高PF全電壓可變負(fù)載BCM單級(jí)APFC反激變換器環(huán)路設(shè)計(jì)

林杰輝， 潘永雄， 蘇成悅， 孫安全

(廣東工業(yè)大學(xué) 物理與光電工程學(xué)院，廣東 廣州 510006)

?

高PF全電壓可變負(fù)載BCM單級(jí)APFC反激變換器環(huán)路設(shè)計(jì)

林杰輝， 潘永雄， 蘇成悅， 孫安全

(廣東工業(yè)大學(xué) 物理與光電工程學(xué)院，廣東 廣州 510006)

摘要:為解決臨界模式(Boundary Conduction Mode，BCM)單級(jí)有源功率因數(shù)校正 (Active Power Factor Correction，APFC)反激變換器在全電壓輸入和可變負(fù)載條件下功率因數(shù) (Power Factor，PF)值不穩(wěn)定甚至嚴(yán)重下降的問題，本文在分析電壓型BCM單級(jí)APFC反激變換器的環(huán)路基礎(chǔ)上，提出可穩(wěn)定PF值的反饋補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，并通過一臺(tái)30 W的電壓型BCM單級(jí)APFC恒壓輸出反激變換器實(shí)驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行驗(yàn)證.實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)的反饋補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的有效性.

關(guān)鍵詞:環(huán)路設(shè)計(jì)； 全電壓； 可變負(fù)載； BCM； APFC； 反激

為了提高照明的舒適性，越來越多場(chǎng)合的照明需要進(jìn)行調(diào)光[1-3].但是在全電壓范圍內(nèi)，不管工作在何種亮度下導(dǎo)致LED驅(qū)動(dòng)電源功率因數(shù)(PF)值下降的問題不容忽視.目前國(guó)內(nèi)外已經(jīng)制定了LED燈具的諧波限制標(biāo)準(zhǔn).為滿足節(jié)能環(huán)保的要求和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)(IEC61000-3-2:2009)，在全電壓輸入和可變負(fù)載情況下保持較高PF的LED驅(qū)動(dòng)電源成為了可調(diào)光LED驅(qū)動(dòng)電源的發(fā)展趨勢(shì)[4].

為了降低成本、減小體積、提高PF和效率，中小功率LED驅(qū)動(dòng)電源往往采用BCM單級(jí)APFC反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[5-6].本文在分析電壓型BCM單級(jí)APFC反激變換器PF值隨輸入電壓、負(fù)載變化特征基礎(chǔ)上，提出了有效穩(wěn)定PF的反饋補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)規(guī)則.實(shí)驗(yàn)表明該反饋補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)規(guī)則通用性強(qiáng)，在實(shí)際應(yīng)用中取得了很好的效果.

1BCM單級(jí)APFC反激PF值的影響因素

1.1BCM單級(jí)APFC反激變換器PF的分析

當(dāng)輸入電壓為理想正弦波時(shí)，BCM單級(jí)APFC反激變換器功率因數(shù)[7]為

(1)

用MATLAB對(duì)式(1)仿真,可得臨界模式單級(jí)PFC反激變換器PF與比例系數(shù)KU的關(guān)系曲線,如圖1所示.

圖1　不同KU下的PF

由圖1可以看出, PF值是KU的遞減函數(shù).由此可知在寬輸入電壓范圍條件下,由于電源的輸出電壓是恒定的,則反射電壓是一直固定的,所以輸入電壓越高，KU的值就越大.因此,在這種情況下,變換器輸入電壓越高其功率因數(shù)就越低.

1.2BCM單級(jí)APFC反激環(huán)路的影響

FAN7930B是Fairchild半導(dǎo)體公司推出的一款工作于BCM的電壓型PFC控制器[8-10]，它不需要檢測(cè)經(jīng)整流后的AC線路電壓信號(hào)，不需要內(nèi)部乘法器電路，從而節(jié)省功率.FAN7930B與電流型BCM PFC 控制器一樣，在電感電流達(dá)到零時(shí)開關(guān)(MOSFET)導(dǎo)通，但是開關(guān)關(guān)斷取決于內(nèi)部的鋸齒波信號(hào).FAN7930B引腳INV與引腳COMP之間的內(nèi)部電路為電流型跨導(dǎo)運(yùn)算放大器，不同于電流型BCM PFC控制器[11-12]的電壓型運(yùn)算放大器.

(2)

不同輸入電壓下和不同負(fù)載下控制至輸出的傳遞函數(shù)G(s)如圖2所示.

圖2　控制至輸出的傳遞函數(shù)

由圖2(a)可知，增加輸入電壓會(huì)使直流增益G(DC)和截止頻率增加，但是輸出極點(diǎn)不變；由圖2(b)可知，減輕負(fù)載會(huì)使直流增益G(DC)增加，輸出極點(diǎn)減小，但是截止頻率不變.

綜上可知，在全電壓輸入和可變負(fù)載情況下，BCM單級(jí)APFC反激的控制至輸出函數(shù)直流增益G(DC)、輸出極點(diǎn)和截止頻率改變，導(dǎo)致了環(huán)路的不穩(wěn)定，使得PF不穩(wěn)定甚至嚴(yán)重下降.

2環(huán)路設(shè)計(jì)

2.1理想環(huán)路頻率特性曲線

開關(guān)電源理想環(huán)路幅頻T(f)特性、相頻θ(f)特性曲線如圖3所示.

理想環(huán)路頻率特性的主要特征如下：

(1) 從直流到低頻段，幅頻特性增益越大越好，可使得直流輸出電壓UO誤差達(dá)到最小.

(2) 在穿越頻率fC處，幅頻特性增益為0 dB，環(huán)路放大倍數(shù)為1.穿越頻率fC大小需適中，可使閉環(huán)系統(tǒng)具有良好的響應(yīng)速度和優(yōu)良的抗干擾性.

(3) 確保幅頻特性曲線以-20 dB/十倍頻斜率穿越0 dB橫軸點(diǎn)，在穿越頻率fC處有45°以上的相位穩(wěn)定裕度，即φm>θ(fC)-(-180°)>45°.反饋補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)本身就存在-180°相移，環(huán)路傳遞函數(shù)T(f)最多只能有-135°相移.

圖3　理想的環(huán)路波特圖

(4) 在幅頻特性曲線中，當(dāng)f>(2～3)fC時(shí)，幅頻特性曲線最好以-40 dB/十倍頻甚至更大斜率衰減，可使得盡可能削弱高頻噪聲.

(5) 在相頻特性曲線中，當(dāng)環(huán)路相移達(dá)到-180°時(shí)，幅頻特性曲線增益Gm<-6 dB.

系統(tǒng)反饋補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)步驟：

(1) 在開關(guān)電源環(huán)路設(shè)計(jì)中，找出開環(huán)傳遞函數(shù)G(s) (控制到輸出)，畫出開環(huán)傳遞函數(shù)的幅頻特性和相頻特性曲線；

(2) 確定穿越頻率fC，選擇與開環(huán)傳遞函數(shù)相匹配的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，推算出反饋傳遞函數(shù)H(s)(輸出到控制)中零點(diǎn)、極點(diǎn)的范圍；

(3) 確定反饋補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)中各元件參數(shù).

2.2反饋補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

基于PC817A和TL431配合的反饋補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)如圖4所示.由于在設(shè)計(jì)中運(yùn)用了TL431內(nèi)部的反饋運(yùn)算放大器，所以在光耦連接FAN7930B時(shí), 略過了FAN7930B的INV引腳內(nèi)部跨導(dǎo)運(yùn)放, 直接把誤差輸入接FAN7930內(nèi)部運(yùn)放的輸出端COMP引腳.這種設(shè)計(jì)可以把反饋信號(hào)的傳輸時(shí)間縮短一個(gè)放大器的傳輸時(shí)間, 使電源的動(dòng)態(tài)響應(yīng)更快[16].

2.3反饋補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)分析

(3)

當(dāng)C1? C2時(shí)，式(3)可化簡(jiǎn)為

(4)

(5)

圖4　反饋補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)

僅考慮交流分量，由運(yùn)放的虛短虛斷原理和KCL，可得

(6)

PC817A內(nèi)發(fā)光二極管電流為

(7)

僅考慮交流分量，光耦內(nèi)LED工作電壓UF、穩(wěn)壓二極管電壓UZ幾乎不變，由式(7)可得

(8)

僅考慮交流分量，設(shè)PC817A光耦電流傳輸比為KCTR，則PC817A輸出電流為

ΔIC=KCTR×ΔIF,

(9)

(10)

其中RCS為電流取樣電阻.

僅考慮交流分量，可得

(11)

由式(3)～(11)可得，反饋補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù)為

(12)

反饋補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的零極點(diǎn)分別為

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

2.4反饋補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)計(jì)

基于上述設(shè)計(jì)方法，筆者制作一臺(tái)最大輸出功率為30 W的電壓型BCM單級(jí)APFC恒壓輸出反激變換器實(shí)驗(yàn)樣機(jī),主要的設(shè)計(jì)指標(biāo)如下.

市電頻率50 Hz；輸入電壓90～265 V；最小開關(guān)頻率66 kHz；最大輸出功率29.7 W；輸出電壓82.7 V；最大輸出電流360 mA；目標(biāo)效率90%；輸出紋波電壓4 V.

實(shí)驗(yàn)選取輸出電容COUT=330 μF，變換器滿載輸出電流IOUT=360 mA，由式(2)可得，最大輸出極點(diǎn)為

(18)

由于穿越頻率fC必須小于市電整流后頻率的1/2，一般取市電整流后頻率的1/10至1/5，當(dāng)市電為50 Hz時(shí)，穿越頻率為

fC∈(10,20)Hz .

(19)

(1) 當(dāng)C2減小時(shí)，fPC增大，PF會(huì)降低；當(dāng)C2增大時(shí)，fPC減小，PF會(huì)上升.但是C2不能無限增大，會(huì)導(dǎo)致環(huán)路不穩(wěn)定，可在fC

(3) 同理，在fP

(20)

(21)

(22)

(23)

即由式(18)～(23)可知，為使得環(huán)路穩(wěn)定，反饋補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)零極點(diǎn)設(shè)計(jì)規(guī)則為

(24)

由式(17)～(23)可知，在滿載或輕載時(shí)，為使得環(huán)路穩(wěn)定，環(huán)路各頻率點(diǎn)關(guān)系必須滿足

(25)

滿載和輕載時(shí)環(huán)路的波特圖如圖5所示.

圖5　環(huán)路的波特圖

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果

當(dāng)輸入電壓為220 V時(shí)，PF與負(fù)載變化的關(guān)系曲線如圖6所示.由圖6可以看出，常見的BCM單級(jí)APFC反激變換器PF曲線[17]中PF隨負(fù)載減小急劇下降，本文設(shè)計(jì)的電壓型BCM單級(jí)APFC反激變換器PF曲線中,PF在滿載和40%負(fù)載之間保持穩(wěn)定，在40%負(fù)載和20%負(fù)載之間下降，但是在20%負(fù)載時(shí)PF仍然大于0.925.PF隨全電壓輸入的變化如圖7所示.由圖7可以看出，變換器在全電壓輸入的范圍下，PF大于0.975.效率隨全電壓輸入的變化如圖8所示.由圖8可以看出，變換器在全電壓輸入的范圍下，效率大于等于0.88.PF隨輸出負(fù)載變化的關(guān)系如圖9所示.由圖9可以看出，在輸入電壓為220 V時(shí)，負(fù)載從滿載至40%負(fù)載的變化過程中，PF大于等于0.98，從40%負(fù)載至20%的過程中，PF下降至0.925.在輸入電壓為110 V時(shí)，負(fù)載從滿載至20%負(fù)載的過程中，PF大于等于0.98.

圖6　輸入電壓為220 V時(shí)負(fù)載變化下的PF

圖7　全電壓輸入下的PF

4結(jié)論

本文在分析了電壓型BCM單級(jí)APFC反激變換器PF值隨輸入電壓高低、負(fù)載輕重變化特征基礎(chǔ)上，提出了有效穩(wěn)定PF的反饋補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)規(guī)則.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，輸出負(fù)載減小，PF先輕微上升后輕微下降，PF穩(wěn)定在高PF區(qū)間.在輸入電壓為220 V時(shí)，20%負(fù)載時(shí)PF仍然大于0.925.通過30 W的電壓型BCM單級(jí)PFC反激變換器樣機(jī)驗(yàn)證，證實(shí)了該反饋補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)規(guī)則通用性強(qiáng).

圖8　全電壓輸入下的效率

圖9　負(fù)載變化下的PF

參考文獻(xiàn)：

[1] 路秋生,程維東,王昭玲.LED的調(diào)光與有關(guān)問題[J].電源學(xué)報(bào),2012,6: 113-115.

LU Q S, CHENG W D, WANG Z L. LED’s dimming and relative problems[J]. Journal of Power Supply, 2012,6:113-115.

[2] HWU K, TU W, LAI C. Light-emitting diode driver with low-frequency ripple suppressed and dimming efficiency improved[J]. Power Electronics, 2014, 7(1): 105-113.

[3] CORRADINI L, SPAIAZZI G. A High-frequency digitally controlled LED driver for automotive applications with fast dimming capabilities[J]. Power Electronics, 2014, 29(12): 6648-6659.

[4] 林維明,黃超.LED照明驅(qū)動(dòng)電源中功率因數(shù)校正研究新進(jìn)展[J]. 電源學(xué)報(bào), 2013, 2: 67-73.

LIN W M, HUANG C. Development of power factor correction research on LED power drivers[J]. Journal of Power Supply, 2013, 2:67-73.

[5] JIN L P, ZHANG Y C, JIN Y Q, et al. One stage flyback-type power factor correction converter for LED driver[C]∥2013 International Conference on Electrical Machines and Systems (ICEMS). Busan: IEEE, 2013: 2173-2176.

[6] CHERN T, LIU L, YEH S, et al. Single-stage flyback converter for LED driver with inductor voltage detection power factor correction[C]∥2010 the 5th IEEE Conference on Industrial Electronics and Applications (ICIEA).Taichung:IEEE,2010: 2082- 2087.

[7] DONG H J, XIE X G, PENG K S, et al. A variable-frequency one-cycle control for BCM flyback converter to achieve unit power factor[C]∥IECON 2014 the 40th Annual Conference on Industrial Electronics Society. Dallas, TX: IEEE, 2014:1161-1166.

[8] SEMICONDUCTOR F. FAN7930B-Critical Conduction Mode PFC Controller[EB/OL].[2010-10-01].https:∥www.fairchildsemi.com.cn/data- sheets/FA/FAN7930B.pdf.

[9] 毛興武.基于電壓型臨界導(dǎo)電模式控制器FAN7530的PFC電路設(shè)計(jì)[J].電源技術(shù)應(yīng)用,2007,10(5): 42-47.

MAO X W. Design of PFC circuit based on voltage mode CRM controller FAN7530[J]. Power Supply Technologies and Applications, 2007, 10(5): 42-47.

[10] 宋修奎,唐雄民,章云.一種適合于單相電壓型逆變電源的并聯(lián)控制方案研究[J].廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2015,32(2): 79-85.

SONG X K, TANG X M, ZHANG Y. A method of parallel control for single-phase voltage source inverters[J]. Journal of Guangdong University of Technology, 2015,32(2):79-85.

[11] 高晗瓔,申娟,邢正非,等. 電流型反激式開關(guān)電源的環(huán)路補(bǔ)償設(shè)計(jì)[J]. 電測(cè)與儀表,2013, 20(575): 102-105.

GAO H Y，SHEN J, XING Z F, et al. Compensation loop design of switch power supply with current flyback type[J]. Electrical Measurement and Instrumentation, 2013, 50(575):102-105.

[12] 元倩倩. 高PF反激臨界模式開關(guān)電源的環(huán)路設(shè)計(jì)[J]. 電子設(shè)計(jì)工程,2012,20(12): 120-123.

YUAN Q Q. Control loop design of flyback switch power supply with high PF operated in TM[J]. Electronic Engineer，2012,20(12): 120-123.

[13] SEMICONDUCTOR F. Design consideration for boundary conduction mode power factor correction (PFC) using FAN7930[EB/OL].[2010-3-5].https:∥www.fairchildsemi.com/application-notes/AN/AN-8035.pdf.

[14] YANG S P, CHEN S J, HUANG C M. Analysis, modeling and controller design of CRM PFC boost ac/dc converter with constant on-time control IC FAN7530[C]∥2014 IEEE 9th Conference on strial Electronics and Applications (ICIEA). Hangzhou: IEEE, 2014: 354-359.

[15] MOON S, KOO G, MOON G. Dimming-feedback control method for TRIAC dimmable LED Drivers[J]. Industrial Electronics, 2015, 64(2): 960-965.

[16] 韓林華，史小軍. 反激電源中基于PC817A TL431配合的環(huán)路動(dòng)態(tài)補(bǔ)償設(shè)計(jì)[J]. 電子工程師，2005,31(11): 29-32.

HAN L H，SHI X J. The dynamic loop compensation design in the flyback power supply based on the PC817A and TL431[J]. Electronic Engineer，2005,31(11): 29-32.

[17] PAN T F, CHIU H J, CHENG S J, et al. A improved single-stage flyback PFC converter for high-luminance lighting LED lamps[C]∥2007 ICEMI 8th International Conference on Electronic Measurement and Instruments. Xi’an: IEEE, 2007:212-215.

Loop Design of High PF BCM Single-stage APFC Flyback Converter under Full Voltage and Variable Load

Lin Jie-hui, Pan Yong-xiong, Su Cheng-yue, Sun An-quan

(School of Physics and Optoelectronic Engineering, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006,China)

Abstract:In order to solve the problem of BCM (boundary conduction mode) of single stage APFC (active power factor correction) flyback converter PF (power factor) that is not stable or even declines seriously under full voltage and variable load, a feedback compensation network is proposed to effectively stabilize PF, based on the analysis of the loop of voltage-mode BCM single-stage APFC flyback converter. Through a 30W voltage-mode BCM single-stage APFC flyback converter experimental prototype. The experimental results verify the validity of the feedback compensation network designed.

Key words:loop design; full voltage; variable load; boundary conduction mode(BCM); active power factor correction(APFC); flyback

收稿日期:2015- 04- 16

基金項(xiàng)目:廣東省高等學(xué)校學(xué)科建設(shè)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(2014KTSCX058)；廣東省信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展專項(xiàng)現(xiàn)代信息服務(wù)業(yè)資助項(xiàng)目(2150510)；中山市科技強(qiáng)企項(xiàng)目(2013B3FC0002)

作者簡(jiǎn)介:林杰輝(1990-)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殚_關(guān)電源、LED照明技術(shù).

doi:10.3969/j.issn.1007- 7162.2016.03.005

中圖分類號(hào):TN86

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1007-7162(2016)03- 0026- 06