電動(dòng)車充電器研究與設(shè)計(jì)

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目錄摘要 IABSTRACTII1 緒論 .11.1 研究背景 .11.2 研究意義 .11.3 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 .11.4 主要研究?jī)?nèi)容 .22 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) .32.1 設(shè)計(jì)的基本原理 .32.2 設(shè)計(jì)方案與選型 .32.2.1 整流濾波的設(shè)計(jì)方案與選型 .32.2.2 功率因數(shù)校正電路的設(shè)計(jì)方案與選型 .42.2.3 功率因數(shù)校正控制方式的設(shè)計(jì)方案與選型 .62.2.4 DC/DC 電路 .83 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) .153.1 Boost APFC 主電路的硬件設(shè)計(jì) .153.1.1 功率因數(shù)的定義 .153.1.2 主電路參數(shù)設(shè)計(jì) .163.2 Boost APFC 控制電路的硬件設(shè)計(jì) .183.2.1 單周期控制 Boost PFC 電路的工作原理 183.2.2 單周期控制 Boost PFC 變換器穩(wěn)定性分析 203.2.3 Boost PFC 電路數(shù)學(xué)模型的建立 213.2.4 控制電路設(shè)計(jì) .233.3 DC/DC 降壓電路 .273.3.1 Buck 變換器工作原理分析 .283.3.2 Buck 變換器參數(shù)計(jì)算 .293.4 DC/DC 控制電路 .303.4.1 傳遞函數(shù)的建立 .303.4.2 校正網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì) .303.5 總電路圖 .324 系統(tǒng)仿真 .334.1 Boost APFC 電路仿真 .334.2 DC/DC 降壓電路仿真 .34結(jié)束語 .38致謝 .39參考文獻(xiàn) .40附錄 .41摘要關(guān)于電動(dòng)汽車充電器的研究與設(shè)計(jì)是電動(dòng)汽車控制系統(tǒng)研究中很重要的一環(huán)。針對(duì)這一領(lǐng)域，設(shè)計(jì)了一款電動(dòng)汽車車載充電器。為滿足電動(dòng)汽車蓄電池?zé)o損傷快速充電的需求，將大功率開關(guān)電源變換技術(shù)應(yīng)用于電動(dòng)汽車車載充電器中。將有源功率因數(shù)校正電路與 DC/DC 電路相結(jié)合，以達(dá)到預(yù)期效果。并結(jié)合實(shí)際充電要求，給出了電動(dòng)汽車車載充電系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，并就方案中涉及到的升壓式 APFC 電路、DC/DC 電路及 PID 控制電路做了具體介紹。尤其是在 DC/DC 電路的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，在該環(huán)節(jié)中列舉了幾種設(shè)計(jì)方案，并且對(duì)各方案進(jìn)行了分析與比較。最后，利用 Matlab 軟件中的 Simulink 模塊對(duì)該車載充電系統(tǒng)模型進(jìn)行建模與仿真。試驗(yàn)結(jié)果表明，該車載充電器設(shè)計(jì)方案滿足各項(xiàng)設(shè)計(jì)要求，并且具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。關(guān)鍵字：電動(dòng)汽車 車載充電器 DC/DC 電路 PID 控制器ABSTRACTAbout the research and design of the electric vehicle charger is a very important part of the electric vehicle control system.For this field,I designed an charger of electric vehicle.In order to fast charge without damage, the battery of electric vehicle use of High-power switching power conversion technology.In order to achieve the desired results,combined with active power factor correction circuit and DC / DC Converters.And combined with the actual charging requirements,design of electric vehicle charging system design,Specific introduction on the circuit involved in the program,such as the Boost-APFC circuit,DC / DC Converter and PID control circuit.Especially in the part of DC / DC converter design,listed several design plan.And a description and comparison of design plan.Finally,Used the Simulink of the Matlab,to modeling and simulation for the charger of electric vehicle that designed.The results showed that the charger of electric vehicle for designed to meet all the design requirements,and has the value of the application.Key words: Electric vehicles The charger DC / DC Converter PID controller1 緒論1.1 研究背景電動(dòng)汽車車載充電器是一種專為電動(dòng)汽車的車用電池充電的設(shè)備，是對(duì)電池充電時(shí)用到的有特定功能的電力轉(zhuǎn)換裝置。隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，蓄電池已經(jīng)日益廣泛的運(yùn)用在交通運(yùn)輸、電力、通信等部門的設(shè)備中，它已經(jīng)成為最重要的關(guān)鍵系統(tǒng)部件之一。它的安全可靠運(yùn)行直接關(guān)系到整套設(shè)備的可靠運(yùn)行。蓄電池的充放電過程以及蓄電池系統(tǒng)的可持續(xù)放電時(shí)間也會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。而隨著汽車行業(yè)的日益壯大，電動(dòng)汽車已經(jīng)成為一個(gè)很重要的發(fā)展方向。所以，對(duì)于蓄電池的相關(guān)研究越來越廣泛。而作為蓄電池的充電設(shè)備的車載充電器則是電動(dòng)汽車研究必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)。1.2 研究意義從八十世紀(jì)到現(xiàn)在，全球的汽車工業(yè)經(jīng)歷了從無到有長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展。汽車在人類的工作、生活中成為不可或缺的工具，然而在創(chuàng)造無限經(jīng)濟(jì)價(jià)值的同時(shí)，汽車在行駛過程中排放的溫室氣體已成為全球氣候變暖的主要致因，伴隨而來的能源枯竭和環(huán)境污染更加讓國(guó)家不堪重負(fù)。除了面對(duì)傳統(tǒng)燃油汽車尾氣排放造成的污染，還要面對(duì)石油資源的過度消耗所引發(fā)的環(huán)境與能源問題。電動(dòng)汽車以其良好的環(huán)保、節(jié)能特性, 成為當(dāng)今國(guó)際汽車發(fā)展的潮流和熱點(diǎn)。目前世界上許多發(fā)達(dá)國(guó)家的政府、著名汽車廠商及相關(guān)行業(yè)科研機(jī)構(gòu)都在致力于電動(dòng)汽車技術(shù)的研究開發(fā)與應(yīng)用推廣。車載電動(dòng)汽車充電器是電動(dòng)汽車大規(guī)模商業(yè)化后不可缺少的組成部分, 如何實(shí)現(xiàn)車載充電器對(duì)蓄電池快速無損傷充電是電動(dòng)汽車投入市場(chǎng)前必須解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。1.3 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀隨著我國(guó)充電器市場(chǎng)的迅猛發(fā)展，技術(shù)工藝的優(yōu)劣直接決定企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。了解國(guó)內(nèi)外充電器生產(chǎn)核心技術(shù)的研發(fā)動(dòng)向、工藝設(shè)備、技術(shù)應(yīng)用對(duì)于企業(yè)提升產(chǎn)品技術(shù)規(guī)格，提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力十分關(guān)鍵。歐美地區(qū)對(duì)充電器管控比較嚴(yán)格，品質(zhì)要求也很高。為了確保安全，充電器會(huì)逐步要求增加電池的溫度檢測(cè)、定時(shí)關(guān)斷、過充保護(hù)、甚至電池識(shí)別等功能。加上電動(dòng)汽車新標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，國(guó)外對(duì)充電器符合安規(guī)，特別是 EMC 方面也會(huì)更嚴(yán)格。美國(guó)西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的 PNNL 智能充電器可能會(huì)成為電動(dòng)汽車的標(biāo)準(zhǔn)充電器。它能與當(dāng)?shù)仉娏揪o密連接，可以知道當(dāng)?shù)仉娏r(jià)格，以便讓汽車在非繁忙時(shí)間充電，這樣一年可以為車主節(jié)省約 150 美元能源費(fèi)用，能在電網(wǎng)超負(fù)荷時(shí)自動(dòng)停止充電。三洋電機(jī)株式會(huì)社旗下的三洋能源公司生產(chǎn)的車載智能充電器，具體地說是用于實(shí)現(xiàn)車載插頭與萬能充電器的連接而進(jìn)行充電，其主要采用車載插頭與萬能充電器連接，低壓極片設(shè)置在萬能充電器上。在萬能充電器上分別設(shè)有 USB 接口、mini USB 接口及擴(kuò)展接口。XtremeMac 公司全新推出的 iPod 車用車載充電器適用于 iPod 所有系列，Car Charge 是一款安全的 iPod 充電器，因?yàn)樗哂锌筛鼡Q保險(xiǎn)絲的設(shè)計(jì)，可避免因短路所造成的損害。我國(guó)電動(dòng)汽車的相關(guān)研究工作經(jīng)過了“八五” 和 “九五”兩個(gè)五年計(jì)劃和 863 計(jì)劃項(xiàng)目的支持，特別是“ 十五“期間，863 計(jì)劃項(xiàng)目又對(duì)電動(dòng)汽車進(jìn)行了重點(diǎn)支持，已取得一批重大成果并正在推動(dòng)成果轉(zhuǎn)化及產(chǎn)業(yè)化，并得到國(guó)際社會(huì)的廣泛認(rèn)可。隨著鋰離予電池技術(shù)的進(jìn)步以及對(duì)鋰離子電池的認(rèn)識(shí)加深，對(duì)充電器也會(huì)不斷提出新的要求，特別是對(duì)提高充電效率方面需加強(qiáng)研究。1.4 主要研究?jī)?nèi)容每種電池都有適合自己的充電特性曲線，一般情況下充電器是不能通用的，也就是說，針對(duì)具體的電池，需要采用相應(yīng)的充電控制策略為電池充電，這給電動(dòng)汽車補(bǔ)充能量帶來了很大的不便。本文的設(shè)計(jì)目標(biāo)就是研制一種能夠恒壓充電的車載智能充電器，這是一種最基本的充電方式。1、首先從設(shè)計(jì)的具體要求出發(fā)，研究確定了電動(dòng)汽車車載充電器的整體方案。電動(dòng)汽車車載充電器的指標(biāo)要求為：1 輸入電壓：?jiǎn)蜗?AC220V,50Hz；2 輸出電壓：DC320V；3 蓄電池電壓范圍：（200-380）V；4 充電電壓紋波：小于 1%；5 輸出動(dòng)率：7kW 。2、在詳細(xì)分析和研究單相有源功率因數(shù)校正原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出一個(gè)大功率有源功率因數(shù)校正電路，并用軟開關(guān)技術(shù)減少功率開關(guān)管的開關(guān)損耗，最后給出電路中升壓電感等一系列重要參數(shù)的設(shè)計(jì)。3、設(shè)計(jì)出一個(gè)具有降壓功能的 DC/DC 變換器，使電路能夠在蓄電池工作電壓范圍內(nèi)得到穩(wěn)定的輸出電壓。并詳細(xì)寫出電路參數(shù)的設(shè)計(jì)過程。4、用仿真軟件對(duì)設(shè)計(jì)電路進(jìn)行仿真，并給出功率因數(shù)校正電路和 DC/DC 降壓電路的輸出電壓波形。2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)2.1 設(shè)計(jì)的基本原理結(jié)合當(dāng)前電動(dòng)汽車電能供給的典型方式和充電電源的發(fā)展?fàn)顩r，文章設(shè)計(jì)的車載充電系統(tǒng)如圖 1 所示。圖 1 充電系統(tǒng)基本原理圖整個(gè)電路主要采用 AC/DC 加 DC/DC 的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。首先通過 AC/DC 變換將交流電能變換為直流電能。然后利用 DC/DC 變換器得到所需幅值的直流輸出電壓。在設(shè)計(jì)的電路中，首先將 220V 的交流市電經(jīng)過電源濾波器。電源濾波器就是對(duì)電源線中特定頻率的頻點(diǎn)或該頻點(diǎn)以外的頻率進(jìn)行有效濾除的電器設(shè)備。電源濾波器的功能就是通過在電源線中接入電源濾波器，得到一個(gè)特定頻率的電源信號(hào)，或消除一個(gè)特定頻率后的電源信號(hào)。利用電源濾波器的這個(gè)特性，可以將通過電源濾波器后的一個(gè)方波群或復(fù)合噪波，變成一個(gè)特定頻率的正弦波。電源濾波器是一種無源雙向網(wǎng)絡(luò)，它的一端是電源，另一端是負(fù)載。電源濾波器內(nèi)部電路電源濾波器的原理就是一種阻抗適配網(wǎng)絡(luò)，電源濾波器輸入、輸出側(cè)與電源和負(fù)載側(cè)的阻抗適配越大，對(duì)電磁干擾的衰減就越有效。將得到的穩(wěn)定正弦波輸送到有源功率因數(shù)校正電路。有源功率因數(shù)校正電路由整流濾波部分、功率因數(shù)校正部分、DC/DC 轉(zhuǎn)換部分和控制保護(hù)電路組成。通過周期性通斷開關(guān)，控制開關(guān)元件的占空比來調(diào)整輸出電壓的電源變換裝置。它直接將電網(wǎng)工頻電壓經(jīng)過整流濾波為直流電壓，再經(jīng)主變換電路處理后經(jīng)輸出整流濾波，反饋電路對(duì)輸出電壓進(jìn)行采樣，并把所采樣信號(hào)送到控制電路進(jìn)行放大處理，以此調(diào)節(jié)輸出的 PWM 脈沖占空比，最終輸出一個(gè)紋波電壓和穩(wěn)定性能均符合要求的直流電壓。再把得到的直流電壓輸入到 DC/DC 變換器中。DC/DC 變換器有很多種，根據(jù)設(shè)計(jì)需要選擇合適的 DC/DC 變換器。通過調(diào)節(jié)開關(guān)器件的占空比得到規(guī)定幅值的直流電壓。最后將規(guī)定幅值的輸出電壓輸送到蓄電池中，實(shí)現(xiàn)恒壓充電。2.2 設(shè)計(jì)方案與選型2.2.1 整流濾波的設(shè)計(jì)方案與選型整流電路是把交流電能轉(zhuǎn)換為直流電能的電路。按組成器件可分為不可控電路、半控電路和全控電路三種。1) 不可控整流電路完全由不可控二極管組成，電路結(jié)構(gòu)一定之后其直流整流電壓和交流電源電壓值的比是固定不變的。2) 半控整流電路由可控元件和二極管混合組成，在這種電路中，負(fù)載電源極性不能改變，但平均值可以調(diào)節(jié)。3) 全控整流電路所有的整流元件都是可控的，其輸出直流電壓的平均值及極性可以通過控制元件的導(dǎo)通狀況而得到調(diào)節(jié)，在這種電路中，功率既可以由電源向負(fù)載傳送，也可以由負(fù)載反饋給電源，即所謂的有源逆變。由于設(shè)計(jì)采用了功率因數(shù)校正技術(shù)，整流濾波部分在整個(gè)充電器設(shè)計(jì)中屬于開關(guān)電源的一部分，且在開關(guān)電源的設(shè)計(jì)中，整流濾波部分只起到整流作用，整個(gè)功率因數(shù)校正電路共用一套開關(guān)管和控制電路。所以本次設(shè)計(jì)的整流濾波部分選用不可控整流電路即可。2.2.2 功率因數(shù)校正電路的設(shè)計(jì)方案與選型設(shè)計(jì)的整流、濾波、APFC 電路以及其控制電路的部分都屬于開關(guān)電源的設(shè)計(jì)。而開關(guān)電源是采用功率因數(shù)半導(dǎo)體器件作為開關(guān)元件，通過周期性通斷開關(guān)，控制開關(guān)元件的占空比來調(diào)整輸出電壓的電源變換裝置。它直接將電網(wǎng)工頻電壓經(jīng)整流濾波為直流電壓，再經(jīng)主變換電路處理后經(jīng)輸出整流濾波，反饋電路對(duì)輸出電壓進(jìn)行采樣，并把所采樣信號(hào)送到控制電路進(jìn)行比較放大處理，以此調(diào)節(jié)輸出的 PWM 脈沖占空比，最終輸出一個(gè)紋波電壓和穩(wěn)定性能均符合要求的直流電壓。1、功率因數(shù)校正技術(shù)的選擇APFC 電路屬于開關(guān)電源的功率因數(shù)校正部分。根據(jù)是否用有源器件，功率因數(shù)校正可分為無緣功率因數(shù)校正技術(shù)和有源功率因數(shù)校正技術(shù)兩大類。1) 無緣功率因數(shù)校正（PPFC）技術(shù)無緣功率因數(shù)校正技術(shù)是早期應(yīng)用的一種功率因數(shù)校正技術(shù)，通常是在電路的整流器和電容之間串聯(lián)一個(gè)濾波電感，或在交流側(cè)接入一個(gè)諧振濾波器，構(gòu)成無源濾波網(wǎng)絡(luò)，采用無功功率補(bǔ)償、無功濾波等方法抑制電路中的諧波，從而提高電路功率因數(shù)，穩(wěn)定電網(wǎng)電壓，提高電網(wǎng)的供電質(zhì)量。無源校正電路通常采用無源元件電感、電容組成低通帶通濾波器，工作在交流輸入電的工作頻率，將輸入電流波形進(jìn)行了相移和整形。雖然無源功率因數(shù)校正電路的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是由于工作在輸入電的低頻率下，電感、電容的體積就比較大，因而組成的無緣功率因數(shù)校正電路部分的體積可能比較大，且它的補(bǔ)償特性易受電網(wǎng)阻抗、負(fù)載特性的影響。會(huì)由于和電網(wǎng)阻抗發(fā)生諧振而造成電路元件的損壞，不能對(duì)諧波和無功功率實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，因而它只能在中小功率電源中廣泛采用。所以這種方法的優(yōu)點(diǎn)是：控制簡(jiǎn)單、效率高、可靠度高、EMI 小、價(jià)格低廉。缺點(diǎn)是：增加的無緣器件體積大，笨重且效果不好，功率因數(shù)低，對(duì)諧波的抑制效果不理想。所以很多場(chǎng)合無法滿足諧波標(biāo)準(zhǔn)的要求。2) 有緣功率因數(shù)校正（APFC）技術(shù)有緣功率因數(shù)校正是直接采用有緣開關(guān)或 AC/DC 變換技術(shù)，在整流器和負(fù)載之間接入一個(gè) DC/DC 開關(guān)變換器，應(yīng)用電流反饋技術(shù)，使輸入端電流的波形跟蹤交流輸入正弦電壓的波形，從而使電網(wǎng)輸入端的電流波形逼近正弦波，并與輸入的電網(wǎng)電壓同相位。有緣功率因數(shù)校正可得到較高的功率因數(shù)，總諧波畸變小，可在較寬的輸入電壓范圍內(nèi)和寬帶下工作，體積小，重量輕，輸出電壓也可保持恒定。它的基本思想是，通過高頻變換技術(shù)，使設(shè)備輸入端對(duì)電網(wǎng)呈現(xiàn)出電阻特性。這樣，輸入電流的波形與輸入電壓的波形就始終能夠保持一致，只要電網(wǎng)是正弦的，輸入電流也就是正弦的，沒有諧波，沒有相位差。90 年代以來，有源功率因數(shù)校正技術(shù)取得了更多進(jìn)展，國(guó)內(nèi)外的研究機(jī)構(gòu)都提出了一些功率因數(shù)校正的軟開關(guān)技術(shù)和新的控制方法；由于變換器工作在高頻開關(guān)狀態(tài)，有源功率因數(shù)校正技術(shù)具有體積小、重量輕、效率高、功率因數(shù)可接近 1 等優(yōu)點(diǎn)。因此，在現(xiàn)階段，有源功率因數(shù)校正技術(shù)已具備高性能、低成本等優(yōu)點(diǎn)，因此得到廣泛應(yīng)用。本設(shè)計(jì)也將采用有源功率因數(shù)技術(shù)作為最終選擇。2、功率因數(shù)校正拓?fù)潆娐返倪x擇常見的功率因數(shù)校正器的基本電路有：Buck（降壓式） 、Boost （升壓式） 、Buck-Boost（降/升壓式） 、Cuk 和 Flyback（反激式）等變換器。這幾種 PFC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特點(diǎn)如下：1) Buck（降壓式）：只能實(shí)現(xiàn)降壓功能，輸入電流不連續(xù)，噪聲（紋波）大，濾波困難，開關(guān)管上電壓壓力大。2) Flyback（反激式）：輸入、輸出之間隔離，輸出電壓可以任意選擇，輸入簡(jiǎn)單電壓型控制器，適合于 150W 一下的功率要求。3) Buck-Boost（降/升壓式）：需要兩個(gè)電子開關(guān)，用一個(gè)開關(guān)控制驅(qū)動(dòng)，電路比較復(fù)雜，一般只應(yīng)用在中小功率輸出的場(chǎng)合。4) Boost（升壓式）：電感電流連續(xù)，電流畸變率小，儲(chǔ)能電感可作濾波器抑制RFI（射頻干擾）和 EMI（電磁干擾）噪聲，并可防止電網(wǎng)對(duì)主電路的高頻瞬態(tài)沖擊，輸出電壓高于輸入電壓峰值，電源允許的輸入電壓范圍擴(kuò)大，通?？梢赃_(dá)到（90-270）V；輸出電壓可以達(dá)到 400V，提高了電源的適應(yīng)性。控制簡(jiǎn)單，適用于大功率場(chǎng)合的要求，應(yīng)用最為普遍。通過比較，鑒于 Boost 型電路在大功率電源中的眾多優(yōu)點(diǎn)，Boost 升壓結(jié)構(gòu)適合我們作為大功率開關(guān)電源的設(shè)計(jì)要求，是我們最終選擇的方案?；驹韴D如圖 2 所示。圖 2 Boost 升壓拓?fù)潆娐分灰_關(guān) S 導(dǎo)通，電感中就有電流通過，且電流逐漸增大，電感儲(chǔ)能；當(dāng) S 關(guān)斷時(shí)，交流電源和儲(chǔ)能電感一起通過二極管 D 向電容和負(fù)載供電，這樣只要通過對(duì) S 的控制，就可以使得在任何時(shí)間內(nèi)，輸入端都有電流流過。如果控制得當(dāng)，就可以使輸入電流呈正弦形狀，且與輸入電壓同相位。2.2.3 功率因數(shù)校正控制方式的設(shè)計(jì)方案與選型1、經(jīng)典控制方式控制電路根據(jù)電感電流是否連續(xù)可分為不連續(xù)導(dǎo)電模式 DCM 和連續(xù)導(dǎo)電模式 CCM兩種控制方式。DCM 控制模式功率因數(shù)與輸入和輸出電壓的比值有關(guān)，當(dāng)輸入電壓變化時(shí)，功率因數(shù)也將發(fā)生變化；輸入電流紋波較大，峰值電流遠(yuǎn)高于平均電流，而且開關(guān)器件承受較大的應(yīng)力，導(dǎo)致導(dǎo)通損耗和成本增加，只適合用在小功率場(chǎng)合。CCM 控制模式輸入電流紋波小，THD 和 EMI 小，對(duì)輸入濾波器的要求小，輸入電流峰值小，對(duì)器件的應(yīng)力要求就小，相應(yīng)減小了器件的導(dǎo)通損耗，適用于大功率應(yīng)用。從上面的分析對(duì)比中可以看出，CCM 模式在大功率應(yīng)用場(chǎng)合具有相對(duì)較大的優(yōu)勢(shì)，所以此系統(tǒng) Boost-APFC 電路選擇工作在 CCM 模式下。采用 CCM 工作模式，就需要使用乘法器來實(shí)現(xiàn) PFC，當(dāng)采用乘法器控制時(shí)，由于輸入電流總帶有一些開關(guān)頻率的紋波，因此必須決定反饋哪個(gè)電流，因此產(chǎn)生了三種經(jīng)典的電流控制方式，即電流峰值控制、電流滯環(huán)控制和平均電流控制。這三種控制方式的基本特點(diǎn)如表 1 所示。表 1 三種經(jīng)典的電流連續(xù)控制方式控制方式 檢測(cè)電流 開關(guān)頻率 工作模式 對(duì)噪聲 使用拓?fù)?備注電流峰值 開關(guān)電流 恒定 CCM 敏感 Boost 需斜率補(bǔ)償電流滯環(huán) 電感電流 變頻 CCM 敏感 Boost 需邏輯補(bǔ)償平均電流 電感電流 恒定 任意 不敏感 Boost 需電流誤差放大器峰值電流控制（PCMC ）和滯環(huán)電流控制（ HCC）實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單，但這兩種控制方式與平均電流控制方式相比，都具有很明顯的缺點(diǎn)，如果電流峰值和平均值之間存在誤差，無法滿足 THD 很小的要求；占空比大于 0.5 時(shí)系統(tǒng)易產(chǎn)生諧波振蕩；開關(guān)頻率在一個(gè)工頻周期內(nèi)不恒定，引起電磁干擾和電流過零點(diǎn)的死去；負(fù)載對(duì)開關(guān)頻率影響很大，濾波器只能按最低頻率設(shè)計(jì)等缺點(diǎn)。因此大大影響了其在 APFC 電路中的應(yīng)用，其中峰值電流控制方式已趨于淘汰。平均電流控制方式比其他兩種控制方式相比：開關(guān)頻率恒定；THD 較小，電感電流峰值與平均值之間的誤差??；跟蹤誤差小，瞬態(tài)特性較好；對(duì)噪聲不敏感，適用于大功率場(chǎng)合應(yīng)用。但是也存在著自身的缺點(diǎn)，控制電路復(fù)雜，接口設(shè)計(jì)繁瑣。2、目前主流控制方式20 世紀(jì) 90 年代初由美國(guó)加州大學(xué)的 Smedley K.M.博士提出的一種大信號(hào)、非線性PWM 單周期控制方式，以其抗擾動(dòng)性能好，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，控制方式簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)逐漸占領(lǐng)了功率因數(shù)校正技術(shù)的主導(dǎo)地位其控制思想是：通過控制開關(guān)的占空比，使每個(gè)開關(guān)周期中開關(guān)變量的平均值嚴(yán)格等于或正比于控制參謀量。隨著控制技術(shù)的發(fā)展單周期的概念有所擴(kuò)展，這種控制的最大特點(diǎn)是能在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)有效抵制電源側(cè)的擾動(dòng)，這種控制技術(shù)可以廣泛應(yīng)用于非線性系統(tǒng)的場(chǎng)合，比如脈沖調(diào)制、諧振、軟開關(guān)的變換器等。單周期控制 Buck 變換器原理圖如圖 3 所示。圖 3 單周期控制 Buck 變換器原理圖假定輸出電壓 ，開關(guān)頻率 為常數(shù)。工作原理如下：當(dāng)開關(guān) S 導(dǎo)通時(shí)，二gVssTf/1?極管截止，其兩端電壓為零。因此一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)二極管上的電壓為： ??ssDTgddtVt00電路開始工作時(shí)，由控制器產(chǎn)生恒定頻率的開關(guān)脈沖，開通開關(guān) S，二極管上的電壓經(jīng)記分器開始積分，當(dāng)積分器的輸出電壓 ，達(dá)到給定值 ，比較器輸出翻轉(zhuǎn)，觸dV int inf發(fā)器發(fā)出關(guān)斷信號(hào)關(guān)斷開關(guān) S，同時(shí)發(fā)出復(fù)位信號(hào)使實(shí)時(shí)積分器復(fù)位為零。由上可以得出： refDTgsTdsd VttVss ????001在單周期控制中，占空比 D 由下式?jīng)Q定：（2-1）refTgsts?0采用單周期控制時(shí)，電壓的平均值在每一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)都與 完全相同，并且與輸refV入電壓的大小無關(guān)。采用單周期控制系統(tǒng)完全抑制了輸入電壓的干擾，具有良好的直流電壓調(diào)節(jié)特性，當(dāng)開關(guān)頻率足夠高時(shí)，系統(tǒng)可以得到高質(zhì)量的直流輸出電壓?？梢詫沃芷诳刂扑枷霐U(kuò)展為通用的理論，對(duì)各種類型的開關(guān)變換器都可以用該技術(shù)實(shí)現(xiàn)。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，可以選擇單周期控制技術(shù)的芯片來代替控制電路，比如英飛凌的ICE2PCS01 和 IR 的 IR1150S 芯片等。雖然 IR1150S 無論在管腳功能和使用方式上都同ICE1PCS01 極為相似。不過 IR1150S 簡(jiǎn)化了電流環(huán)，可直接使用簡(jiǎn)單濾波后的電感電流檢測(cè)值來工作，無需電流環(huán)補(bǔ)償電容。所以本文將采用單周期控制方式的控制芯片IR1150S 對(duì)功率因數(shù)校正電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。2.2.4 DC/DC 電路DC/DC 變換器是指能將一定幅值的直流輸入電壓（或電流）變換成一定幅值的直流輸出電壓（或電流）的電力電子裝置，主要應(yīng)用于直流電壓變換（升壓、降壓、升降壓等） 、開關(guān)穩(wěn)壓電源、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)等場(chǎng)合。DC/DC 變換是將原直流電通過調(diào)整其PWM（占空比）來控制輸出的有效電壓的大小。DC/DC 轉(zhuǎn)換器又可以分為硬開關(guān)和軟開關(guān)兩種。1) 硬開關(guān)（Hard Switching）硬開關(guān) DC/DC 轉(zhuǎn)換器的開關(guān)器件是在承受電壓或流過電流的情況下，開通或關(guān)斷電路的，因此在開通或關(guān)斷過程中將會(huì)產(chǎn)生較大的交疊損耗，即所謂的開關(guān)損耗。當(dāng)轉(zhuǎn)換器的工作狀態(tài)一定時(shí)開關(guān)損耗也是一定的，而且開關(guān)頻率越高，開關(guān)損耗越大，同時(shí)在開關(guān)過程中還會(huì)激起電路分布電感和寄生電容的振蕩，帶來附加損耗，因此，硬開關(guān)DC/DC 轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率不能太高。2) 軟開關(guān)（Soft Switching）軟開關(guān) DC/DC 轉(zhuǎn)換器的開關(guān)管，在開通或關(guān)斷過程中，或是加于其上的電壓為零，即零電壓開關(guān)（Zero-Voltage-Switching ，ZVS） ，或是通過開關(guān)管的電流為零，即零電流開關(guān)（Zero-Current·Switching ，ZCS ） 。這種軟開關(guān)方式可以顯著地減小開關(guān)損耗，以及開關(guān)過程中激起的振蕩，使開關(guān)頻率可以大幅度提高，為轉(zhuǎn)換器的小型化和模塊化創(chuàng)造了條件。所以在車載充電器的設(shè)計(jì)中選用軟開關(guān)。理論上，按其變換功能可將 DC/DC 變換器分為降壓型 DC/DC 變換器（Buck 變換器） 、升壓型 DC/DC 變換器（Boost 變換器） 、升- 降壓型 DC/DC 變換器（Boost-Buck 變換器）和降- 升壓型 DC/DC 變換器（Buck-Boost 變換器）四種基本類型。然而在工程上，依據(jù)DC/DC 變換器是否需要電器隔離，又可將其分為有變壓器的隔離型 DC/DC 變換器和無變壓器的非隔離性 DC/DC 變換器。由于設(shè)計(jì)的 DC/DC 變換器只需實(shí)現(xiàn)降壓功能，所以將對(duì)具有降壓功能的 DC/DC 變換器進(jìn)行選型。1) Buck 變換器Buck 變換器電路輸出電壓的平均值低于輸入直流電壓。電路圖如圖 4 所示。圖 4 Buck 變換器電路圖該電路使用一個(gè)全控型器件 T，圖中為 IGBT，也可使用其他器件。根據(jù)電感電流是否連續(xù)，Buck 變換器有三種工作模式，分別為連續(xù)導(dǎo)電模式、不連續(xù)導(dǎo)電模式和臨界狀態(tài)。電感電流連續(xù)是指輸出濾波電感 L 的電流總大于零，電感電流斷續(xù)是指在開關(guān)管關(guān)斷期間有一段時(shí)間流過電感的電流為零。在這兩種工作模式之間有一個(gè)工作邊界，稱為電感電流臨界連續(xù)狀態(tài)，即在開關(guān)管關(guān)斷期末，濾波電感的電流剛好降為零。他們工作波形有較大差異。由此可見，T 一周期中導(dǎo)通時(shí)間愈長(zhǎng)，向電感轉(zhuǎn)移的能量愈多，向負(fù)載轉(zhuǎn)移的能量也愈多，即輸出電壓愈高。所以控制開關(guān)管導(dǎo)通占空比可控制輸出電壓。其工作波形如圖 5 所示。圖 5 Buck 變換器工作波形T 導(dǎo)通時(shí)，電感電壓 ，在該電壓的作用下，電感電流 線性增長(zhǎng)，電感儲(chǔ)0uUSL?? Li能增加。T 關(guān)斷且電流連續(xù)時(shí)，電感電壓 ，在該電壓的作用下，電感電流 線性下降，0L Li電感儲(chǔ)能減少。T 關(guān)斷且電流斷續(xù)時(shí)，電感電壓 ，電容向負(fù)載供電。0?LuBuck 變換器的優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單；控制特性好；負(fù)載側(cè)電流波動(dòng)小。缺點(diǎn)是電源側(cè)電流波動(dòng)大；只能降壓，不能升壓。2) Buck-Boost 變換器Buck-Boost 變換器電路如圖 6 所示。圖 6 Buck-Boost 變換器電路圖通過控制 T 通斷來控制電源向負(fù)載轉(zhuǎn)移電能。T 導(dǎo)通時(shí)， ，電感電流線性增加，電感儲(chǔ)能增加，電源向電感轉(zhuǎn)移電能。SLUu?T 斷開時(shí)， ，電感電流減少，電感儲(chǔ)能減少，電感儲(chǔ)能向負(fù)載轉(zhuǎn)移電能。C?其工作波形如圖 7 所示。圖 7 Buck-Boost 變換器工作波形Buck-Boost 變換器的優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單；既能升壓，也能降壓。缺點(diǎn)是電源側(cè)、負(fù)載側(cè)電流波動(dòng)大。3) Cuk 變換器Cuk 變換器電路如圖 8 所示。圖 8 Cuk 變換器電路圖通過控制 T 通斷來控制電源向負(fù)載轉(zhuǎn)移電能。T 長(zhǎng)期斷開時(shí)，輸出電壓 。0?uT 導(dǎo)通時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，電感電流將趨于無限大，此時(shí)斷開 T，將有無窮大能量轉(zhuǎn)移到負(fù)載，輸出電壓 也將趨于無限大。0u其工作波形如圖 9 所示。圖 9 Cuk 變換器工作波形Cuk 變換器的優(yōu)點(diǎn)是既能升壓，也能降壓；電源側(cè)、負(fù)載側(cè)電流波動(dòng)小。缺點(diǎn)是電路稍復(fù)雜；電容 充放電電流波動(dòng)大。2C4) 單端正激變換器正激變換器電路如圖 10 所示。圖 10 正激變換器電路圖單端正激變換器由 Buck 變換器派生而來。在 Buck 變換器上插入一個(gè)隔離變壓器，即得到如圖 7 所示的單端正激變壓器。單端正激變壓器電壓增益與開關(guān)導(dǎo)通占空比成正比，這與 Buck 變換器類似，不同的是比后者多了一個(gè)變壓器變比。在實(shí)際的正激變換器中，必須考慮隔離變壓器激磁電流的影響，否則鐵心中存儲(chǔ)的能量將使變壓器不能正常工作。單端正激電路的優(yōu)點(diǎn)：增大了電壓的輸出范圍；加大了電路抗干擾的能力。缺點(diǎn)是：變壓器有漏感；磁芯利用率不高，且很容易飽和。5) 單端反激變換器反激變換器電路如圖 11 所示。圖 11 反激變換器電路圖單端反激變換器由 Buck-Boost 變換器派生而來。和 Buck-Boost 變換器相比較可知，反激變換器用變壓器代替了升降壓變換器中的儲(chǔ)能電感。因此，這里的變壓器除了起輸入電隔離作用外，還起儲(chǔ)能電感的作用。 反激變換器在開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)電源將電能轉(zhuǎn)為磁能儲(chǔ)存在變壓器中，當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時(shí)再將磁能變?yōu)殡娔軅魉偷截?fù)載。單端反激電路的優(yōu)點(diǎn)：轉(zhuǎn)移到負(fù)載側(cè)的能量由原邊電壓、等效電感、IGBT 開通時(shí)間決定，與負(fù)載無關(guān)。很適合于高壓小功率變換電路。缺點(diǎn)是：變壓器有漏感；磁芯利用率不高，且很容易飽和。6) 隔離型 Cuk 變換器隔離型 Cuk 變換器如圖 12 所示。圖 12 隔離型 Cuk 變換器電路圖Cuk 變換器只能提供一個(gè)反極性、不隔離的單一輸出電壓，在要求有不同的輸出電壓和不同極性的多組輸出時(shí)，特別要求輸入、輸出之間電氣隔離時(shí)，就需要加入隔離變壓器。隔離型 Cuk 變換器的工作原理是與 Cuk 型變換器相同的。它的顯著特點(diǎn)是變壓器的原、副邊繞組均無直流流過，這是由于電容 、 隔直流的緣故。這樣磁芯是兩個(gè)方向1C2磁化的，不需要加氣息，體積可以做得較小。與其他只有一個(gè)開關(guān)管的單端電路相比，變壓器體積小一半，而且繞組面積減小，銅耗也減小。而且 Cuk 型變換器的輸入、輸出電流都是連續(xù)的，具有較小的紋波分量。但是隔離型 Cuk 變換器仍然存在隔離型 DC/DC 的缺陷。7) 橋式變換器橋式變換器由四個(gè)功率晶體管組成。相對(duì)于半橋而言，功率晶體管及驅(qū)動(dòng)裝置個(gè)數(shù)要增加 1 倍，成本較高，但可用在要求功率較大的場(chǎng)合。橋式變換器主回路如圖 13 所示。橋?qū)堑膬蓚€(gè)功率晶體管作為一組，每組同時(shí)接通或斷開（也可其他方式） ，兩組開關(guān)輪流工作，在一周期中的短時(shí)間內(nèi)，四個(gè)開關(guān)管將均處于斷開狀態(tài)。四個(gè)開關(guān)導(dǎo)通（或關(guān)斷）占空比值均相等。圖 13 橋式變換器電路圖橋式變換器的優(yōu)點(diǎn)：主變壓器只需要一個(gè)原邊繞組，通過正、反向的電壓得到正、反向磁通，副邊有一個(gè)中心抽頭繞組采用全波整流輸出。因此，變壓器鐵心和繞組的最佳利用，使效率、功率密度得到提高。功率開關(guān)在非常安全的情況下運(yùn)作。在一般情況下，最大的反向電壓不會(huì)超過電源電壓 Vs，四個(gè)能量恢復(fù)（再生）二極管能消除一部分由漏感產(chǎn)生的瞬間電壓。這樣無須設(shè)置能量恢復(fù)繞組，反激能量便得到恢復(fù)利用。 缺點(diǎn)：需要功率元件較多。在導(dǎo)通的回路上，至少有兩個(gè)管壓降，因此功率損耗也比雙晶體管推挽式變換器 1 倍。但是在高壓離線開關(guān)電源系統(tǒng)中，這些損耗還是可接受的。另外，能量恢復(fù)（再生）方式，由于有四個(gè)二極管，損耗略有增加。 以上是對(duì)具有降壓功能的 DC/DC 變換器的分析。基本可以分為不帶隔離變壓器和帶隔離變壓器兩大類。后者可以將電源和負(fù)載隔離，加大了安全性，但是隔離型損耗比較大。由于設(shè)計(jì)電路的輸入電壓與輸出電壓都不較大，所以不必采用損耗比較大的隔離型DC/DC。而在非隔離性 DC/DC 中，雖然有即可升壓也可降壓的 DC/DC，但是電路較復(fù)雜。而設(shè)計(jì)的車載充電器只需要降壓，所以選用電路簡(jiǎn)單的 Buck 變換器即可。3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1 Boost APFC 主電路的硬件設(shè)計(jì)3.1.1 功率因數(shù)的定義首先假定交流輸入電壓為無畸變的標(biāo)準(zhǔn)正弦電壓，即：（3-1）tVU?cos2?這里所講的功率因數(shù)（PF ）是指被有效利用功率的百分比，與電工理論中的 并?cos非同一概念，后者表示的是正弦電壓與基波電流之間的相角差。而 PF 的定義則為：（3-2）IPPF?1視 在 功 率基 波 有 功 功 率式中： 為基波有功功率，V 和 I 分別為輸入電壓、電流的有效值。1P設(shè)輸入電流表達(dá)式為：（3-3）????????? ???? ?????1 332211 .coscoscos2cos2nn tItItItIi ???????則電流的有效值為：（3-4）.2321II式中： 、 、 分別表示輸入電流的基波分量和各次諧波分量。1I23I那么，（3-5）123211 cos.cos?????IIIVPF定義 為畸變因數(shù)； 為輸入相電壓與基波相電流之間的位移因.321??I? 1cs數(shù)。因此，功率因數(shù)的嚴(yán)格定義應(yīng)為畸變因數(shù)與基波位移因數(shù)的乘積，即：（3-6）1os????PF可見輸入電流除了基波分量外，還含有大量的諧波。諧波電流使電力系統(tǒng)的電壓波形發(fā)生畸變，將各次諧波有效值與基波有效值的比值稱為總諧波畸變率 THD，其定義為：（3-7）%10.12321???IITHDnh式中： 為所有諧波電流分量的有效值。hITHD 用來衡量電網(wǎng)的污染程度，是表征諧波電流含量多少的一個(gè)重要參數(shù)。由畸變因數(shù) γ 的定義和上式子可得：（3-8）??23211.THDI?????所以功率因數(shù) PF 也可以寫成：（3-9）??211cossTHDPF?????所以可以得到：當(dāng) 一定時(shí)，THD 越大，功率因數(shù)也就越低。因此，提高功率因1cos?數(shù)也就應(yīng)該從減小基波電壓、電流之間的相位角差和總諧波畸變率 THD 兩方面入手。從這個(gè)角度看，可以說諧波的抑制電路就是功率因數(shù)校正電路。3.1.2 主電路參數(shù)設(shè)計(jì)Boost APFC 電路主電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖 14 所示。圖 14 Boost APFC 電路主電路圖1、最大輸入功率和輸入電流計(jì)算在正常的工作效率下，變換器的最大輸入功率為： WPMINAXIN3789.04)(0)( ???當(dāng)輸入電壓最低時(shí)，輸入電流的最大有效值為： AFVIINIAXMAXN 4.19.76.)(0)( ?輸入電流最大峰值為： IMAXIAXPEKN .2.2)()( ???輸入電流的最大平均值為： AIPEKINMAXVG 5.174.)()( ??2、輸入電容的選取輸入端的高頻電容主要來濾除輸入的高頻噪音和改善輸入紋波，計(jì)算如下： FVrfIKCMINsAXIIN ??? 2.1760.15249.023)(( ????????其中 是電流紋波系數(shù)（取 20%） ，r 是最大高頻電壓紋波系數(shù)，取 6%。I?所以選取 、630V 的薄膜電容。FCIN?1?3、Boost 電感的選取1) 電感量大小的選取在輸入電壓最低，輸入電流峰值的時(shí)候占空比有最大值： %5.3480176230)( ??????VDMIN電流紋波為 20%峰值電流： AIAXPEKN%2)(??電感電流峰峰值為： IIIMAXPEMAXPEKL 14.3028.547)()( ????升壓電感： HIfDVsNPAEI ?48.510%23)( ????2) 選磁芯形狀和尺寸根據(jù)設(shè)計(jì)手冊(cè)，選 EE 形鐵氧體 3C90 磁芯材料。 ，單線圈 。TB.max?03.1?K4343341max .6019)28547(12.0 cmKBILAPPSeW ?????????????????其中 為窗口面積， 為磁芯有效截面積，L 為 Boost 電感， 為最大峰值電流，e SPI為最大有效值電流。PLI根據(jù)手冊(cè)，我們最后選取 EE85B， ，可以滿足要求。441.68.70cmAeW??3) 電感線圈匝數(shù)的計(jì)算取氣隙 ，由公式可以計(jì)算匝數(shù)：m4?? 4.31059.8432.70 ?????????SLN取 N=34 匝。4) 導(dǎo)線截面積的選取導(dǎo)線的電流速度一般 300-500 ，這里去電流密度按有效值 ，最大2/cmA 2/40cmAJ電流有效值為 19.4 ，故導(dǎo)線截面積為： 2285.40.419mcJISNMXC??我們選取 的銅導(dǎo)線。26C?4、輸出電容的選取在功率因數(shù)校正變換器中，輸出電容設(shè)計(jì)主要考慮維持時(shí)間 ，一般取 30ms。那么t?輸出電容為： FVtPCMIN?352)0(3814222)(00 ????????這里 為輸出電壓最小值，一般取 300V。故輸出電容選用 3400 ，500V 的電)(0MINV ?解電容。5、開關(guān)器件的選擇主開關(guān)管的選擇，主開關(guān)管的選擇應(yīng)考慮電流有效值的 1.5-2 倍的裕量，電壓應(yīng)為輸出電壓的 1.5-2 倍的裕量。經(jīng)前面的計(jì)算，功率管采用 APT5010LFLL，耐壓 500V，最大正向通態(tài)電流 46A。續(xù)流二極管選用 RURG5060 超快恢復(fù)二極管，耐壓 600 ，正向額V定電流 50A。整流橋選用 KBPC5010F。3.2 Boost APFC 控制電路的硬件設(shè)計(jì)3.2.1 單周期控制 Boost PFC 電路的工作原理1) 單周期控制的基本原理當(dāng)開關(guān) S 的開關(guān)周期 恒定時(shí)，工作過程可用如下開關(guān)函數(shù)來表示：ST（3-10）???????SONTttK01式中， 是開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間； 是開關(guān)關(guān)斷時(shí)間；滿足 ，開關(guān)輸入信號(hào)通ONTOF SOFNT??過開關(guān)斬波，輸出信號(hào) 的頻率和脈寬與開關(guān)函數(shù) 一致，而 的包絡(luò)線與 一ty??tx??ty??tx致，開關(guān) S 的輸出量與輸入量的關(guān)系為：（3-11）??tkty?假設(shè)開關(guān)頻率 遠(yuǎn)高于輸入信號(hào) 和控制信號(hào) 的帶寬頻率，對(duì)于傳統(tǒng)的控制Sfx??tVref而言，占空比 由控制信號(hào) 線性調(diào)制而成，那么得到開關(guān)的輸出信號(hào)為：ONTD/?tVref（3-12）????refTSS txdtdtyONON ????0011因此，對(duì)于傳統(tǒng)的電壓反饋控制，開關(guān)的輸出信號(hào) 是輸入信號(hào) 和控制信號(hào)??y??tx的乘積， 的變化，必然導(dǎo)致 的變化。而對(duì)于采用占空比的非線性調(diào)制，如??tVref txty果調(diào)制開關(guān)的占空比使每個(gè)周期開關(guān)輸出端斬波波形的積分值恰好等于控制信號(hào)的積分值，即：（3-13）??????ONONTrefTdtVtx00那么在每個(gè)周期開關(guān)輸出端斬波波形的平均值恰好等于控制信號(hào)的平均值，即：（3-14）??????ONONTrefSTS ttx0011因此，在一個(gè)周期內(nèi)，輸出信號(hào)能及時(shí)被控制。（3-15）????tVdtTdtxty refrefSTSONON????0011根據(jù)這個(gè)概念來控制開關(guān)的技術(shù)被定義為單周期控制技術(shù)，這時(shí)開關(guān)的有效輸出信號(hào)為：（3-16）??ttyref開關(guān)輸出信號(hào) 完全抑制了輸入信號(hào)的影響，線性再現(xiàn)了控制信號(hào) 。因此，??ty ??tVref通過單周期控制，將一個(gè)非線性開關(guān)變?yōu)橐粋€(gè)線性開關(guān)。2) 單周期控制 Boost PFC 電路的工作原理選擇的單相功率因數(shù)校正電路，如圖 15 所示。圖 15 單周期控制 Boost 變換器原理圖對(duì)于單周期控制 PFC Boost 變換器，有：（3-17）??DVin??1/0為使功率因數(shù)校正至 1，希望有：（3-18）einiRI式中， 為 Boost 變換器輸入等效電阻。eR根據(jù)式（3-17）和式（3-18） ，且令 ，可得：??0/VeSm?（3-19）IininS式中， 為電流 的采樣電阻； 為電壓環(huán)調(diào)節(jié)器輸出。將式（3-17）帶入式（3-19） ，SinIiV可以得到占空比 D 的控制目標(biāo)：（3-20）??iniSonSinmDVTRI??/從式（3-19 ）看到 總是跟隨 ，從而變換器的入端阻抗等效為一個(gè)電阻，實(shí)現(xiàn)了inIi功率因數(shù)校正。式（3-20）可以采用單周期控制策略實(shí)現(xiàn)控制。如圖 13 所示，圖為實(shí)現(xiàn)占空比控制目標(biāo)的單周期控制器。在每一周期 內(nèi)，與ST相對(duì)應(yīng)的積分器輸出 ，當(dāng) 時(shí)，比較器ONT??mSONDVTV?/int SinmRIV??2int輸出為 1，即 RS 觸發(fā)器的 R 端置位；Q=1 ，積分器復(fù)位（ ） 。0it3.2.2 單周期控制 Boost PFC 變換器穩(wěn)定性分析用狀態(tài)空間平均法對(duì)其進(jìn)行建模，先作如下假設(shè)：1) 變換器工作在電流連續(xù)狀態(tài)；2) 功率開關(guān)管和二極管均為理想器件，功率開關(guān)管輸出電容和二極管電容均忽略不計(jì)，只考慮電感串聯(lián)等效電阻 。LRBoost 變換器開關(guān)模態(tài)圖如圖 16 所示，圖中電流方向?yàn)閰⒖挤较?，以電感電流、電容電壓為狀態(tài)變量建立狀態(tài)方程。圖 16 Boost 變換器開關(guān)模態(tài)當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，電感電壓、電流關(guān)系式如下：（3-21）0???inLLVdtiR當(dāng)開關(guān)關(guān)斷時(shí)，電感電壓、電流關(guān)系式如下：（3-22）0LinLti由式（3-21 ）和式（3-22 ）可以得到其平均動(dòng)態(tài)方程：（3-23）??incLLVvdiRdti 1???同理有下列方程成立：（3-24）cLcCIitv1由式（3-23 ）和（3-24 ）可得 Boost 變換器的平均動(dòng)態(tài)模型，寫成矩陣如下所示：（3-25）????????????????????01VviRdtvi incLLcL對(duì)單周期控制 Boost PFC 的控制目標(biāo)方程式（3-20）中，并進(jìn)行小信號(hào)化，在直流工作點(diǎn)附近做小信號(hào)擾動(dòng)。在式（3-20 ）中有： ， ， ，帶入原式，并進(jìn)行小信號(hào)化，可eSinRV0?LinICV?0以得到在直流工作點(diǎn)附近小信號(hào)擾動(dòng)如下所示：eCvV???LLiIdD帶入式（3-20）得： ????cCeSSLeScC vVRiIRvV???? ????將上式展開，刪去穩(wěn)態(tài)分量，略去二階無窮小即可得到下式：（3-26）cLeviDd?1?將式（3-25 ）小信號(hào)化，再將式（3-26）帶入可以得到單周期控制 Boost PFC 閉環(huán)小信號(hào)模型：（3-27）??????????????????????? cLcLLcL viCDiRCDdtvi ?1120?令：（3-28）???????21aA其中： LR?102?a??CD1????????cLviR2矩陣 A 的特征值是方程：（3-29）??021212??aa?若其根在左平面，則方程是穩(wěn)定的。而： 2121???是恒成立的，也就是根恒在左平面，所以單周期控制的 Boost PFC 變換器是穩(wěn)定的。3.2.3 Boost PFC 電路數(shù)學(xué)模型的建立假設(shè)能量傳輸效率 100%，根據(jù)能量守恒，輸出功率等于輸入功率。有 ，einRV20?為二端口網(wǎng)絡(luò)輸入等效電阻。調(diào)制電壓 ，那么：eR 0VResm?（3-30）sminRV??20整理得：（3-31）minsi??220對(duì)上式各變量求導(dǎo)，（3-32）inmiinss vVvRiVi ??? 20020 ???????因?yàn)椋?-33）i0整理得：（3-34）02220 ???? vRVvvRVi sinmiins ????????（3-35）2020i isisi ???因?yàn)椋?-36）esmRV??0帶入，則：（3-37）0020 ?2?? vvi inimsin?????設(shè) ， ， ，原式可以寫為：msingRVv??200gvVin?rR?（3-38）00?1?vrgviinm?????根據(jù)式（3-38）得到小信號(hào)模型如圖 17 所示。圖 17 單周期控制的 Boost 電路小信號(hào)模型（3-39）SCRiv???1?0把式（3-39 ）帶入式（3-37） ，得：（3-40）????SFRgCSRgv Pmm ????????/13/13?0，即為整流器的極點(diǎn)角頻率。RCP3??（3-41）??GSsAzv0??????????為誤差放大器的零點(diǎn)角頻率。z因?yàn)殡娐返拈_環(huán)增益為：（3-42）????pzmvSRgSsGFSP?/130????G 為電壓反饋系數(shù)，由整流器的極點(diǎn)角頻率 和誤差放大器的零點(diǎn)角頻率 可以得p z?到閉環(huán)截止頻率 ：cf（3-43）?6300???Rgffmmc式（3-42）是一個(gè)電源電壓頻率模型，因此，電壓環(huán)的截止頻率應(yīng)遠(yuǎn)小于電源電壓頻率 50Hz，取 ，誤差放大器的頻率應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于零截止頻率，選 。根據(jù)上Hzfz16? Hzf20?述幾個(gè)頻率的值，就可以確定電壓環(huán)的參數(shù)。3.2.4 控制電路設(shè)計(jì)典型的單周期控制原理電路圖如圖 18 所示。圖 18 IR1150S 典型應(yīng)用電路其中， 為采樣電阻， 為開關(guān)頻率設(shè)置電阻， 為反饋電阻， 為過壓檢測(cè)電阻。SRfRFBROVPR控制芯片采用 IR 公司生產(chǎn)的基于單調(diào)周期控制技術(shù)的功率因數(shù)校正的控制芯片IR1150S。IR1150S 是一種單周期控制的連續(xù)電流模式 PFC 控制芯片，通過控制開關(guān)的占空比，使每個(gè)開關(guān)周期中開關(guān)變量的平均值嚴(yán)格等于或正比于控制參考量。隨著控制技術(shù)的發(fā)展單周期的概念有所擴(kuò)展。這種控制的最大特點(diǎn)是能在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)有效抵制電源側(cè)的擾動(dòng)，這種控制技術(shù)可以廣泛應(yīng)用于非線性系統(tǒng)的場(chǎng)合，比如脈寬調(diào)制、諧振、軟開關(guān)的變換器等。它僅有 8 個(gè)引腳，采用了 IR 公司特有的單周期控制技術(shù)專利，為有源功率因數(shù)校正電路提供了一種成本低廉、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的解決方案。如 1kVA 服務(wù)器開關(guān)電源中，與傳統(tǒng)基于乘法器的 CCM 系統(tǒng)相比，IR1150S 的 PFC 解決方案可節(jié)省 40%的電阻電容，節(jié)省 50%的 PFC 控制器電路板面積。在功率密度問題上更為突出的小功率應(yīng)用中，如大功率筆記本和液晶電視適配器，若采用 CCM 模式的 IR1150S 控制器，則意味著降低峰值電流，對(duì) EMI 濾波器的要求也可降低。該芯片具有以下特點(diǎn)：具有寬范圍電壓輸入，無需輸入電壓采樣，不要求輸入電壓的線形性，用于連續(xù)模式（CCM）下，較好的過壓欠壓保護(hù)措施，具有軟啟動(dòng)功能，啟動(dòng)電流小于 200uA，開關(guān)頻率（50-200）Hz 可調(diào)，最大占空比 98%，最低關(guān)斷時(shí)間（150-350）ns，內(nèi)部嵌位 13V 門極驅(qū)動(dòng)電壓輸出，門極驅(qū)動(dòng)最大電流 1.5A 等。其管腳排列如圖 19 所示。圖 19 IR1150S 管腳圖各管腳功能介紹：COM：接地；FREQ：頻率設(shè)定；ISNS：電流采樣輸入；OVP/ENA：輸出過壓保護(hù)/使能；COMP：電壓環(huán)補(bǔ)償；VFB：輸出電壓反饋；VCC：芯片供電；GATE：驅(qū)動(dòng)輸出。1、開關(guān)頻率的選擇IR1150S 控制的開關(guān)頻率是可調(diào)的，通過一個(gè)外接電阻 R 來調(diào)節(jié)開關(guān)頻率。由于冊(cè)中頻率電阻的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線可知取 165-37 時(shí)對(duì)應(yīng)的輸出開關(guān)頻率為 50-200 ，這里取?KkHz外接電阻 165 。?K2、電壓反饋電路設(shè)計(jì)反饋采樣電阻要足夠高，以減少主電路在采樣電阻上的功率損耗，并滿足主電路的設(shè)計(jì)要求。我們?nèi)∵h(yuǎn)大于輸出電阻， ，那么根據(jù)設(shè)計(jì)手冊(cè)：?RFB5021 ??????KVREOUTEFB 7.1837)(3其中 為芯片內(nèi)部參考電壓。REFV3、電流采樣濾波設(shè)計(jì)采樣電流要經(jīng)過濾波以濾除開關(guān)噪音，ISNS 腳采用的是簡(jiǎn)單的 RC 濾波器，它的截止頻率為：（3-44）SFPSFCRf???21常用的截止頻率一般為 1-1.5 ，這里選用 RC 濾波器： ，mHz ??10SFR。PFCSF10?4、軟啟動(dòng)設(shè)計(jì)軟啟動(dòng)時(shí)間由下面的公式?jīng)Q定：（3-45）OVEAFCMPZsit)(??其中， 為電壓誤差放大器的最大輸出電流，查資料為 40 ； 芯片內(nèi)部OVEAi A?)(EFCOMPV設(shè)定電壓為 6.05 。選取軟啟動(dòng)時(shí)間 為 50 ，計(jì)算得到 為 0.33 。stmZ5、過壓保護(hù)電路設(shè)計(jì)IR1150S 內(nèi)部過壓比較器提供專用的參考電壓 ，設(shè)計(jì) 450VREFovpREF49.70.1)(?為過壓保護(hù)的門限電壓，當(dāng)輸出電壓高于 450 時(shí)將啟動(dòng)過壓保護(hù)。根據(jù)設(shè)計(jì)手冊(cè)有：V ??KROPV521 ??????REFOPEFOVP 93.164.709)(()36、電流環(huán)和過流保護(hù)設(shè)計(jì)IR1150S 內(nèi)部提供 的門限，采樣電流經(jīng)電阻轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，當(dāng)電壓達(dá)到 ，1 V1?過流保護(hù)立即啟動(dòng)。電流放大器的 DC 增益 。單周期控制的集成芯片 IR1150S5.2DCG工作基于峰值電流模式，因此開關(guān)電流能取代電感電流作為采樣電流輸入到 ISNS 腳。最大占空比的計(jì)算： VVVINMMINPEAKI 249176)8.0(2)( ?????3524930?I由單周期控制 Boost APFC 變換器的控制目標(biāo)公式：（3-46）INSDCinVG??其中 為電流檢測(cè)腳 ISNS 的輸入電壓，可以得到：SNV 59.1.2)340(56)1()1())(max) ???????DCEFOMPDCSATin其中， 為 IR1150S 內(nèi)部設(shè)定電壓為 6.05 ，當(dāng)考慮過載 5%時(shí)，電感電流的)(EFCOMP V峰峰值為： AKIII OVLMAXPEKNOVLPEAKN 6.3105.248.72)()( ?????????????????????.063159.)(LPEISNSR采樣電阻的功率為： WSRMAXRSINS .8.422)( ????7、電壓反饋環(huán)設(shè)計(jì)電壓反饋環(huán)示意圖如圖 20 所示。圖 20 電壓反饋環(huán)示意圖開環(huán)增益為：（3-47）)()()(321SHSGT?輸出分壓傳遞函數(shù)：（3-48）01)(VREF對(duì)于恒定的功率負(fù)載時(shí)，傳遞函數(shù) 為：)(3S（3-49）0203 1)(CGSHDSin??誤差放大器的傳遞函數(shù)：（3-50）??PZgwPZmR?)(2其中 為跨導(dǎo)常數(shù)。在上面的函數(shù)中電壓環(huán)補(bǔ)償腳接的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)在傳遞函數(shù)中增加mg了一個(gè)零點(diǎn)和一個(gè)極點(diǎn)：（3-51）ZgmzCRf?210?（3-52）PZgwpf?0電壓環(huán)補(bǔ)償：為了避免電壓環(huán)節(jié)導(dǎo)致的線電流在輸出上引起的失真，引入電流環(huán)補(bǔ)償，電壓環(huán)補(bǔ)償?shù)哪康氖窍敵鲭妷荷?100 的紋波。Hz輸出電容上的二次紋波為： VVCfPVoutndINOPK 2.438015207260 ???????????100 的紋波通常要衰減 100 倍，即取其典型值的 1%，有：Hz dBGOPKEFMVA 5.7461.)(?輸出電壓采樣環(huán)節(jié)衰減為： SHREF.3018.37)(01 ???在 100 時(shí)誤差放大器的增益為：z dBGVA.1?第二個(gè)極點(diǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于 100 ，所以誤差放大器的傳遞函數(shù)