SRX2000 系列 IC，从典型的应用实例可以看出，具有 很高的 PF 值，因减少了外部器件，也降低了成本。
(1)
式中：Re 为变换器等效电阻。
对于 Boost 变换器则有：Vin＝(Vo/T)*Toff，Vin＝Vo*(1-D)
(2)
由(1)(2)式得到：Iin*Rs=（1-D）*Vo*Rs/Re
(3)
式中：D=Toff/T 为占空比，Rs 是输入电流等效检测电阻。
定义 Vo*Rs/Re=Vm 为控制电压，则有：
单周期控制是近年来由 Keyue Smedley M 提出的新型控制技术[1]，其控制思想是通过控制开关 的占空比，使每个开关周期中开关变量的平均值严格等于或者正比于控制参考量。它是一种典 型的实用的非线性控制技术，其突出特点是开关变量在一个开关周期中精确跟踪控制基准，提 供了很快的动态响应和很好的输入抗干扰能力，在一个开关周期内有效的消除电源纹波干扰和 开关误差，控制方法简单可靠。采用单周期控制技术，可以有效地克服传统电压反馈控制中的 缺陷，同时也不必考虑电流模式控制中的人为补偿[2]。
4. SRX2000 系列的典型应用电路 4.1 应用电路图
采用如下的应用电路作为 PFC 部分，后跟输出功率约为 200W 的 DCDC 变换器进行实验。
DB1 AC
L1
D1
D
SRX2039
FB
Vo R1
S R3
Con tro l Vcc GND
ISNS COMP
R5 C2 C4
C1 Vcc
C3
R2
∫ Vm-Iin*Rs=Vm*D=
1 T
DT
Vm
0
(τ
)dτ
(4)
式中：T 为开关周期。
构造控制方程组：
V1(t)=Vm-Iin*Rs
(0<t<T)
(5)
∫ V2(t)=
1 T
DT
Vm (τ )dτ
0
式(5)即为 SCC 控制方程组，可通过如下电路实现。
V1(t)和 V2(t)的比较即可确定占空比 D。由方程组可知，SCC 需要一个积分环节。因为对工频输
图9所示，PWM信号的ON时间是由比较器的基准电压和（比较器的基准电压是ＳＵＭ．ＡＭＰ输 出电压，即从COMP端子减去ＩＳＮＳ电压后的电压，反映了漏极电流的大小）和积分器输出电 压相等时刻决定的。如此，通过基准电压(与漏极电流相应)和斜坡波形(与输出电压相应)来决 定比较器的占空比，可以稳定输出电压、提高功率因素。
基于单周期控制的单相 Boost PFC 主电路拓扑结构简单，可靠性高，既可简单化控制电路的设 计，又无需乘法器，无需检测输入电压，因而系统更容易实现，而且成本高，应用价值较高。
1. PFC功能介绍 1.1 连续导通电流模式（CCM）
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根据电感电流是否连续，PFC电路的工作模式分为不连续导电模式（DCM）和连续导电模式（CCM）。 DCM具有控制简单、输入电流自动跟踪输入电压、电感量小的优点。Boost变换器在PFC电路中得 到广泛的应用。图1、图2所示,因PFC电路的电感电流为连续状态,与同样的输出功率的不连续导 电模式(DCM)的PFC电源相比, 连续模式下的开关电流的峰值减小，因此可以将输出功率做得更 高。
GND
Rs GND
图 10 SRX2000 系列的典型应用电路
PFC 部分各参数（供参考）为：(电阻单位：Ω)
IC：SRX2039 DB1：RBV606 D1：FMX-G16S L1：TEM2014A R1:200k+200k+22k R2:2.2k+2.2k+1.5k R3:1.5k Rs:0.27//0.27 C1:450V/270uF C2:470pF C3:50V/22uF C4:47nF
PWM 信号的产生与 MOSFET 的 ON/OFF：ON：开关周期的开始，由振荡器决定；OFF：由 Vm、Vm 的 积分和电感电流设定。
3. SXR2000 系列 SCC-PFC 原理介绍
SXR2000 系列 IC 集成了控制电路和功率 MOSFET，其内部框图如图 6：
７ Vcc
Leve l Sh i f t
图 9．PWM 信号产生波形
PFC 输出电压通过电阻分压后输入到 FB 端子（ＶＦＢ），与反馈信号相应，通过 OTA（Operational Transconductance Amplifier）在 COMP 端子输出误差信号（轻负载时，COMP 端子电压降低；重 负载时，COMP 端子电压升高）。在 COMP 端子连接用于相位校正的电容，该误差信号相对于开关 周期可视为常数。此外，积分器输出在开关周期结束时产生和 COMP 端子电压一样的斜坡波形（如 图 8 所示，与反馈信号相应，因 COMP 端子电压变化，积分器的斜率也是变化的）。
B ias & Re ference
Protec t ion C ircu i t
６ FB ５ COMP
OSC S ing le Cyc le Con tro l
SQ RQ
B lank ing C ircu i t
Leve l Sh i f t
Ga te Dr iver
Ｄ１
MOSFET
Ｓ２
-
ISNS ４