并联交错临界连续PFC变换器的单周期控制

摘 要:为了利用临界连续导电模式功率因数校正器(PFC)高效的优点，将其应用到较大功率场合，提出一种用于临界连续PFC的单周期控制策略。采用开关频率和采样频率可变的方法，利用单数字信号处理器实现了3个临界连续。PFC变换器的并联交错运行。提出的针对临界连续PFC变换器的单周期控制器无需对开关的高频峰值电流、电感电流过零点进行检测与判断，筒化了临界连续PFC交换器的控制。实验结果表明：该方案可实现临界连续PFC变换器输入电流和输出电压的有效控制，可在保证高的输入功率因教同时，获得稳定的直流输出电压。
关键词；电源；临界连续导电模式；功率因数校正器；单周期；并联交错；数字控制

连续导电模式(continuous conduction mode,CCM)功率因数校正器(PFC)变换器在工业中已经得到广泛的应用;但是，在CCM PFC中，高压快恢复二极管的反向恢复损耗限制了变换器效率的提高，而在临界连续导电模式(critical conductionmode，CRM)PFC可以消除该损耗，而且还可以实现开关管开通零电压、零电流开通(ZVZCS)，且是一种自然的、不用任何辅助功率器件的软开关，因此，CRM PFC变换器得到了广泛的应用。
然而，较大的电感电流纹波导致单开关CRMPFC变换器一般只适用于小功率场合。为了利用CRM工作模式的优点，将其应用到较大功率场合，本文提出一种单周期控制方法。基于该方法可容易地实现CRM PFC变换器并联交错运行，将CRMPFC变换器应用到较大功率场合，同时，并联工作可减小器件的电流应力，交错技术可减小总输入电流高频纹波幅值、提高总输入电流的纹波频率，降低输入端EMI滤波器的体积。

1 CRM PFC变换器的工作原理
CRM PFC变换器的系统原理如图1所示。

由图1可见，主电路采用Boost拓扑，控制部分采用开关频率可变的峰值电流控制方法，其中L为电感，D为二极管，S为开关管。控制输入为电流i波形和输出电压Udc的幅值。电压控制环的输出Uvea乘以输入电压Uac得到电流给定iref,使得输入电流的包络线跟随iref,实现功率因数校正和输出电压幅值控制。为了使电感电流临界连续，实现开关管开通的软开关以及消除快恢复二极管的反向恢复损耗，控制器对电感电流过零点进行了检测，使开关管在电感电流值过零附近开通。

2 针对CRM Boost PFC的单周期控制器
由于对CRM Boost PFC变换器进行控制，需对高频的电感电流过零点和高频的开关电流峰值进行检测与判断，因此，要实现其数字控制具有一定的难度。因为其控制要求数字控制器要在一个高频控制周期内，对2个高频的信号点进行检测与判断，由采样定理可知，这对低端数字控制器来说是很困难的，即使采用数字控制器的外部中断可以实现基本控制，但变换器的控制频率将很低，满足不了高功率密度变换器的要求。为此，本文提出一种开关频率可变的单周期控制器，只需使用现有的低成本数字控制器就可以实现CRM Boost PFC变换器的控制。该控制器只需对输入电压和输出电压采样，无需用硬件电路对高频的电感电流过零点和开关管电流峰值进行检测与判断。
根据Boost变换器一个开关周期内开关管S的工作状态，可将变换器的工作模式分为2种，如图2所示。

在CRM工作模式下，从图2可得到，S导通时

式中：uac、Udc是输入和输出电压的瞬时值，假定在一个高频开关周期内保持不变；ton、和toff是开关管的导通和断开时间。
根据式(1)和式(2)就可得到一个用于CRMBoost PFC变换器的单周期控制方案，如图3所示。

由图3可知，电感电流的参考值为

由CRM PFC变换器的工作原理可知，电感电流的包络是跟踪iref的，因此，由式(1)和式(2)可以得到

依据式(4)和(5)可得到每个控制周期开关管的导通和关断时间，实现电感电流的临界连续，同时，通过电压环来改变iref实现输出电压的幅值控制。
可以看出，在每个控制周期内，ton和toff与前一个周期的状态无关，只取决于该开关周期的iref、uac和Udc,也就是说，当给定变化时，输入电流和输出电压的瞬态响应过程可在一个控制周期内结束。

3 并联交错数目N对输入功率因数的影响
为了研究变换器交错数目N对输入功率因数的影响，对并联交错变换器的输入电流波形进行了数学分析与研究。N个并联交错的电感电流波形，如图4所示。